人類可能是目前已知唯一可以向太空扔垃圾的物種,這句話并不凡爾賽,甚至還有著一絲無奈。
我們還遠遠做不到低成本發(fā)送生活垃圾到太空,上面這句話里說的垃圾,指的是“廢棄或損壞的衛(wèi)星及碎片”,它們越來越多,靜靜地圍繞著地球轉動,變成一張名副其實的“網”。
如果人類把眼光放向更遠的太空時代,可以這樣說,太空垃圾和生活垃圾問題同樣嚴重,區(qū)別只在于這些垃圾圍住的是城市,還是地球。
馬斯克的星鏈衛(wèi)星,科學家說約3%失效了
SpaceX的星鏈計劃自誕生之初就引起了超高關注,熱度一直不減,不僅因為這項計劃的大膽屬性,還因為它預計發(fā)射的衛(wèi)星總數(shù)量達到了一個驚人的數(shù)字:42000顆。
之所以要發(fā)射這么多顆衛(wèi)星,是因為星鏈計劃打算建立一個覆蓋全球的衛(wèi)星網絡,為地球上的用戶提供寬帶服務,一定程度上解決邊遠地區(qū)和自然環(huán)境特殊區(qū)域的網絡問題——在人煙稀少或人跡罕至的地方,建立時時需要人力維護的基站是不怎么經濟的商業(yè)行為。
而根據(jù)歐洲航天局太空碎片辦公室(SDO)資料顯示,到2020年2月,地球軌道上大約有5500顆衛(wèi)星。
也就是說,僅一個星鏈計劃發(fā)射的衛(wèi)星總量,就是之前在軌衛(wèi)星總數(shù)的7倍多。
不管衛(wèi)星這個詞聽起來多么有科技感,說到底它仍然是一個大號的電子產品,還要經歷升空和變軌等多種考驗,出現(xiàn)故障是在所難免的事情。
▲圖片來自:NASA(Unsplash)
哈佛-史密松天體物理學中心的天文學家喬納森·麥克道爾對照了SpaceX和美國政府的數(shù)據(jù)后,推測目前已發(fā)射上天的800多顆星鏈衛(wèi)星中,有大約3%可能已經失效,失效的衛(wèi)星“可能已經解體或墜入大氣層燃燒”。
3%的低故障率,為什么還會引人擔憂?
天文學家喬納森·麥克道爾表示,3%的故障率是一個正常的水平,而SpaceX認為故障率只有1%左右,也就是說,SpaceX也認可故障存在并承認了故障已發(fā)生的事實。
如果按3%的故障率推算,42000顆衛(wèi)星中大約會有1260顆失效,如果按1%的故障率算,這個數(shù)字為420顆。
▲電影《機器人總動員》展示了被失效衛(wèi)星包裹的地球
根據(jù)歐洲航天局太空碎片辦公室(SDO)資料顯示,到2020年2月,有大約3200顆失效衛(wèi)星,而在此之后僅星鏈計劃一個項目的故障失效衛(wèi)星,可能就達到了人類幾十年失效衛(wèi)星總數(shù)的12%–38%。
目前世界各國都在籌建太空互聯(lián)網,即將發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量呈幾何級上升。有科學家預測,未來計劃發(fā)射的衛(wèi)星總數(shù)可能超過10萬顆,無論按按3%還是1%的故障率算,失效衛(wèi)星都是一個龐大的數(shù)字。
離開總數(shù)談發(fā)生率,都是……
太空那么大,容不下失效衛(wèi)星?
不少人覺得,衛(wèi)星很小,太空很大,衛(wèi)星對于太空來說連一顆沙子都算不上,失效了也就失效了。
但實際上失效的衛(wèi)星就像一顆顆定時炸彈,隨時可能給其它衛(wèi)星帶來毀滅性的傷害。
▲太空中的高速碎屑殺傷力巨大.圖片來源:《星際穿越》電影
這里面涉及到幾個關鍵詞:軌道、碰撞和碎屑,當這三個因素聚在一起的時候,失效衛(wèi)星就是個讓人頭大的問題。
1.衛(wèi)星軌道和頻率資源越來越稀缺
地球同步軌道位置十分稀缺,再加上衛(wèi)星之間需要保持間隔避免無線電干擾,「太空很大可以隨便塞衛(wèi)星」并不能實現(xiàn)。
為了緩解軌道資源緊張,國際電聯(lián)會根據(jù)各個國家領土面積和人口等多重因素來分配衛(wèi)星軌道位置,就像現(xiàn)在一線城市上車牌一樣,路只有那么多,先上牌的人多了,后上牌的人競爭就會更加激烈。
失效衛(wèi)星也會占用軌道,浪費了寶貴的資源。據(jù)北京日報報道,中國的北斗衛(wèi)星之所以「搶在最后四小時發(fā)射升空」,也是因為軌道和頻率資源因素。
▲北斗衛(wèi)星示意圖.圖片來自:北斗導航系統(tǒng)官網
這是因為2000年4月18日國際電聯(lián)批準了中國申報的導航衛(wèi)星頻率和軌道,「北斗」二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)進入了國際電聯(lián)的頻率總表,正式取得了合法地位。不過,根據(jù)國際規(guī)則,如果不在登記后的7年里,即2007年4月17日之前使用,該頻率就過期了。
2.失效衛(wèi)星更容易導致碰撞
成功發(fā)射且正常服役的衛(wèi)星受信號控制,可以變軌、避讓、調節(jié)角度,而失效衛(wèi)星再也不受人控制,基本就是「隨緣」飄在太空中,還會因為地球攝動(一種因受其它天體的吸引或其他因素的影響在軌道上產生的偏差)而偏離軌道。
很多失效衛(wèi)星是被遺棄的狀態(tài),再也沒有人關心它們,也不知道它們究竟繞著地球轉到哪里了,這大大增加了新發(fā)射的衛(wèi)星和失效衛(wèi)星碰撞發(fā)生的風險。
比如2009年12月,中國發(fā)射的長征四號火箭的第三級和前蘇聯(lián)1989年2月發(fā)射的廢棄衛(wèi)星,在南極上空991公里處差點高速相撞,兩者最接近時,距離可能只有12米。
▲擦肩而過
3.碰撞后的碎屑重復導致上述兩個問題
發(fā)生碰撞后會,失效衛(wèi)星會產生大量的碎屑,大部分碎屑會分散在失效衛(wèi)星的軌道里繼續(xù)繞著地球轉,既占用軌道資源,又會增加碰撞的概率,小部分碎屑會散射出去飄蕩在太空里。據(jù)科學家推測,目前毫米級以上的碎屑可能數(shù)以億計。
▲歐洲航天局制作的碎屑推測圖
這些碎屑威力有多大呢?
在高300–450公里的近地軌道上時,太空碎屑的運行速度可能達到每秒7–8公里。當它們在36000公里高度的地球靜止軌道上時,速度則高達每秒3公里。
如果兩個每秒7公里飛行速度的物體在太空相撞,10厘米左右的碎屑可能破壞整個航天器或衛(wèi)星,1厘米左右的碎屑可能擊穿太空艙,即使是地球上毫不起眼的1毫米左右的碎屑,都可能造成傷害。
一塊10克重的太空垃圾撞上衛(wèi)星,相當于兩輛100km/h的小汽車相互碰撞,衛(wèi)星可能在1.5秒內被打穿或直接擊毀,還會直接威脅到航天員的生命安全。
國際空間站就是衛(wèi)星碎屑的活靶子,2016年4月,國際空間站上的對地觀景臺玻璃出現(xiàn)了一個直徑7毫米的裂紋,正是被一塊小碎屑擊中產生的。
▲想象一下玻璃瞬間碎裂的后果
解決失效衛(wèi)星,大部分靠天
失效衛(wèi)星潛在隱患這么大,怎么解決呢?
答案是:大部分靠天。
1.遺棄法
回收風險大,成本高,失效衛(wèi)星最終的命運就是孤零零地繼續(xù)圍繞著地球轉動。人們唯一能做的就是等待衛(wèi)星自己逐漸分解,或者慢慢墜入大氣層燃燒殆盡,周期一般較長,可能需要幾十年。
2.火化法
設計衛(wèi)星之初,部分衛(wèi)星預留了一部分電量和燃料,等待衛(wèi)星瀕臨失效的時候,點燃所剩無幾的燃料,把衛(wèi)星推向大氣層燃燒。
▲星鏈計劃官網介紹,衛(wèi)星壽命終止時,會利用機載推進系統(tǒng)進行離軌
不過,衛(wèi)星是一個精密化設計的儀器,內部空間寸土寸金,看似簡單的留后門操作,可能會帶來成本上升或風險增大等問題,所以有很多衛(wèi)星是沒有這個設計的。
3.太空葬
有些衛(wèi)星屬于中高軌道衛(wèi)星,離地球大氣層太遠,最終被推向的不是大氣層,而是太空。
不過由于一般衛(wèi)星預留的燃料很少,不足以讓失效衛(wèi)星飛向太空深處,僅僅是飛向不重要或用不著的太空軌道,仍然會圍繞著地球。
4.主動清理
2016年6月25日中國長征七號成功發(fā)射,一臺名為遨龍一號的空間碎片主動清理飛行器一同進入太空,被譽為太空清道夫,可以用機械臂抓取衛(wèi)星和太空碎片,帶入大氣層燒毀。
除了用機械臂抓取,還有噴射網捕獲失效衛(wèi)星,激光射擊失效衛(wèi)星等方法??梢赃@樣說,「保守療法」仍占多數(shù),主動治療手段也越來越多。
前進!前進!前進!
俄國科學家齊奧爾科夫斯基說過:地球是人類的搖籃,但是人類不能永遠生活在搖籃里。
隨著社會進步,人類享受著地球搖籃保護時,也面臨著部分資源短缺的境地,生產力和生產水平的提升總是受限于人類文明的發(fā)展客觀進程,不斷催生不可調和的資源矛盾,最終走向經濟危機甚至戰(zhàn)爭。
如果我們能進一步探索和開發(fā)太空資源,一定程度上可以緩解或解決這種地球病。發(fā)射衛(wèi)星是人類真正走入太空的第一步,無數(shù)個紀元以后,必將被新人類載入史冊。
只是當人類真正打算移民到太空另一顆星球時,如果那些漂浮在地球上空的成千上萬顆的失效衛(wèi)星,變成了人類征戰(zhàn)太空的最大絆腳石,那就太黑色幽默了。
無論是探索太空,還是清理太空垃圾,我們的選擇只有一個:前進,前進,前進!