鱼叉、磁铁和离子爆炸如何帮助我们清理太空垃圾

2021 年 11 月，国际空间站的工作人员被俄罗斯未经宣布的军事演习中炸毁的一颗退役卫星的金属碎片击中，随后被短暂隔离。据 NASA 称，美国国防部目前追踪了超过 27,000 块类似的轨道碎片，即太空垃圾。但许多其他垃圾太小，无法监控。以每小时 17,500 英里的速度飞行——而且没有大气的摩擦力来燃烧它们——即使是微小的火箭油漆斑点也可能给宇航员或飞行器带来厄运。虽然事故很少发生，但商业太空交通的兴起（仅 2021 年就有 54 次发射，而 2018 年的记录是 33 次）成倍增加了这些潜在碰撞的风险。

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“材料的数量正在不断增加，”佐治亚理工学院专门研究国际空间政策和安全的副教授玛丽尔·博罗维茨 (Mariel Borowitz) 表示。但清理这片最后的边疆说起来容易做起来难。博罗维茨说，除了成本之外，谁来做清理工作的问题仍然不明朗。她解释说，如果 NASA 将一颗卫星送入轨道，“即使它碎成了碎片，它也属于美国。”任何公司或政府都是如此。她说，如果你想清理别人的垃圾，你仍然没有权利这么做。

幸运的是，许多国家和公司正在通过测试处理垃圾的方法来解决这一困境，无论是设置磁力陷阱的日本卫星，还是名为 Fred 的四臂等离子机器人。以下是人类最有前途的六个监测和清理太空的项目。

清除杂物

原产地：英国
成本： 1800万美元
部署时间： 2018年
MO：鱼叉猎人

这颗目标识别卫星重约 220 磅，配备一支每秒射出 65 英尺的鱼叉和一张宽 16 英尺的网，用于捕获太空垃圾并将其拉回地球大气层。两台摄像机记录了这一过程，以便地面官员可以评估垃圾下落时的轨迹。

但不要被这个名字吓到：RemoveDebris 尚未完全清除垃圾。该系统于 2018 年启动，目前正在国际空间站外进行测试。它使用类似于自动驾驶汽车的激光雷达和 3D 视觉技术的检测系统来练习捕捉实验目标（如称为 CubeSats 的小型卫星）。但即使它还没有完全准备好，它已经有了多个合作伙伴（包括 SpaceX 和空客），并且是我们最有希望从稀薄空气中清除垃圾的项目之一。

脊髓损伤模型

原产地：西班牙
费用：每年22,350美元
部署时间： 1996年
MO：间谍网络

火球网络由战略性放置的摄像头组成，这些摄像头安装在天空中跟踪陨石，从捷克共和国到澳大利亚，世界各地都有。西班牙流星和火球网络 (SPMN) 最初成立于 1990 年代，旨在与其他网络一起研究宇宙岩石。但在 2021 年，它发现了一些新的东西：即将降落的 SpaceX 火箭的碎片在海岸上空燃烧。这进一步证明了该工具可用于追踪有机和人造物质接近陆地时的路径。

目前，SPMN 由 34 个地面站和 150 个高分辨率摄像头组成，这些摄像头位于伊比利亚半岛乡村周围，可以向当地政府发出陨石重返大气层或坠落警报。更广泛地说，该项目旨在帮助人们了解多年来太空活动增多所带来的罕见但存在的地球危险。

太阳能立方体卫星

原产地：美国
花费： 875,000美元
部署时间： 2025 年（预计）
MO：太阳能冲浪者

谈到长期解决方案，有时最好从小处着眼。立方体卫星（4 英寸宽的纳米卫星）自 2003 年以来一直用于进行太空研究。现在，佛罗里达州 Embry-Riddle 航空大学的学生工程师已经设计出一种专门用于清除垃圾的立方体卫星。

太阳能立方体卫星原型使用一个紧凑的机械臂伸出并捕获距离最远约 4 英寸的自由漂浮物体。与许多其他潜在的清洁者不同，这颗小卫星不会耗尽燃料并成为垃圾：它配备了一个可展开的帆，可以捕捉太阳光线的能量，这意味着只要硬件能够支撑住，它就可以继续在低地球轨道上飞行。

据安柏瑞德航空大学团队介绍，该原型机的设计采用现成的技术，可在四到五年内生产出功能齐全的模型。

酶联免疫吸附试验

原产地：日本
成本：高达 1.91 亿美元
部署时间： 2021 年
MO：巨型磁铁

与此列表中的其他高空飞行器不同，Astroscale 的“报废服务” (ELSA-d) 不会清理已经在轨道上的垃圾。相反，它的制造商希望未来的卫星工程师将磁性对接板纳入他们的设计中，并在适当的时候支付 ELSAd 的协助费用。

这个死亡天使的外形是一个重达 385 磅、长着翅膀的“追赶者”，它依靠光学传感仪器和一组小磁铁来寻找、捕捉和重新定位目标。在 2021 年的一次演示中，ELSA-d 在 300 多英里的高空成功捕获并释放了一颗带有定制硬件的微型卫星。下一轮测试将让它在翻滚时抓住一个兼容的物体，扫描环境中是否有垃圾，并将大块的金属拉入地球大气层慢慢腐烂。

奥博特·弗雷德

原产地：美国
费用：不公开
部署时间： 2025 年（预计）
MO：爪机

科技初创公司 Rogue Space Systems 正在开发一种 56 英尺宽的等离子动力飞行器，它被戏称为 Orbot Fred。它有两个类似机翼的太阳能电池板，非常精确：四个机械臂将抓取最多 700 磅的垃圾并将其从其他卫星的轨道上移开，然后将这些垃圾送到地球上空焚烧。

该公司希望利用私人和公共资金在未来三年内让其 Orbots 舰队上线。其资金来源之一可能是美国太空部队的创新部门 SpaceWERX，该部门正在寻求外包一些解决漂浮垃圾、飞行中维修和组装等问题的方法。2021 年，该部门启动了一项名为 Orbital Prime 的资助计划，该计划最终将向选定的竞争对手（如 Fred 的创造者）授予 150 万美元的合同。

清扫器

原产地：俄罗斯
成本： 20亿美元
部署时间： 2023 年（预计）
MO：电击枪

清扫器使用离子推进器来破坏报废卫星的稳定性，并将其推出其他抛射物的路径，与许多其他轨道垃圾清除概念一样，目的是将碎片压入大气层，最终以熊熊烈火收场。

扫地机实际上是最早提出的旨在帮助保持太空无碰撞的任务之一，最初的计划可以追溯到 2010 年。它的创造者，俄罗斯火箭公司 Energia，尚未分享该项目的任何更新，因此所有细节仍存在疑问。Energia 计划在 2023 年之前组装和测试该飞行器。该吊舱可能采用核动力运行，将有能力在 15 年的使用寿命内收集和摧毁至少 600 个失效的发射器。目前尚不清楚它最终是否会变成轨道垃圾——或者是否需要另一架扫地机将其带回地球。

这个故事最初刊登在 PopSci 2022 年春季 Messy 期刊上。阅读更多 PopSci+ 故事。