人类头顶上方的8000吨垃圾该如何解决？

索隆

2021年11月15日，俄罗斯开展了一次反卫星导弹试验，将己方一颗废弃卫星击碎。卫星位于地球上空约480公里，服役近40年。这一举动随即引发美俄双方激烈争执。俄国防部称，“按照试验时间和轨道参数，所产生的碎片未曾、也不会对空间站、航天器和太空活动构成威胁。”美官员则称，试验产生的1500多个可追踪碎片及更多不易发现的小碎片将在轨道上停留数年或更久，这会对包括国际空间站人造卫星在內的各类航天器安全造成影响。

不容忽视的是，废弃的卫星或卫星解体以及与火箭残骸碰撞等产生的碎片将带来大量太空垃圾，这一问题由来已久且日渐凸显。人类头顶上方，就是浩瀚无边的垃圾场，垃圾存量超过8000吨。

可以想象，各类航天器的运行就是在大大小小、飞速运动的垃圾间闪转腾挪。在地球上，实行的是“谁污染、谁治理”的原则，但这一切在太空尚属空白。迄今为止，从发射卫星到清除垃圾，都缺少国际性公约以及法律法规的约束。

俄罗斯废弃的卫星名为Kosmos-1408，是一颗军用侦察卫星。国际空间站飞行在距地大约420公里的高度，较Kosmos的飞行高度低五六十公里。当Kosmos“粉身碎骨”后，碎片四散到更高或更低的离地高度。国际空间站每90分钟绕地球一圈，这意味着每90分钟空间站会靠近或通过碎片带。空间站上有7名航天员，4名来自NASA（美国宇航局），2名来自俄罗斯，1名来自欧洲宇航局。在导弹发射后最初几小时内，7名航天员一度躲进美国太空探索技术公司的载人龙飞船和俄罗斯联盟号宇宙飞船中。最坏的打算是，航天员们将乘坐这些“救生艇”逃离太空，回到地球。

一些卫星处在不同的轨道上。早期照相侦察卫星及用于探测低层大气的科学卫星处在离地400公里左右的高空，属低轨道卫星。绝大部分应用卫星，包括气象卫星、对地观测卫星等的飞行高度都在700到1200公里之间。

处于不同轨道高度的空间碎片寿命也不同。如，高度在400公里以下的碎片，在四处游荡的过程中，因为有一定大气阻力，寿命衰减就会较快，几个月就寿终正寝，进入大气层，回地球“入土为安”。600公里高度的碎片轨道寿命为几年，600公里至800公里为十几年，800公里至1000公里为几十年。如果是1000公里或2000公里高度以上的碎片，寿命则可长达百年乃至上千年。

越是卫星密集的轨道，空间碎片的数量越多。高度在2000公里以下的近地球轨道LEO（轨道高度约为400-2000公里，绝大多数的对地观测卫星、测地卫星、空间站以及一些新的通信卫星系统都采用近地轨道）；20000公里左右的中地球轨道MEO（轨道高度为2000-36000公里之间，GPS、GLONASS都属于此类轨道）；以及高度在36000公里左右的地球同步转移轨道GEO（指近地点在1000公里以下、远地点为地球同步轨道高度约36000公里的椭圆轨道）是空间碎片的密集运行区域。

说起太空垃圾，我们第一时间想到的可能就是那些从太空坠落的人造飞行物残骸。但实际上，它涵盖的范围非常之广。不光是废弃的卫星、报废的火箭助推器，还有宇航员作业时留下的航天服、工具铲、老虎钳、相机、牙刷、铅笔等。比如1982年苏联宇航员列勃捷夫在太空行走前，就不小心让舱里的螺栓、垫圈还有一支铅笔被吸出到太空，成为致命的垃圾。

不过，太空垃圾的主力军是世界各国发射的运载火箭、卫星等航天器。完成任务后，它们有的很快进入大气层烧毁，有的则长久停留在轨道上，变成太空垃圾。

太空垃圾坠落产生的最大危害当属著名的“宇宙954”事件。1978年1月24日，一颗苏联核动力卫星回收时因失控从天而降，坠落到加拿大西北部地区。当时它携带30千克浓缩铀核燃料，足以生产3枚核弹头，被形容为从天而降的核灾难。这些具有高放射性的碎片在18000平方英里的范围内散落，引发民众的强烈恐慌。幸而并没有危及人身安全，但加拿大还是花费1400万美元清除污染，并获得苏联赔偿。

碎片家族有着个头大小之分，根据欧洲航天局的最新预估，围绕地球运行直径大于10厘米的空间碎片有34000个，1厘米到10厘米的碎片数量约为90万个，直径在1毫米至1厘米之间的碎片有1.28亿个。

如果你认为这些以厘米计算的碎片不足以构成威胁的话，那你就大错特错了。美国宇航局估计，这些碎片大多数以每小时2万公里的速度绕地球运动。这个速度相当于我们普通客机的70到80倍。它们就像马路上随意乱开的汽车一样漂浮在太空轨道上。并且，如果不经过追踪，你无法知道它们什么时候会停住，何时会突然进行变线等。

由于它的相对速度较大，所以小到几毫米的油漆斑点都足以给人造卫星或者载人飞船造成致命损伤。可以说，这些看似不起眼的碎片是宇宙交通事故最大的潜在“肇事者”。

自人类航天史发展以来，它们造成的事故已不在少数。1991年12月，俄罗斯的废弃人造卫星“宇宙1934”与飞船“宇宙926”释放出的一大块物体相撞，旋即发生爆炸。2013年3月，俄罗斯卫星与一小块中国卫星被击毁之后产生的碎片相撞，再次在太空中发生爆炸。

在科幻电影《地心引力》中，美航天飞机维修哈勃望远镜期间，因俄罗斯击碎一颗俄方废弃卫星，导致大量空间碎片产生，将航天飞机及望远镜击毁。通常空间碎片都以第一宇宙速度（7.9公里/秒）量级的速度运行，这相当于狙击步枪子弹飞行速度的几倍。一个直径10厘米的太空垃圾就可以将航天器完全摧毁。一颗以第一宇宙速度运行的卫星，被1厘米大小、以同样速度运行的碎片撞击，后果相当于卫星受到一辆1吨重、以50公里/小时行驶的汽车撞击，只能“以身殉职”。数毫米大小的太空垃圾就可能使航天器无法继续工作。小于0.1毫米的碎片主要会引起航天器表面烧蚀和溅蚀，会使太阳能电池的效率降低。

2021年5月，在对国际空间站机械臂的一次常规检查中，专家发现机械臂上有一个被微小碎片撞击的小孔。但好在这是一次“幸运的撞击”，并未影响机械臂的运行。

类似的事件并不罕见，随着太空垃圾所占的轨道空间不断扩大，碰撞发生的可能性也在不断增加。早在1978年，美国宇航局科学家唐纳德·凯斯勒就提出了一种理论假设。该假设认为当近地轨道的航天器密度达到一定程度时，它们会产生碰撞，形成碎片，进而形成更多碰撞，更多碎片……这样下去，最坏的结果便是导致近地轨道被危险的太空垃圾所覆盖。

如今，像Space X、One Web等卫星运营商打着联通全世界的旗号，在低地轨道布设小卫星，此举将增加卫星碰撞的可能性，“这将是未来太空最大的危险”。2009年2月10日，在西伯利亚泰梅尔半岛上空770公里的高度，美国铱卫星公司的铱星33号和俄罗斯的宇宙2251卫星发生碰撞，撞击时的相对速度为11.6公里/秒，产生至少2000多片碎片。这是人类历史上首次近地轨道人造卫星碰撞事件。碰撞时，铱星仍处于工作状态，俄国卫星已废弃多年。

马斯克的Space X计划于2027年前实现“星链”宏图，部署共计12000颗低轨道卫星，至今已有1700颗卫星在轨运行。除此之外，马斯克预计还将向低地轨道贡献30000颗小卫星。Space X的竞争对手波音、亚马逊等近年来也在向联邦通信委员会提交申请，预计向近地轨道发射总计35000颗商用卫星。此外，One Web也将像Space X一样，发射总计超过40000颗卫星。2021年10月，非洲国家卢旺达宣布了更为疯狂的发射计划，将在未来发射320000颗小卫星。

对于低地轨道卫星发射来说，在哪里发射、发射多少颗并没有一定之规，通常是各国先到先得，跑马圈地。根据联合国的外层空间物体指数，截至2021年9月，近地球軌道约有7500颗运行中的卫星。

1978年，美国宇航局科学家唐纳德·凯斯勒曾提出一种假设，当低地轨道物体密度足够高时，物体间碰撞会产生碎片，碎片又会与其他物体碰撞，产生更多碎片。一系列连锁反应后，最终，会导致卫星轨道资源被碎片包围，造成永久性破坏，以致无法开展太空活动。这被称为“凯斯勒效应”。凯斯勒认为，目前业界已达成共识，碎片环境已达到临界点，即便现在停止所有发射，碎片依然会继续增加。至于凯斯勒效应，“它已经开始了，虽然碰撞尚不剧烈，规模也还不大”。

亚伦·博利是英属哥伦比亚大学的一名天文学家。他在2021年3月发表在《科学报告》上的一篇文章中提到，在近地球轨道上，已有超过12000个直径10厘米及以上、可追踪的碎片。如果统计直径降至1厘米，碎片数目可能达上百万个。诸如星链等低成本卫星的普遍扩散进一步加剧了近地球轨道的环境压力。博利还分析说，虽然Space X声称发射卫星将在5到6年使用寿命结束时主动离轨，但离轨的整个过程需要6个月。如果其他公司也如此操作，这意味着数以千计的离轨卫星将缓慢穿过同一个拥挤的空间，构成碰撞风险。离轨的卫星将被追踪，以避免和碎片近距离交会。但能否真正避免“太空交通事故”，这取决于各个运营商间能否持续沟通与合作，目前这样的合作是“临时和自愿”的。

除了使太空更为拥挤，小卫星的集聚还会对天文观测造成影响。太阳光从航天器上反射，会使得天空可能变亮两到三倍。由于卫星大部分为铝制，大量卫星及碎片再入大气还会带来铝在大气中的沉积，火箭发射产生的黑碳、烟灰会使得气候变暖，破坏臭氧层。当碎片落回地球，还有可能给人类带来意外袭击。

面对无处不在的空间碎片，主要航天国家和国际组织只能采取“惹不起，躲得起”的方式，对其重点航天器执行碰撞预警和机动规避。截至2020年，国际空间站已执行规避危险碎片操作28次，仅2020年就有3次。欧洲航天局平均每颗低轨卫星每年需执行两次避碰操作。

实现规避和预警，就要建立对空间碎片的观测和预报系统。2020年3月，美空军新一代地面雷达系统——“太空篱笆”上线。这一雷达系统位于北太平洋马绍尔群岛属地内，可追踪到近地轨道尺寸为1至10厘米间的20万件太空垃圾。2017年，美国宇航局将一太空碎片感应器连接至国际空间站的实验舱外部，用以探测在地面上难以查明的毫米级碎片。航天器进而通过调整发射时间，或在轨运行时长，改变与碎片碰头时间或轨道高度，达到规避目的。

太空垃圾的问题愈发严峻，再不及时清理必将后患无穷。因此，全世界的航天界都在研制各种方法来清除回收太空碎片。

比如用高强度纤维编织的垃圾网拦截太空碎片；或是将太空垃圾送到更高的空间轨道等。有意思的是，这些点子的灵感有一些是从动物身上获得的。

2017年8月，美国斯坦福大学的科学家就受壁虎启发，研制出一种能抓住太空漂浮物体的机械抓手。现实中，我们经常看到壁虎在墙壁、天花板等光滑的平面上迅速爬行。这一项技能得益于它脚下布满了细微的皮瓣和毛发等。这些物质能使壁虎在跟任何表面完全接触时，都会产生非常大的吸附力，使自身粘附在上面。利用类似的原理，研究者便研发出一块仿壁虎材料，并将两块材料组合成一个抓手。

在实验室、零重力环境下的测试表明，这种“壁虎抓手”不仅能抓取并操作重达370千克的大物体，也能抓取并操作质量不到300克的小物件。这意味着，它能抓取不同形状、大小以及材料的太空垃圾。 但为了保险起见，它仍在进行改进，并运往国际空间站进一步测试使用。

除了壁虎的构造，科学家也参照了鸟类的飞翔特性。他们想到给太空垃圾插上“翅膀”，让它们自己飞回地球。2010年3月，英国科学家就设计了一种“立方帆”，来对付较大体积的太空垃圾。在立方帆的内部，安装有一张折叠起来的聚合膜。当它发射到太空之后，这张膜就会张开，面积可达25平方米。当立方帆附近出现太空碎片时，地面人员就会发出指令，小型动力装置就会开启，靠近太空碎片进行“对接”工作，使立方帆自身与碎片结合为一体。

之后，立方帆会利用地球高空的稀薄空气带着报废的卫星“飞”离轨道。

虽说地球轨道上的空气分子密度极低，但却足以让立方帆缓缓减速，降低轨道。这样就能使太空垃圾在比较短的时间内坠入大气层自行烧毁。

值得一提的是，立方帆的投资大约100万欧元左右。一旦研发成功，可以说是处理太空垃圾的方法中性价比最高的，大大降低了太空垃圾处理的成本。

此外，还有科学家提出向太空中发射3000米宽的“渔网”，企图将太空垃圾撞离轨道。甚至有科学家想出将气球送上太空，用一阵狂风将碎片吹得向大气层猛冲。

2021年3月，一家日本卫星服务公司研发的“终结碎片生命”卫星由俄罗斯联盟号火箭发射升空。这款“神器”的“杀手锏”在于其磁性系统，既能抓住平静如水的物体，也能捕获兴风作浪的碎片。当将“凶手”捉拿归案后，卫星将和碎片重回大气层，同归于尽。

2025年，欧洲航天局还将联手一家瑞士初创公司，启动首个清除过往太空垃圾的任务。这次任务将启用一个实验性的四臂机器人，来捕获2013年发射的织女星火箭留下的碎片。这块太空垃圾位于距地球800公里的上空，重约100公斤。

除了清理碎片之外，航天界还应从源头上控制垃圾。随着空间飞行器的增多，地球同步卫星轨道位置的分配问题也越发受人关注。因此，协同各国进行轨道位置的合理有效分配就显得格外重要。它需要国际上进行协同合作，按需求和可能予以优化空间轨道的安排等。

与此同时，国际组织初步订立了相关的“太空交规”。比如对碎片进行编号，用定位进行全程跟踪等规避碰撞。而在对待太空垃圾的问题上，我们国家也承担起了一个大国的责任。

2000年，我国就启动了“空间碎片行动计划”，对太空垃圾进行监控和主动处理。2015年，中国国家航天局空间碎片监测与应用中心正式成立。同时，中国政府也利用先进技术尽可能减少空间碎片的产生。我国的航天科研人员就对在役长征系列运载火箭实施了末级钝化处理。经过钝化处理，卫星被撞后不会发生爆炸，从而避免产生更多的碎片。

2016年发射的“遨龙一号”装载了一台机械臂，能准确地抓住速度超高的碎片。它是世界上第一个主动的轨道碎片离轨清除试验项目。

目前，对于太空垃圾的处置方式基本上是任其自生自灭。就处理空间碎片而言，最大问题是没有国际上的公约加以约束。另一重隐忧还在于，如今开发的清除碎片“利器”都可用作反卫星的武器。美国佐治亚理工学院国际事务学院副教授玛丽埃尔·博洛维茨说，近年来，对航天器的在轨维修等操作都引发了军事人员的极大兴趣。这些快速发展的技术有着双重用途，“有可能用于和平的太空活动，也可能用于太空战争”，“不能提前确定它们在哪一天将如何使用”。这样的迷局需要外交谈判和协商，以及国际层面的信任来解决。

1968年，美国生态学家加勒特·哈丁在《科学》杂志上提出“公地悲剧”的概念，指面对有限的资源，如果每个人只从自身短期利益出发，一切将变得不可持续。此时此刻，在人类头顶上方，正在经历着一场太空公地悲剧。越来越多的卫星涌入近地轨道，人们对此的态度总是宽容的：似乎总有空间，能再发射一次。

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