捡起太空垃圾

我们如何处理太空中的7000吨垃圾?
2018年10月2日

采访

萨里大学的Guglielmo Aglietti教授

想象一下,为了买一辆新车,你攒了好几年的钱,但要把它带回家,你首先得开着它穿过一堆旧金属,这意味着在这个过程中你最终会把它的一边弄掉。这听起来很牵强,但实际上这就是我们发射到太空的新卫星所发生的事情,因为地球被我们之前的太空探索留下的垃圾海洋包围着。这些垃圾正在威胁到价值数百万美元的技术!现在,欧洲各地的科学家们正在挑战这一难题,他们发起了一个名为“清除碎片”(RemoveDebris)的富有想象力的项目。伊兹·克拉克采访了萨里太空中心主任兼项目负责人古列尔莫·阿格列蒂。

古列尔莫——目前,太空中有7000多吨的东西,其中大部分是旧卫星或火箭的最后一级。这些东西可能几十年前就被送入轨道了,它们还在那里旋转。有些已经碎成碎片了。这是一个问题,因为这些东西在轨道上运行得非常快,所以即使更多的碎片击中另一颗卫星,也可能摧毁这颗新卫星。

Izzie -想象一下,花那么多时间研究一颗全新的卫星,只是为了把它发射到轨道上,然后被一块太空垃圾摧毁。那么,Guglielmo和他的团队正计划改变这一切……

古列尔莫:嗯,我们和我们的合作伙伴所做的是组建一个联盟来展示可以用来清除这些碎片的技术,这个项目是由欧盟委员会赞助的。我们要展示的技术是相对简单的技术。

一个是网。这个想法是用网捕获你的碎片,这个网包裹住物体,然后你可以把它拖下去。我们几个月后要演示的另一项技术是鱼叉。这里也有一个类似的东西,用鱼叉你试着捕获你的物体,然后你把它拉下来,直到它燃烧到大气中。

伊兹-好吧。你刚刚做了第一个测试,跟我讲讲吧。它是如何工作的?

古列尔莫:好的。一切都进行得很顺利。从主卫星上,那是一个旧电视机大小的我们释放了我们的人造目标。它可能只有一块面包那么大,给人们一个概念。然后,这使一个结构膨胀得更大,所以它更能代表一个真正的碎片。然后,我们从主卫星上发射了一个网,用这个充气结构捕获了我们的小碎片,并完全包裹住了我们的碎片。所以现在要和它一起进入轨道,燃烧到大气层中。

伊兹-这一切是怎么控制的?你的设备怎么知道在哪里捕捉到这片碎片?

古列尔莫:啊,好吧。在我们的案例中,我们已经释放了我们自己的人造碎片,所以我们知道它在哪里,因此相对容易重新捕获它。在真实的情况下,卫星首先要做的就是接近潜在的目标,所以你必须对卫星有更复杂的控制才能接近你的目标;因此你可以捕捉到它。

Izzie - RemoveDEBRIS团队计划的另一项测试是使用摄像机监控碎片的速度和形状,以跟踪潜在目标的移动方式。在那之后,就可以尝试用鱼叉而不是渔网来捕捉这些垃圾了。但这一切是如何被摧毁的呢?

古列尔莫:我们的想法是,我们将降低轨道,这样这些垃圾就可以燃烧到上层大气中。通常我们的卫星被设计成可以在高层大气中完全燃烧。然而,你可能会尝试在海洋上空进行这些操作,所以即使在不幸的情况下,你的卫星的一小部分可能没有完全燃烧,潜在的碎片可能会掉到海洋中,而不是在一个居民密度更高的地区。

Izzie -这种碎片收集装置不是试图收集所有的太空垃圾,而是旨在收集太空中最大的垃圾,以免它们分裂成更小的碎片,从而增加轨道上的碎片总量。一旦被渔网或鱼叉捞起,“清除碎片”卫星就会用一个巨大的帆驶向我们的大气层,直到卫星和它所拖着的垃圾全部燃烧殆尽。那么,团队的下一步计划是什么?

Guglielmo—现在我们已经证明了这项技术是可行的,我们希望能够说服所有的利益相关者为这样的任务提供资金。我们的设想是每年做几次任务,人们事先会同意我们要瞄准的特定碎片是什么,这样你就可以上去捕捉这块碎片,然后让它脱离轨道。这就是我们想象中的情景。

评论

Gugliemo博士提议收集的太空中的大型物体实际上是碰撞风险最小的。它们很容易被追踪,因此在各种空间碎片数据库中被很好地编入目录,当预测到交汇时,运行卫星就可以避开它们。危险物品是非常小的物品,那些10厘米或更小的物品,很难追踪和分类,因此造成更高的碰撞风险,因为没有人知道它们在任何时间点的位置。当小粒子发生碰撞时,高相对速度意味着它们仍然会对卫星、空间站或宇航员造成严重损害。(KE = 1/ 2mv ^2)

因此,如果像提议的那样,将鱼叉用于太空中的大型惰性物体上,最坏的情况是将整个物体粉碎,导致一个由无法追踪的小碎片组成的碎片区,这些碎片现在与原始质量在不同的轨道上。或者在最好的情况下,长枪穿透物质,希望在撞击时只释放出一些斑点和颗粒。但这些潜在的小碎片被扔来扔去也不是问题吗?同样的道理也适用于网,在捕获过程中,网可能会将不规则结构的一小部分折断,再次导致小颗粒的碎片场。例如,网可以从固定的立方体卫星上折断天线或太阳能电池板。

在这两种情况下,这些解决方案可能会导致比解决方案更糟糕的问题。从这个意义上说,我认为英国航天局作为这个问题的监管机构,最不可能授权一项可能会产生小而危险的碎片的任务,以试图移除大而无害的物体。国际最佳做法是各国避免释放空间碎片,这正是萨里任务可能造成的风险。值得注意的是,从法律意义上讲,英国将对这次回收任务释放的小碎片可能造成的任何损害负责。如果这些小碎片最终摧毁了一颗大型卫星,那么这颗价值数百万英镑的卫星将被提交给英国。(不妨浏览联合国外层空间事务厅的网站,特别是关于空间物体登记公约和责任公约的网站。)

另一方面,还有一个技术挑战,萨里平台必须与它想要捕获的碎片锁定轨道。虽然最容易到达的碎片是在低轨道上,但捕获的意义是什么,因为随着轨道的衰减,它们最终会重新进入大气层?在更高的轨道上追踪碎片会更有用,但需要更多的德尔塔V才能到达,然后需要更多的德尔塔V来降低碎片的高度,使其最终脱离轨道。这意味着更多的燃料,因此成本更高。

即使得到资助,萨里平台也需要进行重大的轨道机动,这将需要更多的燃料,以便在另一个轨道上追踪另一个碎片物体。我们不要忘记,一旦萨里太空舱完成任务,它也需要脱离轨道,这样它就不会增加已经大量收集的太空垃圾。同样,它的高度越高,离轨所需的燃料就越多,成本也就越高。

那么这是如何可行的呢?我理解错了吗?

顺便说一句,裸科学家,在研究了和平利用外层空间委员会在这一领域所做的联合国工作之后,你是否考虑过写一篇后续文章?那会很有趣。

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