微型车牌可以帮助我们避开太空垃圾

在拥有汽车成为普遍现象之前，道路和高速公路（仅有的少数）从未拥挤过。直到每个人都开始购买和驾驶自己的汽车（上班、上学，甚至去街区周围的杂货店）之后，街道才变得拥挤，高峰时段成为日常现象，车祸也成为不可避免的事情。

尽管宇宙浩瀚无垠，但太空也可能走上类似的轨迹。许多科学家表示，随着如此多的新飞行物体被送入轨道甚至更远，我们可能会遭遇一些危险的碰撞。新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个小组正试图利用汽车中普遍存在但目前太空汽车中不存在的东西来解决这个问题：车牌。

我们不太可能在我们的宇宙邻居中塞满足够多的飞行物体，从而造成太空交通堵塞，卫星必须在特定时间减速或在自己的星际车道上行驶。但太空，在其低重力甚至无重力的环境中，也带来了自己的挑战。

我们送入宇宙的大多数卫星和其他奇特物体都停留在低地球轨道 (LEO)，距离地球表面约 400 至 1,000 英里。它距离地球的引力足够远，但又不会太远；这个最佳位置让物体几乎可以无限期地绕轨道运行，而无需太多帮助。

但在过去 60 年里，科学家们一直利用这个黄金停泊地，因此碎片开始堆积。途中还会有更多太空垃圾。截至 2015 年，有超过 1,300 颗活跃卫星在绕地球运行。此外还有停运的卫星、旧火箭和其他无限期滞留在低地球轨道的报废太空垃圾。随着立方体卫星（可以成百上千地发射到太空的微型航天器）的推出，以及计划在低地球轨道安装提供互联网服务的卫星的各种公司，这一数字可能会呈指数级增长。真是太空堵塞。

但物体不是像大型碰碰车游戏一样漂浮在那里吗？洛斯阿拉莫斯的天体物理学家戴维·帕尔默解释说，情况根本不一样。他说，虽然只发生过两次真正严重的太空撞击，但一次撞击就足以引发灾难。

“问题是，一旦发生一次碰撞，就会产生大量碎片，这些碎片可能会再次发生碰撞。最终就会出现所谓的凯斯勒效应，”他说。每次新的碰撞都会产生大量碎片，从而引发无数次碰撞。如果这种情况开始定期发生，那么太空垃圾可能会堆积如山，导致太空本身变得不安全。

“我们已经接近这样的临界点，如果我们继续下去，就会越过边缘，”他说。“一旦这种情况开始发生，它可能会持续十年或二十年，直到低地球轨道上的碎片太多。”到那时，发生碰撞（以及随后的凯斯勒效应）的可能性就会变得如此之高，以至于将另一颗卫星送入低地球轨道的好处无法抵消风险。

最大的问题是卫星退役后的情况。在使用中，几乎所有卫星都配有 GPS 设备，科学家可以使用无线电信号找到它们。但一旦卫星退役，无线电波也随之消失。太空垃圾只是无限期地绕轨道运行，没有监控。如果一颗在役卫星看起来要与其中一颗卫星相撞，其主人可以躲开。但一旦太空垃圾与太空垃圾相撞，研究人员就不能在没有主人许可的情况下将任何一颗物体移开。要知道它属于谁，首先需要知道它是什么。帕尔默说：“即使它是 30 年前的太空垃圾，你也需要卫星主人的许可。”必须有另一种方法——一个万无一失的识别系统。帕尔默就是这么认为的。

他过去对脉冲星的研究给了他一个想法。脉冲星是一种巨大的太空物体，它旋转并向相反的方向发射光束。当它们旋转时，它们的光束似乎会闪烁，而像帕尔默这样的科学家已经投入了大量精力来研究这种闪烁。

“我把这两件事放在一起，认为如果我能制造一颗产生周期性信号的卫星，”帕尔默说，“那么通过读取该信号，我们就能创建一个准确的识别系统。

因此，帕尔默和他的团队开发了一种超低功耗微型设备，它能以激光的形式发出独特的闪烁图案。他们称之为极低资源光学识别器 (ELROI)，或者更通俗地说，太空牌照。

这些设备的尺寸约为一平方英寸乘一平方英寸，可以安装在任何飞往太空的卫星上。该设备使用激光二极管（许多日常激光器就是由这种二极管制成的），发射一系列非常短的红色激光脉冲。这些闪光非常明亮（与 60 瓦灯泡一样亮，但总功率仅为一瓦），并且会连续闪烁一系列特定脉冲，持续时间不超过百万分之一秒。然后它会关闭千分之一秒——是开启时间的千倍。地球上的望远镜可以捕捉到这一系列闪光，并在计算机程序的帮助下，破译它来自哪颗特定的卫星。

帕尔默解释说，尽管卫星距离地面数百英里，但信息仍然非常清晰。光线来自激光，波长与红色完全相同。望远镜中的滤光片会阻挡所有其他波长，让红色透过。闪烁对应于二进制（由数百个 1 和 0 组成）序列号。每颗卫星，就像汽车一样，都有自己的序列号。代码告诉识别器三件事：卫星类型、所有者以及轨道路径。

帕尔默表示，目标是让这些设备安装在卫星上，并至少持续供电 25 年，甚至无限期。该设备在闪烁的瞬间消耗了电池寿命的很大一部分，但随后用太阳能充电的时间却要长一千倍。帕尔默表示，它可以反复这样做大约 25 年。帕尔默认为，即使电池耗尽，该设备也能无限期地依靠太阳能电池运行，但这无法确定。

他们的下一个目标是实际测试原型。他们计划与新墨西哥理工学院的一个团队合作，该团队将于今年 1 月将一颗立方体卫星送入太空。帕尔默说，立方体卫星是测试该设备的理想容器：它们是微型的 10 厘米立方体卫星，可以发射到低地球轨道（通常是集体发射）进行小型实验。

帕尔默表示，尽管原型机已经准备好进行测试发射，但研究人员仍在对设计进行调整。ELROI 目前约为 4 平方英寸，厚度为 1 英寸。未来，该团队希望将其缩小到邮票大小，并使用材料使整个设备的成本低于 1000 美元。他说，这样一来，即使是高中科学课也能负担得起将其送入近地轨道的费用。立方体卫星的成本低廉（建造一个立方体卫星的成本仅为 10,000 美元；将它们发射到太空则要多花几万美元），这意味着小型私营公司、大学生甚至高中生都可以使用它们。帕尔默说，如果车牌价格再高一点，“你就得在烘焙义卖会上卖很多蛋糕了。”

当这些带牌照的立方体卫星进入太空后，研究人员将尝试用望远镜对准它们并翻译二进制代码来识别这些微型航天器。如果一切按计划进行，目标是在更大的卫星上进行测试，最终目标是让它们出现在进入太空的每一颗卫星上。

帕尔默承认，ELROI 并不是一个完美的解决方案。如果两颗卫星确实相撞，在将其移出轨道之前，你仍然需要征得被遗弃的太空垃圾所有者的许可。如果没有足够的时间追踪到那个人，知道他们是谁可能无助于你避免灾难。但确定谁是这些老旧太空垃圾的主人确实是一个很好的开始。可能用不了多久，低地球轨道看起来就会更像一条繁忙的高速公路，而不是一个广阔无垠的实体。然后人们可能会想知道，在卫星需要激光驱动的车牌之前，那条开阔的道路一定有多么轻松。