人類從未停止仰望星空，無論是中國古代的牛郎織女、嫦娥奔月，還是古希臘神話中月亮女神的故事，無一不透露著人類對星空的向往。

圖｜太陽、月球和太陽系八大行星（來源：pixabay）

在人類悠久的文明中，好奇心一直驅(qū)動著我們?nèi)ヌ剿魈铡Ｈ欢?，也正因為如此，?1957 年蘇聯(lián)成功將斯普特尼克 1 號送入太空以來，全球各個國家也開始向太空中發(fā)射各式各樣的人造衛(wèi)星。

如今，地球近地軌道的人造衛(wèi)星日益爆滿，產(chǎn)生的太空垃圾也越來越多， 而高速運動的太空垃圾不僅會像炮彈一樣摧毀人造衛(wèi)星或航天器，還會威脅宇航員的生命安全。

圖｜地球周圍的太空垃圾（來源：NASA）

因此，如何清理太空垃圾已然成為了一個非常迫切、但又十分棘手的問題。近日，美國猶他大學機械工程系的 Jake J. Abbott 教授帶領的研究團隊及其合作者發(fā)明了 一種利用旋轉(zhuǎn)磁鐵操縱軌道碎片的技術。

這種技術可以使機械臂在不接觸碎片的情況下，將碎片移動到衰變的軌道或者更遠的太空中，也可以修復受損的人造衛(wèi)星來延長它們的壽命。

（來源：Nature）

相關研究論文以“Dexterous magnetic manipulation of conductive non-magnetic objects”為題，已發(fā)表在權威期刊 Nature 上。

太空垃圾的“凱斯勒綜合癥”

在生活中，大家都很清楚哪些東西屬于垃圾，那么太空垃圾主要包括什么呢？

太空垃圾又稱為空間碎片或者軌道碎片，一般是指：那些繞地球軌道運行，但不具備任何用途的人造物體。

這些人造物體，大多是固態(tài)火箭的燃燒殘渣、火箭發(fā)射后遺棄的多級火箭、以及廢棄的人造衛(wèi)星。小到人造衛(wèi)星的表面漆片，大到整個飛船殘骸，都屬于太空垃圾的范疇。

圖｜宇航員在實施 STS-126 艙外活動時意外丟掉的工具包（來源：維基百科）

而太空垃圾的存在可能會引起凱斯勒綜合癥（也被稱為碰撞級聯(lián)效應），這種效應認為， 當近地軌道運轉(zhuǎn)的物體密度達到一定程度時，這些物體在碰撞以后產(chǎn)生的碎片能夠形成更多的新的碰撞，形成級聯(lián)效應。

這種效應意味著，地球近地軌道會被太空垃圾所覆蓋，導致人造衛(wèi)星失去能夠安全運行的軌道。最終結(jié)果是，在數(shù)百年后，無論是人造衛(wèi)星的正常運行，還是人類對太空的探索，將無法進行。

不僅如此，太空垃圾也會影響目前人造衛(wèi)星的作業(yè)及宇航員的安全。

據(jù)美國國家航天局（NASA）稱，目前已經(jīng)有超過 27000 塊壘球大小（圓周為 29.4-30.8 厘米）的太空碎片在繞地球軌道運行，它們的速度高達每小時 17500 英里，這樣的速度足以讓一小塊碎片像銀河炮彈一樣摧毀人造衛(wèi)星或航天器，威脅到宇航員的生命安全。

因此，清理太空垃圾勢在必行。

（來源：MIT News）

目前， 主要存在三種方式：

1）激光推進技術：利用強大的連續(xù)波激光照射太空垃圾，使其溫度升高直到被熔化或者汽化，或者利用高能脈沖激光束照射太空垃圾表面，為太空垃圾提供一定的速度增強，從而使其墜入地球大氣層而被摩擦燒毀；

2）飛網(wǎng)捕獲系統(tǒng)設想：像用漁網(wǎng)捕魚一樣，將太空垃圾用飛網(wǎng)捕獲。但是目前這種技術仍未達到可以應用的程度；

3）機械臂抓捕：也稱為在軌衛(wèi)星捕獲技術，是在軌道上通過機械臂捕捉另一個航天器的技術，使用機械臂方式捕捉敵方在軌飛行器可以避免產(chǎn)生大量的碎片。

對此，Abbott 教授表示， 目前對于采用機械臂抓捕太空垃圾的方法，需要將機械臂放置到可以接觸到太空垃圾的位置，如果這個太空垃圾的轉(zhuǎn)速過快或者失去控制，將會折斷機械臂，產(chǎn)生更多的碎片。

因此，Abbott 教授團隊發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁鐵操縱軌道碎片的技術，將為太空垃圾的清理提供一個更有效的方法。

“乾坤大挪移”

磁操縱具有非接觸的優(yōu)點，當操縱器和目標之間存在破壞性碰撞風險時，這一點尤其具有吸引力。

研究人員利用這一優(yōu)點，采用旋轉(zhuǎn)磁偶極子場在太空中移動非磁化的金屬物體。當金屬碎片受到一個變化的磁場時，電子會在金屬中以圓形的方式循環(huán)轉(zhuǎn)動。

Abbott 教授表示， “這種情況類似于當你旋轉(zhuǎn)你的咖啡杯時，咖啡也會跟著一圈一圈地轉(zhuǎn)?！?/strong>

這個過程使得太空碎片變成了一個能通過感應渦流產(chǎn)生扭矩和力的電磁鐵，這樣就可以使得機械臂在不接觸碎片的情況下而去控制碎片的去向，大大減少了機械臂被折斷的風險。

這種方法還允許科學家操縱特別脆弱的物體。研究人員表示，機械臂可能會損壞物體，因為它的抓手對物體的局部施加了力，而這些磁鐵會對整個物體施加更溫和的力，所以物體不會因為局部受力大而受到損害。

研究人員為了測試該項技術，使用了一系列磁鐵來移動水箱中塑料筏子上的銅球（這是模擬微重力下緩慢移動物體的最好方法）。磁鐵不僅使球體呈方形移動，而且還使球體旋轉(zhuǎn)。

圖｜模擬微重力下銅球的靈巧操作（來源：該論文）

雖然這種利用磁流來操控太空中物體的想法并不新鮮，但研究人員發(fā)現(xiàn)，以協(xié)調(diào)的方式使用多個磁場源可以讓物體以六度運動，包括旋轉(zhuǎn)它們。

圖｜六自由度位置和恒定方向控制（黑色線為移動軌跡）（來源：該論文補充信息）

Abbott 教授表示，“我們想要做的是操縱它，不是僅僅把它推下去，而是像在地球上那樣操縱它。這種靈巧的操作方式是前所未有的?！?/p>

因此，這種技術不僅可以移動太空碎片，還能阻止一顆受損的衛(wèi)星瘋狂旋轉(zhuǎn)，從而對衛(wèi)星進行修復。

Abbott 教授認為，這種用磁鐵操縱非磁性金屬物體的原理，不僅適用于清除太空中小的太空垃圾，更加可以應用于解決環(huán)繞地球的體積較大的太空垃圾的問題。

除此之外，研究人員在實驗模型的建立方面只考慮到實心球體，下一步將考慮到空心球和其他簡單的幾何物體（如長方體和圓柱體）。

研究人員表示，雖然目前已經(jīng)證明使用標準位置和一次驅(qū)動一個偶極場源的簡化方法足以執(zhí)行靈巧的操作，但它可能并不是最優(yōu)的。

相對于旋轉(zhuǎn)偶極子的任意球體位置的通用扳手模型，以及對疊加的非線性性質(zhì)的理解，都是懸而未決的問題。

會是馬斯克最需要的太空技術？

談到太空垃圾和太空光污染，就不得不提到全球首富馬斯克的星鏈（Starlink）計劃——根據(jù)現(xiàn)有計劃，最終可能會有高達4.2萬顆的星鏈衛(wèi)星“游蕩”在 330-1300 公里范圍內(nèi)的不同高度軌道上。

關于星鏈計劃的最初設想，馬斯克對外的說法是，通過以 6G 網(wǎng)絡和太空數(shù)據(jù)為載體，打造下一代衛(wèi)星網(wǎng)，將全球人類帶入天基互聯(lián)網(wǎng)時代，并能運用在例如火星等環(huán)境上，在太陽系內(nèi)部署通信基礎建設。

不得不說，這確實是一個值得期待的巨大工程。 但在這一美好設想之外，是天文學家的痛斥與不滿，因為一旦數(shù)以萬計的星鏈衛(wèi)星混入星空與星星一同閃爍，就會對天文觀測造成極難以消除的“污染”，并且在光學和無線電波長上的亮度都會嚴重影響科學觀測。盡管馬斯克提出了一些解決方案——實驗性的“遮陽板”（VisorSat）以及一種在星鏈衛(wèi)星提升軌道時定位它們的新方法，來解決天文學家的提出的擔憂。

但還有另外一個問題，也就是可能產(chǎn)生太空垃圾。因為數(shù)量如此多的星鏈衛(wèi)星也難免會有一部分成為太空垃圾，一旦這些太空垃圾“失控”，就可能會對近地軌道衛(wèi)星造成毀滅性破壞，甚至可能危害人類的生命安全。

除了馬斯克的星鏈計劃，貝佐斯的柯伊伯系統(tǒng)（Kuiper Systems） 和 OneWeb 的衛(wèi)星群，都會有產(chǎn)生太空垃圾的可能。

那么問題來了，這項發(fā)表在Nature上的新研究，能否給他們提供一些減少太空垃圾的新思路？

康德的墓碑銘文上寫道，“有兩種東西，我對它們的思考越是深沉和持久，它們在我心靈中喚起的驚奇和敬畏就會越來越歷久彌新，一個是我們頭頂浩瀚燦爛的星空，另一個就是我們心中崇高的道德法則?！?/p>

希望我們頭頂閃爍著的，是浩瀚的星河，而不是太空垃圾反射的光。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03966-6

https://phys.org/news/2021-10-proactive-approach-space-junk.html

https://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/question22.html

https://commons.erau.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1000&context=stm

https://gizmodo.com/a-history-of-garbage-in-space-1572783046

本文來自微信公眾號 “學術頭條”（ID：SciTouTiao），作者：郝景，編審：寇建超，排版：李雪薇，36氪經(jīng)授權發(fā)布。