【科技．未来】太空垃圾为患　是时候清垃圾了

太空垃圾（space junk）较正式的叫法是太空碎片（space debris）。人类凡走过必留下垃圾，1957年，苏联发射了首个进入地球轨道的人造卫星史普尼克1号（Sputnik 1），运送过程中脱落的火箭部件成为了首件太空垃圾。

自那时起，人类就在太空留下了各式各样的物件残骸。比较大和常见的，主要是火箭升空途中脱落的推进器、服役期满而被弃置于太空的各种卫星，或残余燃料引起爆炸所产生的碎片。

军事试验是太空碎片另一来源。除1960至1970年代美国和苏联的反卫星武器（ASAT）残骸以外，近年较严重的是2007年中国的反卫星军事试验，从地面发射导弹击碎已退役的气象卫星“风云1C”。光是这次试验造成的碎片，就令可追踪的碎片数量增加了四分之一。另外较为琐碎的主要是太空任务中遗失的各种设备和生活用品，例如手套、摄影机、发热毡、垃圾袋、牙刷之类。

早期的太空计划普遍觉得太空就是一个广阔的天空，可以任意放我们想放的东西进去，而不会填满它。

据欧洲太空总署统计，在过去约60年来超过5,200次的发射中，总共在太空遗留了约42,000件物件，长年累月碰撞成大大小小的碎片。现时约有50万件直径大于1厘米的物件可由美国太空监视网络（SSN）监察，其中23,000件大于10厘米，但只有约1,200件是完好无缺，仍在运作当中，其余都是太空垃圾。美国太空总署轨道碎片首席科学家Jer Chyi Liou补充：“此外，还有数以千万计的微小碎片，都无法由SSN追踪，但它们仍然足以对承载人类的太空船和机械任务造成威胁。”

比子弹更快　比炸药更痛

太空垃圾对我们有何威胁？要确保卫星运作得宜，就像要保持“马路”畅通无阻，避免碰撞。一般位于离地约较低地球轨道的物件，会逐渐离开轨道坠向地球。过程中绝大部分卫星都会在大气中烧毁，但不是每次都能燃烧殆尽，过往便发生过多次太空垃圾坠落地面的事故，甚至有人被击中。（详见图辑说明）

在相对较高轨道上的卫星，则可能需要更长时间才能回到地球。一般而言，它们会被送进“坟场轨道”（graveyard orbit） —— 一条刚刚高于地球同步轨道（GEO）约300多公里的轨道，就像汽车无油或失灵，临时停到马路一旁的避车处。但这种方式终究只是权宜之计，没有真正减少太空上的垃圾，留下碰撞风险。

若我们不改变在太空上的操作，太空垃圾将会以指数上升，直到所有碎片撞击成一团包围着地球的碎片云，摧毁任何试图发射到 云团范围的太空船。

现时共有7,600公吨太空垃圾，约相当于本港两日的垃圾量。貌似微不足道，然而它们不会静止安躺于“堆填区”，而是受地球引力作用，以轨道速度围绕地球运行。即使是最细小的碎片，威力或许远超一般人的想像。

Jer Chyi Liou说：“毫米级别的轨道碎片带来的穿透风险最大，因为它会对近地轨道上的大多数太空船产生很高速的冲击。”这些碎片最快可达时速48,000公里，比子弹还要快逾10倍。按前美国太空总署高级科学家培根（Jack Bacon）估计，一个10厘米直径的铝球太空垃圾撞击力量，相当于引爆七公斤黄色炸药（TNT）：“它会令任何东西变成碎片。”

因此，太空站需要不时调整位置，以避免像电影《引力边缘》（Gravity）般被太空垃圾撞击。去年美国太空总署就参与了21次相关闪避。近年国际太空站（ISS）亦数度发出太空垃圾的警戒，命令站内太空人躲至俄罗斯“联合号”（Soyuz）太空船逃生舱，随时准备撤离。

凯斯勒认为太空碎片的问题之所以令人担心，在于这些现存的太空垃圾会继续碰撞，继而引发“级联效应”（Cascading Effect），造成更多碰撞和碎片。他在1978年提出被称为凯斯勒症候群（Kessler Syndrome）的预测，换言之，即使我们从此不再发射任何新的物件到太空，若不主动清理太空垃圾，污染问题将持续恶化。

卫星互联网竞赛或加剧污染

此外，人类对太空探索的兴趣有增无减，从美国和苏联两超级大国于冷战时的太空竞赛，到较近年一些发展中国家如中国及印度，皆有能力制作火箭升空。国家以外亦有私人企业的崛起，诸如SpaceX的猎鹰系列火箭。最近更在展开卫星星座（constellation of satellites）竞赛。其中SpaceX刚于上月底获美国联邦通讯委员会（FCC）通过其卫星互联网计划Starlink。

传统卫星互联网由地球同步轨道卫星提供，速度慢，延时又昂贵。Starlink于是另辟蹊径，在低地球轨道发射成千上万的小型通讯卫星，不但大大改善原有缺点，近乎零死角包围地球的网络，也弥补了现时大量光纤无法或没到达的地方，从穷乡僻壤到沙漠、高山、海洋甚至极地。联合国教科文组织（UNESCO）前年统计，现时全球57%人口因各种理由无法上网。因此Starlink预期到2025年将会有4,000万用户，带来300亿美元收入，难怪吸引众多科技巨头纷纷部署。

Starlink的主要对手OneWeb获得空中巴士（Airbus）、维珍集团、软银（Softbank）等支持，波音公司、三星集团等也已制定了卫星星座计划。然而，Starlink的第一阶段要发射逾4,400枚卫星，是太空轨道现存卫星总数的三倍，按计划到2024年共发射近12,000枚卫星；OneWeb、波音、三星等计划也要发射逾2,000至4,000枚卫星不等，将会令太空轨道更为拥挤，有可能令太空垃圾问题恶化。

国际间协作成疑　现时仅靠自律

现时来自美国、俄罗斯和中国的太空垃圾各占总数约三分之一，剩余少数来自其他国家。要解决问题必须国际间、特别是几个太空大国合作，但过程毫不容易。

本年初，中国空军工程大学研究队伍建议在太空建立装置，使用激光处理太空垃圾，研究刊载于《Optik》期刊，希望以激光射向太空垃圾，令它偏离轨道，或返回地球过程中烧毁。不过，激光的想法只是老调重弹，美国太空总署早于1990年代研究在地面向太空射出激光处理垃圾；日本理化研究所（RIKEN）的团队也提出过在太空使用激光的想法。

这项技术最终能否落实，可能更多取决于政治原因而非科学理论。俄罗斯科学院的高能量激光专家阿波罗诺夫（Victor Apollonov）便向科技媒体《Gizmodo》解释：“这可以用于军事，因此值得怀疑。我认为第一步应该是全球规模的讨论，是否乐意把激光技术带到太空。”美国战略司令部指挥官海顿（John Hyten）去年3月亦指，中俄正积极发展太空武器，包括激光武器。

现时一些太空垃圾相关的国际机构都提出了改善建议。联合国和机构间太空碎片协调委员会（IADC）分别通过了各自的《太空碎片减缓准则》，内容大致是避免太空物体在轨道上裂解、限制运作中的太空物体分裂出太空垃圾，及移除已报废的太空物体。这些准则建议现正计划或未来发射的太空物体，需要在设计上考虑到这些元素；其他具体建议如报废后的太空物体需在25年内移除、要求太空发射机构有完善的移除和减缓垃圾计划等。可是，这些建议都是针对在未来减少太空垃圾，对主动清理现存的太空垃圾这方面没有多大作用。

更重要的是，这些国际间的原则都属自愿性质，不具任何强制性约束力。根据《外太空条约》（Outer Space Treaty），太空物件归发射国拥有，其他国家在未得发射登记国同意下，无法擅自改变太空物件的轨道，遑论将其当成太空垃圾移除。更何况，微小的太空碎片垃圾到底是否每块都可辩识出制造国，以追究赔偿责任，也成疑问。

我们有严格的指引，但很少是有法律效力或可以执行。

缺乏诱因　技术效率成疑

有没有足够诱因也是另一问题。现时各种清理太空的技术效率成疑，预计5月底展开的RemoveDEBRIS试验，由英国索立太空中心（Surrey Space Centre）统筹，获欧盟及来自英、法、德、瑞士等国的公司提供资金及技术。试验将会先在太空放出方形卫星（CubeSat）人造垃圾，然后测试四种处理太空垃圾的方法，包括一项摄影机与光学雷达（LiDaR）的追踪技术、太空鱼叉、捕网以及太空船帆（详见以下影片），预计年尾会完成相关试验。不过，现阶段试验只属概念验证（proof of concept）。刘易斯对试验甚为保留：“我不认为这些方法在商业上合乎成本效益，而且这些技术在现时的情况，偏向不可行。”

另一方面，各国太空计划的财政预算各异，也可能影响清理太空垃圾的意愿。台湾国家太空中心副主任余宪政向《中央社》解释，只要在卫星的电力、燃料用尽之前，用遥控方式让卫星自行坠毁地面，便能避免成为太空垃圾。不过要确保成功坠毁，就意味着要缩短卫星的服役年限和提前汰换，考虑到经费未必会使用这种自毁机制。

近年到月球和火星旅行甚至移居的想法不绝于耳。不论地球内还是外的垃圾，我们都无法逃避。若不愿意负上可持续地使用资源的责任，人类到何处都终究自取灭亡。

上文节录自第109期《香港01》周报（2018年4月30日）《谁来当太空清道夫》。

更多周报文章︰【01周报专页】

第109期《香港01》周报特设C叠特辑，探讨中国金融大开放，各大书报摊及便利店有售。你亦可按此订阅周报，阅读更多深度报道。