太空垃圾威脅與清除

 
2017/09/27 紀冠豪 | 國立清華大學化學系     363
 

1957年開始,人造衛星不斷發射,累積至今,有些人造衛星伴隨著時間除役而成為太空垃圾。太空垃圾不只包括人造衛星,火箭殘骸或是太空人不小心掉落的相機都有可能成為太空垃圾。有些會落入大氣層而燒毀,有些則繞著地球旋轉,科學家曾經統計,約有5千5百噸的太空垃圾存在太空,重量約是323台遊覽車疊起來這麼重。太空垃圾大多分布在距離地球800~1000公里的周圍,靠著地心引力繞著地球旋轉,旋轉速度大概是每秒7公里,比高鐵快100倍,也比民航機快30倍。

 

我們都知道路上車子越多,發生事故的機率就越大,太空垃圾也一樣,這種現象科學家稱為凱斯勒現象,太空垃圾越多,互相碰撞的機率就越大。那麼,為何新聞鮮少聽聞太空垃圾撞擊影響地球?科學家算出一般撞擊機率大約是十萬分之一,比中樂透機會還小,如果真的撞上地球,大氣層會燃燒大部分的物體,而且地球上70%是海洋,30%是大陸,很大機會落入海洋,人類也會想盡辦法把它摧毀於落地之前,不讓它傷害地球上的生物。

 

雖然碰撞機率沒有想像中的大,歷史上仍然發生兩次撞擊衛星的狀況, 2007年中國反衛星飛彈炸毀已報廢的氣象衛星風雲一號,撞擊後產生幾萬個碎片;2009年俄羅斯除役衛星撞擊美國衛星,撞擊後產生大約2000多塊碎片,這兩個歷史事件讓科學家擔心日益增加的太空垃圾會大大危害其它人造衛星的運行,於是開始思考如何有效的清除太空垃圾。

 

日本曾經構想清掃衛星(space sweeper)去清除太空垃圾,藉由母艦運送子艦到太空垃圾附近後,母艦把子艦推出去黏著在太空垃圾上並帶入大氣層燒毀;瑞士洛桑聯邦理工學院於2012年發表「清潔太空一號」(CleanSpace One)計畫,打算發射特殊設計的人造衛星,預計 2018年發射打掃衛星清除垃圾;NASA科學家曾經考慮利用地面雷射減緩太空垃圾碰撞的機會,然而他們的「雷射掃帚(laser broom)」概念是使用百萬瓦級(megawatt)雷射,其功率之強,可使太空垃圾一部分表面汽化,讓太空垃圾因反作用力而離開減少碰撞的機會,最後這些太空垃圾會與地球大氣摩擦焚毀,就可確保衛星軌道的安全。

 

儘管目前科學家想盡辦法解決人造衛星成為太空垃圾的危害,但還是有技術、國防安全等因素需要克服,其中影響最多莫過於金錢層面,太空垃圾如果全都要清除的話所費不貲,隨著立方衛星的崛起,人們使用衛星的比率顯著增加,成為太空垃圾是遲早的事,處理太空垃圾的問題成了當務之急,等待著我們來解決。

 

名詞解釋:

 

公轉(Revolution): 是一物體以另一物體為中心,沿一定軌道所作的循環運動

全球定位系統 (Global Positioning System,通常簡稱GPS)又稱全球衛星定位系統,它可以為地球表面絕大部分地區(98%)提供準確的定位、測速和高精度的標準時間。

 

太空垃圾(space debrisspace junk)指在繞地球軌道上運行,但不具備任何用途的各種人造物體。這些物體小到固態火箭的燃燒殘渣,大到在發射後被遺棄的多級火箭。它們有撞擊其它太空飛行器的風險,某些太空垃圾在返回大氣層時也會對地面安全造成威脅

 

地心引力物體會因為地球本身的吸引力,造成物體繞著地球旋轉。

 

凱斯勒現象這是由NASA科學家唐納.凱斯勒(Donald Kessler)在1987年提出,認為隨著軌道上的物體增加,互相碰撞、產生連鎖反應造成威脅的機會也越高,故清除太空垃圾越發迫切。

 

清潔太空一號(CleanSpace One)清潔太空一號是瑞士洛桑聯邦理工學院計劃在未來五年內發射一顆擁有靈活觸鬚的衛星,為外層空間大掃除。據估計,目前37萬件衛星火箭殘骸和衛星碎片正在以時速2.8萬公里環繞地球軌道,這成為一個越來越重要的問題。名為「清潔太空一號」的打掃衛星的任務便是用觸鬚抓住這些殘片,把它們送回地球大氣層燒毀。

 

立方衛星(CubeSat)全世界第一批的立方衛星(CubeSat,約為1公斤,10厘米立方大小的衛星)於1999年,分別由美國加州州立理工大學的Jordi Puig-Suari和史丹佛大學的Bob Twiggs兩位教授共同開發。當時這兩位立方衛星之父希望能發明一個衛星,能讓大學研究生在就學期間幾個學年就能設計製造於天空運行操作的小衛星。

 

(本文由科技部補助「雲端太空故事館-人造衛星」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:張志立/國家太空中心、傅麗玉/國立清華大學

審校:品保組型管小組/國家太空中心

 
 
 
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