【科技.未來】太空垃圾為患 是時候清垃圾了

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霧霾、膠粒、工業廢水、核廢料……正當我們忙於應付這些地球上的污染,另一個人為污染問題亦在地球外逐步逼近。

發明家馬斯克(Elon Musk)的私人太空探索技術公司SpaceX,本月初在美國佛羅里達州發射了獵鷹9號火箭(Falcon 9)。不過是次攜帶到國際太空站(ISS)的並不是Tesla的電動跑車Roadster,而是實驗衛星平台RemoveDEBRIS,試圖清除太空垃圾。

太空垃圾(space junk)較正式的叫法是太空碎片(space debris)。人類凡走過必留下垃圾,1957年,蘇聯發射了首個進入地球軌道的人造衛星史普尼克1號(Sputnik 1),運送過程中脫落的火箭部件成為了首件太空垃圾。

2007年中國的反衛星導彈試驗,擊碎已退役的氣象衛星「風雲1C」,造成至少3000塊太空垃圾。(U.S. Air Force)

自那時起,人類就在太空留下了各式各樣的物件殘骸。比較大和常見的,主要是火箭升空途中脫落的推進器、服役期滿而被棄置於太空的各種衛星,或殘餘燃料引起爆炸所產生的碎片。

軍事試驗是太空碎片另一來源。除1960至1970年代美國和蘇聯的反衛星武器(ASAT)殘骸以外,近年較嚴重的是2007年中國的反衛星軍事試驗,從地面發射導彈擊碎已退役的氣象衛星「風雲1C」。光是這次試驗造成的碎片,就令可追蹤的碎片數量增加了四分之一。另外較為瑣碎的主要是太空任務中遺失的各種設備和生活用品,例如手套、攝影機、發熱氈、垃圾袋、牙刷之類。

早期的太空計劃普遍覺得太空就是一個廣闊的天空,可以任意放我們想放的東西進去,而不會填滿它。
前美國太空總署(NASA)軌道殘骸研究高級科學家凱斯勒(Donald J. Kessler)

據歐洲太空總署統計,在過去約60年來超過5,200次的發射中,總共在太空遺留了約42,000件物件,長年累月碰撞成大大小小的碎片。現時約有50萬件直徑大於1厘米的物件可由美國太空監視網絡(SSN)監察,其中23,000件大於10厘米,但只有約1,200件是完好無缺,仍在運作當中,其餘都是太空垃圾。美國太空總署軌道碎片首席科學家Jer Chyi Liou補充:「此外,還有數以千萬計的微小碎片,都無法由SSN追蹤,但它們仍然足以對承載人類的太空船和機械任務造成威脅。」

2009年就首次有衛星相撞,美國的銥33衛星(Iridium-33)撞上了俄羅斯已報廢的宇宙2251衛星(Cosmos-2251)。 (Wikimedia Commons)

比子彈更快 比炸藥更痛

太空垃圾對我們有何威脅?要確保衛星運作得宜,就像要保持「馬路」暢通無阻,避免碰撞。一般位於離地約較低地球軌道的物件,會逐漸離開軌道墜向地球。過程中絕大部分衛星都會在大氣中燒毀,但不是每次都能燃燒殆盡,過往便發生過多次太空垃圾墜落地面的事故,甚至有人被擊中。(詳見圖輯說明)

在相對較高軌道上的衛星,則可能需要更長時間才能回到地球。一般而言,它們會被送進「墳場軌道」(graveyard orbit) —— 一條剛剛高於地球同步軌道(GEO)約300多公里的軌道,就像汽車無油或失靈,臨時停到馬路一旁的避車處。但這種方式終究只是權宜之計,沒有真正減少太空上的垃圾,留下碰撞風險。

若我們不改變在太空上的操作,太空垃圾將會以指數上升,直到所有碎片撞擊成一團包圍着地球的碎片雲,摧毀任何試圖發射到 雲團範圍的太空船。
前NASA高級科學家凱斯勒

1983年6月,一塊直徑僅0.008吋的漆片殘骸,撞穿太空船挑戰者號(The Challenger)的5號舷窗,需要化費5萬美元更換。 (Wikiemdia Commons)

現時共有7,600公噸太空垃圾,約相當於本港兩日的垃圾量。貌似微不足道,然而它們不會靜止安躺於「堆填區」,而是受地球引力作用,以軌道速度圍繞地球運行。即使是最細小的碎片,威力或許遠超一般人的想像。

Jer Chyi Liou說:「毫米級別的軌道碎片帶來的穿透風險最大,因為它會對近地軌道上的大多數太空船產生很高速的衝擊。」這些碎片最快可達時速48,000公里,比子彈還要快逾10倍。按前美國太空總署高級科學家培根(Jack Bacon)估計,一個10厘米直徑的鋁球太空垃圾撞擊力量,相當於引爆七公斤黃色炸藥(TNT):「它會令任何東西變成碎片。」

若凱斯勒效應出現,未來升空計劃將難以進行。 (Wikimedia Commons)

因此,太空站需要不時調整位置,以避免像電影《引力邊緣》(Gravity)般被太空垃圾撞擊。去年美國太空總署就參與了21次相關閃避。近年國際太空站(ISS)亦數度發出太空垃圾的警戒,命令站內太空人躲至俄羅斯「聯合號」(Soyuz)太空船逃生艙,隨時準備撤離。

凱斯勒認為太空碎片的問題之所以令人擔心,在於這些現存的太空垃圾會繼續碰撞,繼而引發「級聯效應」(Cascading Effect),造成更多碰撞和碎片。他在1978年提出被稱為凱斯勒症候群(Kessler Syndrome)的預測,換言之,即使我們從此不再發射任何新的物件到太空,若不主動清理太空垃圾,污染問題將持續惡化。

本年2月22日,SpaceX以獵鷹9號(Falcon 9)火箭,將兩枚原型衛星送到太空,準備其約12000枚衛星組成的互聯網計劃Starlink。(視覺中國)

衛星互聯網競賽或加劇污染

此外,人類對太空探索的興趣有增無減,從美國和蘇聯兩超級大國於冷戰時的太空競賽,到較近年一些發展中國家如中國及印度,皆有能力製作火箭升空。國家以外亦有私人企業的崛起,諸如SpaceX的獵鷹系列火箭。最近更在展開衛星星座(constellation of satellites)競賽。其中SpaceX剛於上月底獲美國聯邦通訊委員會(FCC)通過其衛星互聯網計劃Starlink。

傳統衛星互聯網由地球同步軌道衛星提供,速度慢,延時又昂貴。Starlink於是另闢蹊徑,在低地球軌道發射成千上萬的小型通訊衛星,不但大大改善原有缺點,近乎零死角包圍地球的網絡,也彌補了現時大量光纖無法或沒到達的地方,從窮鄉僻壤到沙漠、高山、海洋甚至極地。聯合國教科文組織(UNESCO)前年統計,現時全球57%人口因各種理由無法上網。因此Starlink預期到2025年將會有4,000萬用戶,帶來300億美元收入,難怪吸引眾多科技巨頭紛紛部署。

Starlink的主要對手OneWeb獲得空中巴士(Airbus)、維珍集團、軟銀(Softbank)等支持,波音公司、三星集團等也已制定了衛星星座計劃。然而,Starlink的第一階段要發射逾4,400枚衛星,是太空軌道現存衛星總數的三倍,按計劃到2024年共發射近12,000枚衛星;OneWeb、波音、三星等計劃也要發射逾2,000至4,000枚衛星不等,將會令太空軌道更為擁擠,有可能令太空垃圾問題惡化。

兩周前在美國科羅拉多(Colorado)的第34屆太空研討會(Space Symposium),美國副總統彭斯(Mike Pence)宣布,國家太空委員會(National Space Council)近日將會向總統特朗普提出一系列建議,以解決太空環境日漸擠塞的挑戰,尤其是太空垃圾。(視覺中國)

國際間協作成疑 現時僅靠自律

現時來自美國、俄羅斯和中國的太空垃圾各佔總數約三分之一,剩餘少數來自其他國家。要解決問題必須國際間、特別是幾個太空大國合作,但過程毫不容易。

本年初,中國空軍工程大學研究隊伍建議在太空建立裝置,使用激光處理太空垃圾,研究刊載於《Optik》期刊,希望以激光射向太空垃圾,令它偏離軌道,或返回地球過程中燒毀。不過,激光的想法只是老調重彈,美國太空總署早於1990年代研究在地面向太空射出激光處理垃圾;日本理化研究所(RIKEN)的團隊也提出過在太空使用激光的想法。

這項技術最終能否落實,可能更多取決於政治原因而非科學理論。俄羅斯科學院的高能量激光專家阿波羅諾夫(Victor Apollonov)便向科技媒體《Gizmodo》解釋:「這可以用於軍事,因此值得懷疑。我認為第一步應該是全球規模的討論,是否樂意把激光技術帶到太空。」美國戰略司令部指揮官海頓(John Hyten)去年3月亦指,中俄正積極發展太空武器,包括激光武器。

現時一些太空垃圾相關的國際機構都提出了改善建議。聯合國和機構間太空碎片協調委員會(IADC)分別通過了各自的《太空碎片減緩準則》,內容大致是避免太空物體在軌道上裂解、限制運作中的太空物體分裂出太空垃圾,及移除已報廢的太空物體。這些準則建議現正計劃或未來發射的太空物體,需要在設計上考慮到這些元素;其他具體建議如報廢後的太空物體需在25年內移除、要求太空發射機構有完善的移除和減緩垃圾計劃等。可是,這些建議都是針對在未來減少太空垃圾,對主動清理現存的太空垃圾這方面沒有多大作用。

更重要的是,這些國際間的原則都屬自願性質,不具任何強制性約束力。根據《外太空條約》(Outer Space Treaty),太空物件歸發射國擁有,其他國家在未得發射登記國同意下,無法擅自改變太空物件的軌道,遑論將其當成太空垃圾移除。更何況,微小的太空碎片垃圾到底是否每塊都可辯識出製造國,以追究賠償責任,也成疑問。

我們有嚴格的指引,但很少是有法律效力或可以執行。
英國南安普頓大學(University of Southampton)航太工程高級講師兼IADC的英國代表委員劉易斯(Hugh Lewis)

預計5月底展開的RemoveDEBRIS試驗,由英國索立太空中心(Surrey Space Centre)統籌,獲歐盟及來自英、法、德、瑞士等國的公司提供資金及技術,將測試四種處理太空垃圾的方法。

缺乏誘因 技術效率成疑

有沒有足夠誘因也是另一問題。現時各種清理太空的技術效率成疑,預計5月底展開的RemoveDEBRIS試驗,由英國索立太空中心(Surrey Space Centre)統籌,獲歐盟及來自英、法、德、瑞士等國的公司提供資金及技術。試驗將會先在太空放出方形衛星(CubeSat)人造垃圾,然後測試四種處理太空垃圾的方法,包括一項攝影機與光學雷達(LiDaR)的追蹤技術、太空魚叉、捕網以及太空船帆(詳見以下影片),預計年尾會完成相關試驗。不過,現階段試驗只屬概念驗證(proof of concept)。劉易斯對試驗甚為保留:「我不認為這些方法在商業上合乎成本效益,而且這些技術在現時的情況,偏向不可行。」

部分嘗試移除太空垃圾的方法
Phoenix 美國國防高級研究計劃局(DARPA)研發,以機械人從軌道上已廢棄的衛星,擲取回收仍然可用的配件,減少垃圾同時降低新衛星的成本

清潔太空1號 (CleanSpace One)/捕網

分別由瑞士洛桑聯邦理工學院和空中巴士國防與航太公司研發,透過衛星射出大網捕捉太空垃圾,然後一同墜向地球,在大氣中燒毀

激光

中國國家航天局、美國太空總署和日本理化研究所(RIKEN)等均有研發,從太空衛星或地球表面,以激光射擊太空垃圾使它改變路向

太空魚叉 空中巴士國防與航太公司研發,將約一支筆大小的魚叉發射插入廢棄衛星之類的大型垃圾後,利用其倒鈎即可將垃圾拖離原有軌道,或拖至大氣層燒毀
拖帆(drag sail) 英國索立太空中心(SSC)研發,裝置會讓太空物件廢棄自行揚帆,讓它往地球加速而燒毀
TAMU投石器 美國德州A&M大學研發,兩條可調節的機械臂有類似投石器裝置,當接過一件太空垃圾時,會順勢將它扔走,同時借力移到另一清理點,以節省燃料成本

SpaDE

美國密歇根大學、Raytheon BBN公司研發,在離地面25至35公里高空設置氣球,按太空垃圾的路徑發射氣體脈衝,外加的阻力讓它改變路線,或掉落地球燒毀。

 

另一方面,各國太空計劃的財政預算各異,也可能影響清理太空垃圾的意願。台灣國家太空中心副主任余憲政向《中央社》解釋,只要在衛星的電力、燃料用盡之前,用遙控方式讓衛星自行墜毀地面,便能避免成為太空垃圾。不過要確保成功墜毀,就意味着要縮短衛星的服役年限和提前汰換,考慮到經費未必會使用這種自毀機制。

近年到月球和火星旅行甚至移居的想法不絕於耳。不論地球內還是外的垃圾,我們都無法逃避。若不願意負上可持續地使用資源的責任,人類到何處都終究自取滅亡。

上文節錄自第109期《香港01》周報(2018年4月30日)《誰來當太空清道夫》。

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