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科学家提出各种富有创意的太空垃圾清除方案
3月22日，英国维珍银河航天公司的“太空船二号”试飞成功。这个载人航天器有望成为世界第一艘商用太空船，如果后期试飞进展顺利，预计在两年后可进入商业运营，太空旅游票价为每人20万美元。不过，对于未来的“星际旅行”来说，也许钱不是问题，而漂浮在近地轨道上的太空垃圾才是最大的威胁。
这一点科学家们早有预料，并已经在不遗余力地准备对策。3月26日，英国萨里大学萨里空间中心的研究人员展示了一个类似风筝的小型卫星装置。虽然个头小，其貌不扬，但它身负的特殊使命，就是飞上太空扫垃圾。
太空成了垃圾场
1957年10月，前苏联宣布将第一颗人造地球卫星成功送入轨道，人类空间活动的序幕由此拉开。但与此同时，太空也迎来了第一批人造垃圾。此后，随着人类太空史上的一次次振奋人心的壮举，越来越多的废弃物被遗留在太空，成为空间环境的主要污染源。
太空垃圾也称为空间碎片，其名目繁多，既有已经“寿终正寝”，但仍在空间轨道兜圈子的各类卫星、被遗弃的运载火箭推进器残骸等，也有航天器意外爆炸或者碰撞形成的碎片，还有一些螺丝和垫圈之类的零部件。此外，宇航员在太空作业时也可能“随地乱扔”垃圾或者失手遗落物品，比如，1965年美国首次进行太空行走，宇航员爱德华·怀特在舱外活动时不小心掉了一只工作手套，这只时速约2.7万公里、带有巨大杀伤力的手套至今仍在太空中飘荡。
2008年，欧洲航天局控制中心发布了一组电脑模拟照片，展现了数百万件太空垃圾包围地球的景象。照片中的太空垃圾都靠近地面，即处于距地面约320公里至480公里的近地轨道，在地球上空构成了一个独特的环状物。一般来说，这些太空垃圾在高层大气阻力的作用下，其轨道不断衰减，最终会坠入大气层陨毁。但是，如果太空垃圾所处的轨道很高，大气阻力很小，那么它们能在轨道上存留数万年甚至数百万年。
据英国《卫报》报道，有关不完全统计数据显示，时至今日，人类活动导致遗留在太空中的人造卫星和火箭的残骸已经超过了5500吨，并且以每年5%的速度不断累加，而最近4年来，这些零重力的太空垃圾数量更是以每年40%的速度递增，仅美国空军目前所跟踪的直径超过10厘米的太空碎片就有1.9万块。此外，估计1厘米到10厘米的碎片大约有20万块，更小的碎片则数以千万计。这些残骸还会彼此相撞，然后分裂成更多碎片。如今的太空已经成了不折不扣的垃圾场了。
飞天也叹行路难
虽然宇宙浩渺，太空垃圾看似不过是其中的沧海一粟，但它们的存在绝非无关痛痒，而是会严重威胁到航天器和宇航员的安全。
太空垃圾巨大的破坏力来自于它的速度，其飞行速度可高达每小时4万公里。据美国宇航局约翰逊航天中心轨道残骸计划首席科学家尼古拉斯·约翰逊介绍，一块质量约10克的空间碎片与航天器相撞时，产生的撞击效果就和两辆时速100公里的汽车相撞的效果一样，后果是灾难性的。
为了研究方便，科学家一般把太空垃圾按直径分为三类：10厘米以上的太空垃圾可通过仪器监测到，进而采取一定的措施进行预防；介于1厘米到10厘米之间的垃圾，仪器跟踪不到，它们像随时可能出现的“幽灵”，带着毁灭性的杀伤力，如果航天器碰巧与之相撞，灾难将难以避免；而直径小于1厘米的太空垃圾则被归到“危险”等级，轻则造成航天器表面坑坑洼洼、伤痕累累，严重的可造成内部敏感元件的感应放电，甚至导致航天器结构性损坏。
到目前为止，虽然太空垃圾和运行航天器之间的破坏性撞击还比较罕见，但是，两者狭路相逢，最终引发一起“宇宙交通肇事案”也并非没有先例。1986年，“阿丽亚娜”号火箭进入轨道之后不久便爆炸，成为564块10厘米大小的残骸和2300块小碎片，这些残骸和小碎片在绕地球轨道飞行的过程中，不仅导致两颗日本通信卫星“命丧黄泉”，甚至在10年后，法国侦察卫星“西雷斯”也仍没有逃脱撞上这些残骸的厄运，结果受损严重，不得不停止工作。更让人记忆犹新的“太空撞车”事故则发生在2009年2月，美国铱星公司1997年发射的“铱星33”通信卫星与俄罗斯的一颗已经废弃的军事卫星“宇宙2251”相撞，产生的大量碎片从它们所在的轨道抛出，散布到广阔的太空，形成了更多新的太空垃圾。
而这也正是令科学家更为担心的“雪崩”效应：随着空间碎片数量不断增多，这些碎片之间的碰撞几率也不断增加，从而产生更多的碎片，当碎片的数量累积到一定程度，将会使航天活动无法进行，近地空间完全失去使用价值。
事实上，国际空间站近年来也频遭太空垃圾“偷袭”。去年3月12日，由于一块直径约12.7厘米的太空垃圾接近国际空间站并可能对其构成威胁，空间站内的3名宇航员曾紧急疏散到与空间站对接的“联盟”载人飞船上避风头。在随后的3月17日，美国“发现”号航天飞机与国际空间站对接时，一块卫星碎片也在接近空间站，但该碎片没有对空间站构成威胁，而是保持着安全距离“擦身而过”。然而，仅仅一周之后的3月23日，“发现”号宇航员计划完成返航前最后一次太空作业时，却再次面临太空垃圾挑战。为防止与这块约10厘米碎片“亲密接触”，国际空间站与“发现”号不得不调整位置，减速行驶大约3小时。连番遭遇垃圾“骚扰”，令宇航员阿里巴鲁霍无奈地感叹，躲避这些垃圾“是项大任务，非常累人，有时把人折腾得精疲力竭”。
打造空间“吸尘器”
据专家测算，目前太空轨道上每个航天器发生灾难性的碰撞事件的概率为3.7%，而发生非灾难性撞击事件的可能性高达20%。英国南安普敦大学的空间碎片专家休·刘易斯说，在未来50年中，预计将发生5起到10起碰撞事件，由此还会产生大量太空垃圾。“躲”垃圾终究不是长远之计，英国科学家率先研制出了首个专为清扫太空垃圾而度身定制的小型飞行器，并于3月26日揭开了这个比鞋盒还小的自毁式太空“吸尘器”的神秘面纱。
据英国《新科学家》杂志网络版报道，这个被称为“立方帆”的纳米级卫星重约3公斤，大小约为30厘米×10厘米，展开后如同一个风筝。它是由欧洲宇航防务集团阿斯特里姆空间技术公司资助、以研究小卫星著称的英国萨里大学萨里空间中心的科学家设计并研发的。顾名思义，“立方帆”使用了可借助太阳能的太阳帆作为动力推进系统，不过，这面帆还有另一个独特功能，那就是作为“轨道刹车”，帮助它脱离轨道，坠入大气层烧毁。
萨里空间中心负责该项目的瓦尔斯·拉帕斯说，“立方帆”将搭载在一个500公斤以下的小型飞行器上，预计将于明年晚些时候发射到地球上空700公里处的近地轨道，并展开其大约5米×5米的帆，然后分两步进行垃圾清理测试：位于低轨道的太空垃圾，它将直接用展开的帆将其黏住；至于在较高轨道上的垃圾，就要借助太阳能动力去接近了。
即使在700公里这样的高度，仍然存在着稀薄的大气分子，这些大气分子产生的阻力会拖拽着近地轨道上的卫星“放慢脚步”，直至将它们拉回大气层烧毁。不过，依靠这种方式来消除太空垃圾，其速度远远跟不上太空垃圾制造的步伐。因此，太阳帆要做的就是增加大气分子的阻力，帮助大气分子尽快赢得“拔河赛”，这样就可以让“立方帆”脱离轨道掉落大气层化为灰烬的时间由几十年缩短到短短的几年。
不过，从既往实验来看，飞行器在轨道上展开携带装置或者让携带装置充气膨胀，十有八九都会因为零部件卡住或失灵而以失败告终。尼古拉斯·约翰逊说，去年美国Aerocube 3卫星曾试图测试一个可充气的阻力增强装置，结果没有成功，而之前在太空中展开太阳帆的尝试也都遇到了问题。
萨里空间中心的研究人员希望，利用弹簧支架设计的这个精巧构造在太空中也能够如同在地面演示的一样成功打开“立方帆”。拉帕斯说，目前他们是在1克的重力条件下（g取值为9.8牛顿/千克，表示质量1千克的物体受到的重力是9.8牛顿）而非零重力环境中进行的地面测试，因此太空测试面临的挑战是巨大的。
拉帕斯说，如果“立方帆”能够按照预想中的那样成功工作，未来的卫星也可以安装一个类似的帆，当它们在太空中的使命完成并成为太空垃圾时，这面帆就可以自动将它们带回大气层烧毁；或者，也可以将成群结队的“立方帆”发射到近地轨道上，让它们去网罗在太空中游荡的残骸和碎片，然后用同归于尽的方式将这些垃圾清除。
拉帕斯表示，目前美国、日本、俄罗斯等国也在做相关的研究，他们的这项技术将打开低成本清理太空垃圾的大门，预计将来给用户提供服务的价格约在几万到几十万英镑之间。
联合国外层空间事务处建议，各航空公司在其火箭推进器或者卫星任务期结束后25年内，应设法将它们从太空中弄下来。如果这一建议得以通过立法成为国际规范，类似于“立方帆”这样的技术很可能会成为一个标准配置，就像汽车中的安全气囊一样。一旦“立方帆”投入商业使用，其市场价值将极其诱人，因为小卫星占全球卫星发射总量的70%。
“扫垃圾”也要有创意
为了控制和减少太空垃圾对人类的潜在威胁，专家们提出了许多对策，基本上可以归结为四个字：避、禁、减、清。
所谓“避”，就是通过加速发展太空监视系统，对太空垃圾进行严密跟踪，及时发布预警，使航天器采取有效的技术手段避开太空垃圾。美国和俄罗斯各自都有先进的追踪系统，欧洲航天局也在对所有在近地轨道上运行的太空垃圾进行编目，以便更好地掌握它们的动向。
所谓“禁”，就是国际上制定有关空间法规，禁止在空间进行各种武器的试验和部署，限制发射核动力卫星，使空间成为为人类文明服务的和平空间。
所谓“减”，就是发射航天器的国家应采取措施，尽量减少太空垃圾的增加。对末级火箭采取未燃尽推进剂和高压气体排空，避免末级火箭爆炸。
所谓“清”，就是主动出击，开发太空垃圾清理技术。清除太空垃圾既可以扫去人类进军太空路上的“绊脚石”，还有巨大的经济效益，这样一举两得的买卖，各国相关机构自然趋之若鹜。不过，关于太空环境治理目前还仅限于研究分析，该领域没有任何商业机构在运营。以下是科学家提出的一些富有创意的“扫垃圾”方案：
太空垃圾清扫机美国发明了一种巨大的风车式空间碎片清扫设备，用于处理直径小于1厘米的垃圾。这种“太空风车”有4个金属扇叶，每个扇叶长400米、宽45米。当垃圾与扇叶碰撞时，微小的垃圾碎片就嵌入了金属风叶从而达到清除的目的。即使稍大一点的垃圾打穿风叶，由于碰撞使垃圾的速度大大降低，没有足够的速度来维持它继续环绕地球运动，因此将逐渐坠入地球大气层而烧毁。
在美国宇航局的尼古拉斯·约翰森看来，发射一个直径为1.6千米的巨大聚氨酯球到近地轨道上去拦截漂移的太空垃圾也是个不错的主意。在聚氨酯球的撞击下，碎片会失去能量，改变轨道，跌向地球大气层。不过，相对于其体积而言，聚氨酯球的重量偏轻，容易在太空中失去控制，偏离既定轨道，反而成为威胁航天器的潜在“杀手”。
太空垃圾回收车 在太空轨道指定地点上，太空垃圾回收车能够将散落的残骸收集和封装起来，相当于太空中的“清洁工”。
比较有代表性的是一个被称为“空间工友”的方案，该设备由12只空间“垃圾箱”组成，在地球同步轨道上运行。当太空垃圾飞过时，它会伸出由电脑控制的机械臂抓住目标，放进“垃圾箱”后将其分割切碎，使其坠入地球大气层燃烧自毁。
还有一种回收装置是让卫星带上一个用轻型电子绳连接的收集网，当卫星到达指定位置后，会自动松开长绳。收集网装进一定量的垃圾后，在地球磁场作用下，就会带着垃圾一起坠向大气层。
另一种被称为“黏性人造垃圾回收轨道球”的方案引起了美国宇航局的兴趣，同样是利用泡沫球，在球身上涂满特殊黏合剂，就可以黏住过往的碎片垃圾。
日本研究人员也开发出了一款“机器人清洁工”，借助一条长达数公里的电缆，用带有强力电磁铁的机械臂牢固地抓住报废的人造卫星或是火箭残块，并将它们收集起来抛入大气层烧毁，对于清除较大的太空垃圾非常适用。其长度在50厘米到70厘米之间，重量约140公斤。据日本宇宙航空研究开发机构估算，建造一部这种机器人需花费大约400万美元。
激光扫帚 从地面或者太空发射激光，将太空垃圾推至离地球更近的轨道，使其在地球引力作用下加速下落。
美国宇航局从2000年开始就在进行“激光扫帚”试验，计划帮助清理国际空间站运行轨迹上直径在1厘米到10厘米之间的太空垃圾。一旦某个太空垃圾目标被锁定，“激光扫帚”将发出一束激光，照射在太空垃圾背离地球的一端，使该部分气化，然后利用气体的反作用力推动太空垃圾朝地球的方向运动，最终使其进入大气层烧毁。
但是激光发射装置非常昂贵，可以击中的目标有限，而且国际社会希望制定公约禁止在外太空部署激光武器，这将是应用这种设备面临的另一个障碍。
自杀式卫星有科学家建议给每颗卫星添加额外的燃料，一旦其工作寿命结束，便用剩余的燃料将卫星推离轨道，降落至大气层焚毁。但这无疑会使卫星成本大大提高，同时燃料的重量也会减少卫星的有效负荷。而且，卫星上的控制系统必须确保正常运转，否则卫星有可能会失去控制并最终成为近地轨道上的太空垃圾。
用额外燃料将报废卫星送至“墓地”。还有科学家希望用额外燃料将“寿终正寝”的卫星送到更高的“墓地”轨道，但这同样存在卫星运转系统失灵的风险。另外，有研究显示，“墓地”轨道上的废弃卫星会因太空中微小陨石的不断撞击而逐渐分解，残骸会返回到低轨道，不但清理更加困难，而且对其他在轨卫星构成了威胁。
借助“终结绳索”让卫星自毁。在卫星正常运行期间，把一根长度为5000米的细导线绕成一个线圈，放置在卫星内部。当接到地面指挥中心下达的卫星报废指令时，这根“终结绳索”便会自动打开，产生巨大电流，形成电离层。电离层与地球磁场相互作用，使地球磁场形成向下的拉力。这种拉力会让卫星降低轨道，只需几个星期或几个月便可坠入大气层自行燃烧。
这种方法不仅简便廉价，而且可以大大加快卫星从轨道上脱离的速度。该计划获得了美国宇航局和五角大楼的资金支持，目前已成功进行了数次失重条件下的试验。
发射“自杀式袭击”卫星另外一种方案，就是发射一颗可以实施“自杀式袭击”的卫星，其体积只有足球那么大，重6千克，配备4个小型摄影机，能够很容易发现目标。一旦侦察到太空垃圾，便依附在垃圾上，使其速度降低，最后进入大气层，与太空垃圾同归于尽。英国萨里空间中心的“立方帆”就属于这一类。
尽管清理太空垃圾前景诱人，但尼古拉斯·约翰森表示，目前航天界还未能找到一个在技术和经济上都行之有效的方案。同太空垃圾的斗争，还需要各方合作，多重防控政策和手段并用，才有望实现标本兼治的目的。
法国“西雷斯”卫星与阿丽亚娜火箭残骸相撞示意图
近地轨道上的垃圾带
英国萨里空间中心研制的“立方帆”
火箭推进系统与卫星分离后爆炸是太空垃圾的一个主要来源
日本的“机器人清洁工”可用于清除体积较大的太空垃圾
