大量的太空垃圾雲——包含超過23,000個直徑大於10釐米的碎片——目前正以平均每小時約36,000公里的速度繞地球高速飛行。隨著SpaceX和OneWeb等公司計劃在未來幾年發射數萬顆新衛星，這種危險的雜物可能會對太空任務和宇航員構成越來越大的威脅。一種可能的解決方案可能是電動力繩系，這是一種可以幫助防止未來衛星變成廢棄殘骸的裝置。美國海軍研究實驗室計劃在未來幾周內測試這項技術。
11月初，已經進入軌道的繩系電動力推進立方體衛星實驗 (TEPCE) 計劃在夏威夷毛伊島上的望遠鏡的注視下采取行動。地面控制團隊正在等待黎明或黃昏時分的理想10分鐘時段，屆時昏暗的陽光將為觀察所涉及的鞋盒大小的航天器提供最佳視野。一旦工作人員觸發該過程，TEPCE應該分離成兩個相同的微型衛星，由一根公里長的繩系連線，繩系的粗細相當於幾股牙線。如果部署順利，任務可以觀察繩系如何與電離層（大部分太空垃圾的軌道所在位置）中的地球磁場相互作用，以改變衛星的速度和軌道；結果可能使未來的航天器能夠在繞地球軌道執行時移動——而無需攜帶笨重的化學推進劑。
“換句話說，它是太空中的帆船，” 義大利帕多瓦大學能源管理工程學教授恩里科·洛倫齊尼說，他沒有參與 TEPCE 任務。但電動力繩系技術不是依靠風力，而是依靠支配電場和磁場的物理定律運動。地球電離層中的繩系——一個充滿帶電粒子（如自由電子和正離子）的上層大氣層——可以在一端收集電子，並在另一端發射電子，從而在其自身中產生電流。帶電繩系與地球磁場的相互作用產生了一種稱為洛倫茲力的推動力，該力在垂直方向上推動繩系。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們今天世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
TEPCE 的幾個元件協同工作以產生必要的電流。分離後，兩個微型衛星中的每一個都會展開一條五米長的鋼帶，可以從電離層收集自由電子。每顆衛星還具有一根鎢絲，該鎢絲使用來自機載太陽能電池板的電力加熱，直到達到可以發射這些電子的溫度。這會產生一個電流，該電流從一顆衛星上的電子收集器透過繩系流向另一顆衛星上的電子發射器。
TEPCE 及其繩系部署的示意圖。圖片來源：Sarah Peterson 美國海軍研究實驗室
由於每顆繫繩衛星都包含這兩個元件，因此電流可以沿任一方向流動——具體取決於繩系的哪一端在收集電子，以及哪一端在釋放電子。當電流沿一個方向流動時，洛倫茲力會沿與航天器運動相反的方向推動，產生阻力，最終減慢衛星速度並降低其軌道高度。沿相反方向執行電流，洛倫茲力的方向也會反轉，從而產生推進力而不是阻力。由此產生的速度增加可能有助於維持或增加軌道高度，從而實現更復雜的操作，而無需任何額外的燃料。
這項任務將側重於測試基礎技術，而不是移動衛星到很遠的距離；由於所涉及的電流較弱以及對太陽能電池板的依賴——太陽能電池板幾乎無法為普通燈泡提供足夠的電力，TEPCE 產生的洛倫茲力將很小。因此，任務規劃人員預計地面雷達和望遠鏡不會輕易檢測到繩系速度的微小變化。因此，該團隊將致力於測量繩系的電流流量並檢查每顆衛星上 GPS 接收器的位置資料。
“能夠證明軌道實際發生變化的實際操作需要比我們能夠流動的電流大得多，” 華盛頓特區海軍研究實驗室 TEPCE 首席研究員 Shannon Coffey 說。“所以這是一個實驗，旨在表明我們擁有電動力系統正常執行的所有部件。”
TEPCE 的功率（和目標）受到尺寸的限制——該團隊必須將所有機載電子裝置、感測器、繩系部署裝置和其他機構塞進兩個相同的衛星中，這兩個衛星的總容量約為 3,000 立方厘米，大約是足球體積的一半。透過使用這種微型衛星（通常稱為立方體衛星），任務規劃人員降低了發射成本，併為 TEPCE 作為二級有效載荷進入太空獲得了更多機會。TEPCE 於 2019 年 6 月搭乘 SpaceX 獵鷹重型火箭。
“TEPCE 將在極其苛刻的體積和重量限制下演示電動力繩系推進，” 西班牙馬德里卡洛斯三世大學的航空航天工程師兼天體物理學家貢薩洛·桑切斯-阿里亞加說，他沒有參與當前的任務。桑切斯-阿里亞加指出，這項技術並非新生事物；他說，1990 年代是“繩系在資金水平和航天機構開展的任務方面取得黃金十年”。總而言之，各項任務成功部署了超過 65 公里的繩系，證明它們可以產生推力和動力。但在 2003 年哥倫比亞號太空梭不幸失事後，NASA 取消了一項特別雄心勃勃的任務，之後資金和興趣逐漸減少。
現在，TEPCE 是新一輪太空繩系任務的一部分，這些任務測試了該技術的改進版本，以及它如何幫助移除退役的航天器。桑切斯-阿里亞加正在領導一個名為“用於被動式無耗材離軌套件的電動力繩系技術 (E.T.PACK)” 的獨立專案，該專案由歐盟委員會資助。該任務旨在測試連線到未來衛星的繩系如何部署為被動制動器，以便在報廢時將報廢或退役的航天器拉回地面。
TEPCE 的成功演示也可能為更大的繩系航天器鋪平道路。總部位於南卡羅來納州芒特普萊森特的航空航天公司 Star Technology and Research 正在開發一種名為電動力碎片清除器 (EDDE) 的航天器，該航天器旨在充當軌道拖船：它可以使用網和類似於捕手手套的機械裝置來捕獲報廢的衛星或太空垃圾。該公司幫助設計了 TEPCE 任務的電子收集器和發射器元件，並將當前的測試視為 EDDE 的先驅。“這基本上是一個迷你 EDDE 測試，因為它基於我們的 EDDE 航天器，” 航空航天工程師兼 Star Technology and Research 總裁 Jerome Pearson 說。
一旦 TEPCE 繩系部署，任務結束的倒計時立即開始。這是因為長繩系會產生額外的阻力，這將導致航天器在大約 60 天內在大氣層中燒燬。但如果一切順利，TEPCE 的犧牲性結束可能會標誌著清理地球軌道並維護人類進入太空的新時代的開始。