想象一下這樣一個世界：為天氣預報和全球寬頻網際網路等關鍵服務提供工作的人員，不得不在活躍的射擊場上躲避子彈的同時工作。至少，你可能會擔心他們的安危，對吧？
這實際上並非虛構的情景：我們想象的世界就是我們自己的世界，射擊場是地球軌道，而面臨風險的“工作人員”是那裡的衛星（以及載人飛行器和棲息地），它們受到數量激增的太空垃圾的威脅。自太空時代開始，即第一顆人造衛星“ спутник 1”號發射以來，已經過去了近 70 年。在那段時間裡，我們頭頂的天空已經被數千個廢棄的火箭箭體、報廢的航天器和大型硬體碎片所佔據，所有這些都以危險的高速繞地球執行。
美國空軍監測著近地軌道（LEO）中大約 25,000 塊垃圾，近地軌道是航天活動最繁忙和最擁擠的區域，包括海拔 2,000 公里或更低的軌道。目前的望遠鏡和雷達技術將可追蹤的最小碎片限制在直徑約 10 釐米，大約是一個百吉餅的大小。其他一切——而且數量相當多，主要是數百萬片油漆碎片和航天器碎片——都太小而無法進行當前編目，但仍然可能構成極大的危險。這種所謂的致命的、不可追蹤的碎片可以大約每秒 10 公里，或每小時超過 22,000 英里的速度繞地球執行，這意味著即使是一個原本不起眼的小點也會產生強大的衝擊力。事實上，2016 年，當一塊毫米大小的碎片擊中歐洲航天局（ESA）的 Sentinel-1A 衛星的太陽能電池板時，撞擊力非常大，以至於在面板上打出了一個 40 釐米的孔，並使衛星傾斜。對人類的風險也不容忽視。就在幾周前，一顆退役的俄羅斯衛星解體成 100 多個大型碎片，導致國際空間站的宇航員進入避難所，這起事件可能是與類似的未編目碎片碰撞造成的。
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“它們有很多。它們沒有被追蹤。而且它們很危險，”天體物理學家喬納森·C·麥克道爾在談到微小的太空垃圾碎片時說。“在軌道速度下，即使是很小的物體也會真的撞到你。”
由於沒有人能清楚地看到所有這些微小的碎片，因此不可能向衛星運營商發出即將發生的、可能造成災難性碰撞的警報——更不用說了解威脅的真實規模了。
但這可能很快就會改變。美國政府現在正試圖開發一種即時監測能力，用於監測數百萬個超微小太空垃圾碎片——即從 10 釐米到 1 毫米大小——遍佈整個近地軌道甚至更遠區域。這項名為太空碎片識別和追蹤（SINTRA）計劃的工作涉及來自十幾個機構的 100 多名科學家。作為關鍵的第一步，SINTRA 正在利用超級計算機和人工智慧演算法，對廣泛的檔案資料進行訓練，以檢測微小、快速移動的碎片產生的明顯特徵。示例包括兩塊垃圾碰撞時產生的短暫光 burst，以及碎片劃過地球帶電高層大氣時產生的微弱的波狀等離子體尾跡，科學家們懷疑這兩種特徵都可以用來幫助追蹤和研究危險的漂浮物。
為了支援這項工作，位於華盛頓特區的海軍研究實驗室（NRL）的研究人員將很快尋求透過在一個大型真空室內將鋁、矽和航空航天級塑膠等常見衛星材料的碎片加速到超高速來複制其中一些效應。結果——包括閃電般的 burst 發生的特定頻率、它們持續的時間以及碰撞後塵埃雲形成和擴張的速度——然後可以用來更好地訓練演算法。這將確保團隊能夠挖掘出更多無意中記錄在檔案中的過去碰撞事件。最終的結果可能是一項大規模的日常操作，用於追蹤數百萬個微小碎片，併為可能與工作衛星發生的碰撞建立新的預警系統。
“這反映了我們的挑戰和能力是如何增長的，以至於人們可以考慮這樣做，”未參與 SINTRA 計劃的麥克道爾說。“要將太空追蹤提升到下一個數量級需要做很多工作，但這是必須完成的。”
作為更廣泛的、政府範圍內的努力的一部分，為了解決太空碎片風險，SINTRA 於去年 8 月由情報高階研究專案活動署（IARPA）正式啟動，IARPA 是一個聯邦組織，贊助研究專案以造福國家情報界。“我們正在努力徹底改變我們看待問題的方式，”IARPA 的 Alexis Truitt 說，他領導該計劃。“SINTRA 非常符合這一願景。”
她拒絕透露該專案的成本，但表示推動這項最先進的工作“需要大量投資”。一份關於該計劃的公開的問答指出，IARPA 歷來將其專案預算定在 5000 萬美元到 1 億美元之間，單個團隊的合同通常上限為 2500 萬美元。“在 IARPA，我們遵循高風險、高回報的模式，”Truitt 說，“因為我們將承擔相當大的風險來解決我們政府合作伙伴可能認為風險過高而無法追求的難題。”
追蹤不可追蹤之物
即使是微小的太空碎片撞擊所伴隨的巨大能量，也可能被證明對於更好地全面瞭解究竟有多少垃圾在地球周圍旋轉至關重要。
先前的研究表明，當兩個微小的物質以極高的速度碰撞時，它們會崩解成帶電氣體和微小碎片雲，隨著雲的膨脹，會產生強烈的光 burst——有點像微型雷電。當帶電碎片相互擦過時，也會產生電脈衝。密歇根大學的一個團隊作為 SINTRA 專案的一部分進行的最新模擬顯示，這些輻射足夠強，可以被地球上的儀器接收到，例如 NASA 深空網路的無線電天線。在 NRL 的超高速實驗以及隨後的碎片偵察人工智慧的演算法訓練之後，研究人員希望每天在太空中發現多達 100 次小規模碰撞。
“以前從未有人做過，”密歇根大學的 Mojtaba Akhavan-Tafti 說，他是進行最新模擬的團隊成員，也是 SINTRA 專案的科學家。“這是一個由這項研究建立的新領域，因此你沒有多年從事這項工作的同事可以去問問題。”
同樣，位於加利福尼亞州的非營利性研究機構 SRI International 的科學家們正在訓練地面雷達和其他儀器，以探測由撞擊軌道碎片引起的在我們地球高層大氣中產生的微弱尾跡。發現和跟蹤這些軌跡應該能夠讓觀察者識別和定位相應的垃圾碎片。同一個團隊還計劃使用斯坦福大學的大型射電望遠鏡（綽號“Dish”）進行測試，看看研究人員是否可以使用雷達訊號來繪製更多微小的軌道碎片地圖。
“我們正在解決一些非常棘手的問題，”Truitt 說。“碎片問題比一個實體能夠處理的要大，因此 [SINTRA] 只是更大拼圖中的一小塊。”
歐洲航天局（ESA）的這段動畫展示了地球軌道上不同型別和大小的太空碎片，從大型衛星（紅色）和火箭箭體（黃色）到惰性完整物體（綠色）和碎片（藍色）。有關小於 10 釐米的碎片的資訊基於 ESA 的統計模型。
SINTRA 人員正在思考的另一個難題是如何處理預計來自持續追蹤數百萬個碎片物體的碰撞警報的急劇增加。衛星運營商通常會在一週前收到美國太空部隊第 18 太空防禦中隊發出的令人擔憂的可能碰撞的通知，該中隊透過其太空監視網路監測已知的軌道碎片。但是，由於機動所需的巨大燃料成本以及來自高度動態軌道環境的不確定性，躲避的決定“儘可能晚地做出”，通常在最後 24 小時內，ESA 的太空碎片減緩工程師 Francesca Litizia 說。但是，對於這些決定至關重要的資料——例如潛在碰撞軌道上的物體是否可以機動，如果可以，哪一方應該轉向——通常不可用或不是最新的。“現在我們仍然必須打電話給 [衛星運營商]，並希望有人在另一端接聽，”未直接參與 SINTRA 計劃的 Litizia 說。“當然，這在未來是不可擴充套件的。”
“我們需要徹底改變我們向衛星運營商提供警報的方式，”Truitt 承認。
軌道垃圾過多
“我們認為太空非常大，但我們忽略了一個事實，即人類也非常擅長製造環境垃圾，”Akhavan-Tafti 說。與地球 45 億年的歷史相比，在不到七十年的太空活動中積累了如此多的軌道垃圾——只是眨眼之間——確實令人震驚。研究軌道碎片的外太空研究所聯合主任天文學家 Aaron C. Boley 希望 SINTRA 將“提高人們對已完成工作的認識，以便我們在使用近地軌道時更加謹慎。”
最近的多個里程碑為改進帶來了希望。其中最重要的是美國聯邦通訊委員會（FCC）2022 年的裁決，該裁決根據長期以來的指導方針，將報廢衛星允許在軌道上停留的時間從 25 年縮短至 5 年。去年，ESA 也效仿推出了“零碎片憲章”，這是一套針對其 22 個成員國和全球航天界遵循的指導方針，旨在到 2030 年實現碎片中性。印度也已發誓到本十年末實現無碎片任務。許多科學家希望其他航天大國很快將類似的實踐應用於他們自己的太空資產。“這些型別的法規的存在非常重要，這樣每個人都可以從太空環境中受益，”Akhavan-Tafti 說。
任何清理我們軌道垃圾的努力都將從確定物體的位置開始，因此 SINTRA 和其他碎片探測計劃似乎註定要成為未來太空活動的重要推動者。然而，同樣重要的是要解決根本問題——數千個大型廢棄航天器和火箭級，它們最初製造了大部分較小的碎片，Boley 說。“那將很難，”他補充道。“這些東西有校車那麼大，而且還在快速旋轉。”
儘管如此，多家商業碎片清除服務公司仍渴望迎接挑戰。其中值得注意的是 Astroscale，這是一家總部位於東京的初創公司，最近受日本政府委託，透過與軌道上的一個廢棄火箭級交會並將其移除來展示其能力。展望未來，總部位於瑞士的初創公司 ClearSpace 計劃在 2026 年啟動一項由 ESA 資助的任務，以與一塊巨大的太空碎片會合並使其脫離軌道。
即使這些方法被證明非常有效，Boley、Akhavan-Tafti 和其他接受本次報道採訪的科學家都表達了一個共同的擔憂：任何清除地球軌道垃圾的努力能否抵消人類保持現狀的普遍趨勢，即將天空本身視為垃圾場？歷史的教訓令人沮喪；長期以來被認為太大太遙遠而不會受到人類弱點影響的領域，正日益受到人類弱點的破壞。我們海洋中的塑膠、我們空氣中的汙染以及曾經是森林的空曠荒地，都默默地證明了我們的傲慢。現在，類似的事情正在天空中再次上演，而我們才剛剛開始理解其中的含義。
“我擔心的是，我們如何不斷地這樣做，並且似乎沒有吸取教訓，”Boley 說。“在悲劇發生之前，我們仍然有機會做些什麼。”