【探索29-3】一閃一閃小星星——我們與太空碎片

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第29期「探索」系列講座「The New Ocean——太空時代再起」第三講邀請到中央大學太空科學與工程學系林映岑助理教授,告訴我們當人類發射的外星探測器衰老、死亡變成太空碎片之後,這些碎片對於人類與地球會造成什麼影響?這些太空垃圾該由誰負責處理呢?目前科學家們又想到了哪些方法來處理太空垃圾呢?

講者、審定|中央大學太空科學與工程學系 林映岑 助理教授

彙整、撰稿|周書瑋

 

太空時代再起
來源:臺大科學教育發展中心

四百多年前,伽利略透過望遠鏡看向星空,帶領人類一窺太空的奧祕,此後,各國前仆後繼地爭相發展太空設備,只為親自到太空中見證宇宙的遼闊。然而,人類在踏入太空的過程中,遭遇許多挑戰,太空拓荒的凶險,塑造了人類夢想的偉大,正如美國總統甘迺迪曾說:「我們選擇在這十年登上月球,並完成其他事,不是因為它們很簡單,而是因為它們很困難。」

七零年代至今,人類已經發射了無數人造衛星,也將太空船推向太陽系角落,卻鮮少再次派遣太空人登月。沉寂多年後,第二波太空時代終於到來!低軌道通訊、可重複使用的火箭,各式太空探測器相繼問世,甚至出現太空旅行產業,引領了這波太空浪潮與席捲全球的探月活動。本期探索基礎科學系列講座將帶領各位探究太空科技的現況和未來,今天的講座邀請到中央大學太空科學與工程學系林映岑助理教授,帶大家認識太空碎片的奧妙以及對人類的影響。

 

華麗的背後——衛星也是會老的
來源:臺大科學教育發展中心

如果大家平時有追蹤火箭發射新聞,應該記得馬斯克的SpaceX公司在2018年的那次發射。當時SpaceX製造了歷史上最大的火箭,馬斯克認為經歷先前數次失敗後,這次成功的機會很大,因此突發奇想地在火箭上放了個載具——自己每天上下班用的特斯拉跑車,還特別在駕駛座上放了假人和行車記錄器,企圖捕捉沿途風景。任何發射到外太空的東西,一定會存在於宇宙中某一個地方,這臺特斯拉當然也不例外,它現在仍在地球附近和數個星球間運行著。由於汽車體積不算小,美國太空總署持續監控著跑車位置,發現車子已經繞了太陽好幾圈,也曾很接近火星。

 

如同人類會隨著年齡衰老,太空物件璀璨的生命也會老去、走到盡頭,老了之後可能會墜落或繼續待在太空的某個角落。那麼墜落的太空物件會掉到哪裡呢?在距離地球三萬三百多公里高的地球同步軌道附近有一個「外太空的太空碎片墓園」(Graveyard orbit),該片墓園的形成原因,是因為當衛星走到生命盡頭時,會用盡最後一點燃料把自己推離地球,當衛星完全停止運行後,由於該處大氣濃度較低,墜落的衛星也不會影響較低軌道位置的衛星。然而,不是每個衛星都會把自己送去外太空的太空碎片墓園。紐西蘭東方距離陸地大約一千五百公里處的無人海面上,有一個「地球上的太空碎片墓園」(Spaceship cemetery)——太空碎片墜回地球時的海葬場。墜落過程中,如果衛星回到地球附近,因為接近大氣層且移動速度快,會在大氣層中不斷摩擦並燃燒,變成火球四處亂飛,大部分的碎片都會在燃燒和掉落的過程中燒盡,但還是會有一些沒有燒盡的小碎片(大約數公分大小),就成為太空碎片或太空垃圾。

為什麼叫做太空垃圾呢?因為這些螺帽大小的碎片可能會對地球、對人類生活造成負面影響。隨著我們不斷將東西發射到太空,不論是遙遠的太空、近地球軌道或同步軌道(如美國天氣衛星和臺灣的通訊衛星),地球被越來越多的太空物件包圍,人們開始擔心自己花大錢送上天的東西會被撞飛,許多負責監測和追蹤太空物件的私人公司也因此應運而生。

 

太空垃圾該由誰負責處理?
來源:臺大科學教育發展中心

如果看過衛星軌道,會發現大部分衛星在繞行地球的過程中,會經過每個人上空,使得人們難以明確界定一國領空到太空之間的空間主權屬於哪個國家,處理該空間內太空碎片的義務也變得模糊。由於太空碎片是以每秒7公里的速度前進,即使只是0.2釐米的鋁製碎片,當它以每秒7公里的速度移動時,其威力就堪比手榴彈,能在混凝土上炸出巨大的洞,使人們無法忽視這些碎片的影響力。然而在偌大的宇宙中,兩個碎片相撞的機率應該很低,那麼為何人類會那麼擔心呢?主要是因為當碎片越來越多,太空碎片分布越來越密集,總有一天會發生在撞到鄰家的垃圾後產生爆炸,如此一來,人們將無法有效地使用太空軌道上的人造衛星和觀測儀器。

對於誰應該處理太空垃圾,各國尚未有共識,但有些科學家已經提出消滅太空碎片的方法。第一種方法是由歐洲ClearSpace公司創造的爪抓式處理,是使用有爪子的衛星來抓取目標物,且這些爪子可隨目標物大小、長短伸縮,但缺點是當意外碰撞衛星時會形成額外碎片,反而可能製造更多垃圾。第二種方法是由日本公司發明的磁吸式處理,能避免和目標垃圾接觸造成碰撞,但只能處理表面附有特定磁鐵接面的衛星,也就是未來衛星。第三種方法是Suurey公司發明的漁網魚鏢式,於2019年時已經成功在軌道上捕捉到立方衛星,其優點是可以處理直徑兩公尺、重達兩公噸的大型目標物,但也可能會因衝擊力道過猛而產生新垃圾。第四種方法雷射式是由澳洲EOS公司發明,能精準快速地切換目標,且能在短時間內解決大量太空碎片,但因為它須要透過地面發射訊號,容易受到大氣層影響產生偏折,且需求功率較大,是目前需要克服的兩個缺點。

 

清除大空垃圾——極具發展力的市場

隨著人類發射越來越多外星到太空中,地球附近的太空也越來越熱鬧,但這些太空碎片、還在軌道上工作的衛星,甚至是才剛剛發射上去的新衛星,都可能會對地面上的天文觀測者造成極大的光害。拿目前馬斯克公司正以急速在擴充(發射)在軌衛星的星鏈通訊衛星群 (Starlink) 來說,地面的觀測者甚至用肉眼即可看到舊版衛星形成的超亮光點,所以新一代的VisorSats才會塗上特殊塗料,降低造成的光害影響。雖然目前許多私人公司和研究機構都提出清除太空垃圾的規劃,但尚未有人能拍胸脯保證一定能有效地清除太空碎片,因此這項產業可以說是充滿潛力,是極具發展力的市場!

 


圖左為主持人臺灣大學土木系詹瀅潔助理教授;圖右為講師林映岑助理教授|來源:臺大科學教育發展中心

 

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