太空垃圾带来的灾害性后果和人类将如何处理

从1957年第一颗人造卫星斯普特尼克一号(Спутник-1)进入太空以后的这60多年的时间内,人类向地球轨道附近发射了大量的人造物,这其中有相当一部分都留在地球轨道上成为了太空垃圾,根据美国太空监视网络(SSN)的数据显示,目前已经侦测到的太空垃圾超过一亿个。

卫星送入轨道,依照能量守恒和动量守恒定律,飞行的速度必须达到每秒几公里,才能绕着地球飞行;因此如果它在轨道上撞到任何太空垃圾,比如废弃卫星撞到一片油漆碎片,即使不是灾难性的,也可能造成巨大的损失。

地球轨道上充斥着各种太空垃圾
地球轨道上充斥着各种太空垃圾

太空垃圾造成的灾难有多严重?

自1957年以来,人造卫星和火箭制造了越来越多轨道碎片物体,大小从几微米到几米不等。尽管已经达成了一些国际协议,限制碎片的增长速度,各国却没有严格的计划来减少现有太空碎片的数量。

如今越来越多功能的人造卫星被发射进入地球周围的低轨道,然而其所造成的碎片与卫星数量分布超过太空垃圾容量限制时,则可能发生理论失控的碰撞反应。

最近,美国太空新闻报导,非洲的小国家卢旺达向国际电信联盟(ITU)申请327,230颗卫星,加拿大的开普勒新创公司提出115,000颗卫星的超级大型太空网络系统,加上亚马逊、OneWeb、SpaceX和Telesat等公司已经在积极开发的系统,以及地球静止轨道上的通讯卫星,这些卫星数量远远超过预期需求的容量,达到碰撞临界点的极限风险;问题是国际电信联盟没有执法权,国际电信联盟对轨道拥堵的规定为零。

2009年铱星与俄罗斯Cosmos的碰撞,让人们意识到,并提高了积极管理碎片情况的紧迫性,努力采取缓解方法,并提出了许多减少太空垃圾的技术。2021年年底,中国的天宫空间站紧急启动姿态控制,以规避靠近中的星链太空网络卫星潜在的碰撞危机。

空间碎片撞击试验:以轻气枪射击铝板的方式,模拟一片14.2克的塑料,以5.334公里/秒的飞行速度在太空低轨道与铝板碰撞的情况。
空间碎片撞击试验:以轻气枪射击铝板的方式,模拟一片14.2克的塑料,以5.334公里/秒的飞行速度在太空低轨道与铝板碰撞的情况。

凯斯勒效应和连锁反应

美国NASA科学家在1978年提出凯斯勒效应(Kessler Effect)理论,说明当太空垃圾达到或超过容量限制时,由于碎片碰撞而失效的人造物数量将显著增加。地球轨道上大大小小的物体,数量将变得非常大,它们会不断相互碰撞,产生更多碎片——最后成为一种被称为“碰撞级密度”的连锁反应。紧随其后,新产生的碎片将呈指数倍增,直到近地太空被各种大小垃圾堵塞。

一旦这样的卫星碰撞灾难发生,整个连锁反应可能只需要几天或几周的时间,最后可能只有几颗人造卫星完好无损。

若是继续毫无限制地增加巨型卫星星系,可能会导致数十年,甚至更长时间的太空活动完全丧失。

太空垃圾一旦超过临界点,造成碰撞灾难,无论是太空网络、卫星导航、通讯卫星、地球监控、气象预报等等,大部分可能都将失去功能。科技带给人们的便利,以及所建立的文明,将大幅衰减、倒退。

不重视太空垃圾的威胁,未来可能会造成严重后果
不重视太空垃圾的威胁,未来可能会造成严重后果

如何解决太空垃圾的问题?

若是我们什么都不做,可能会导致每年5兆美元的太空商业收入损失。重新开放太空将花费至少数千亿美元,并且可能需要数十年才能实现。若是能想出补救措施,就能确保太空垃圾不会带来灾难性的问题,但这就需要一个非常缜密的计划,涉及几个新的太空系统和数十亿美元的投资。

目前人类可以采用的补救措施包括:建立太空垃圾追踪机制,由观测站和天文台精确跟踪、监控太空物体的轨迹,避免现役卫星与大型物体相撞;提出减少计划,清除太空小碎片物体的数量;跨国协调卫星的太空交通,以维持安全的飞行路径;在设计人造卫星时,规划卫星寿命结束前的退场机制,让卫星降低轨道返回地球,并且在大气层烧掉。这些方法目前都正在陆续实验、进行中。比如之前浩瀚科普介绍的一个将于2025年启动的太空垃圾清楚计划

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