二零二五年九月 第二期

怎樣處理太空垃圾？

身為一個天文攝影愛好者，在一個晴朗乾燥的晚上，最適合的是拍攝深空物體。當你打算拍攝獵戶座的馬頭星雲，長時間曝光，回家後卻發現有一條又一條白色的光線劃破影像，心情不免一沉：又是那討厭的人造衛星。

白色的人造衛星軌跡

凱斯勒現象

人造衛星除了影響天文攝影1以外，其實隱含一個被長年忽視的問題。早於1978年，美國太空總署(NASA)的科學家凱斯勒(Donald J. Kessler)想像當人類發射越來越多的人造衛星上太空，正因太空沒有「垃圾桶」，用完的人造衛星(太空垃圾)就在離地球不遠的地方以時速每小時280,00公里高速飛行。只要一不小心，兩個高速運行的人造衛星相撞，碎片便會散落在太空。其實，在2009年2月10日，一輛由美國擁有的通訊衛星已經在西伯利亞上空與俄羅斯的軍事衛星相撞，並產生了超過 2,300 件碎片2。碎片不但會改變其他人造衛星的軌道，還會觸發更多人造衛星的碰撞，威脅在近地軌道的通信衛星及的太空站。隨著碎片越來越多，太空垃圾相撞的機會越高，導致更多碎片散落太空，形成骨牌效應。何況，人類還不斷地發射人造衛星呢……

當凱斯勒預見太空垃圾籠罩地球的危險時，不同領域的專家正積極地研究處理太空垃圾的辦法。現時，太空軌道是沒有規管的，軌道實行「搶咪表」，先到先得的機制。因此，法律學者提議通過訂立太空法律規管各國有序地開發太空資源和設立意外保償機制4。另外，有學者創立獨立機構TCTB  嘗試協調三大太空垃圾製造國：中國，美國和俄羅斯從外交方法聯手處理太空垃圾5。雖然有政策和指導方針，但為了應對太空垃圾問題，需要有人開發主動太空垃圾清除(Active Space Debris Removal)的方法。因此，科學家提出多個方法，包括：激光消融法和軌道轉移法。

歐洲太空總署估計大於一厘米的太空垃圾數量高達九十多萬件3

激光消融法

激光消融法利用強力的激光射向太空垃圾。激光帶有的能量會熔化太空垃圾的金屬沉積物表面，使其溫度會提升至幾千攝氏度。隨後，金屬沉積物會變態(就如冰加熱會變成水)，形成電漿體和氣體。電漿體和氣體會向後排出，為太空垃圾加速或減速，繼而更改其軌道。

激光消融法的概念圖6

但是問題來了，如果要將一件太空垃圾完全從太空軌道移除，科學家估計需要4,000至5,000次激光脈衝，時長大約一到兩年。這項計算是假設太空垃圾是單一部件(只有鋁鐵或碳物料)製成的。還有，激光消融法所製造的氣體只能推動中形碎片（尺寸在1厘米到10厘米之間）。若要移除大形碎片（尺寸大於10厘米）需要的脈衝次數更多，移除時間也會更長。因此，想要移除更大和更多元的太空垃圾，只靠激光消融法不能成事。

用激光消融法移除太空垃圾需要的脈衝次數7

軌道轉移法

2024年，筆者有幸出席香港大學舉辦的國際太空可持續發展會議。當中，來自俄羅斯的科學家提議利用軌道轉移法來處理太空垃圾。軌道轉移法8,9需要一輛「清道夫衛星」來捉拿大型太空垃圾，然後將它移去太空的「堆填區(墓地軌道)」。首先，「清道夫衛星」會在太空垃圾上安裝推進器。然後，「清道夫衛星」和太空垃圾分離。推進器按指示發射，最後太空垃圾會被移去墓地軌道。可是，如何補充「清道夫衛星」上的推進器構成一個問題。

「清道夫衛星」運作概念圖

另一種方式會解決補充推進器的問題。首先，「清道夫衛星」會捉拿大型太空垃圾。然後，「清道夫衛星」和太空垃圾一起移往墓地軌道。及後，「清道夫衛星」和太空垃圾分離。最後，「清道夫衛星」移回太空垃圾軌道繼續捕獲新的太空垃圾。

看似完美的方法，其實暗藏問題。日常生活中，當我們抬高物件時需要「費力」，從科學的用語是增加物件的勢能，讓物件抵抗地心吸力。同樣，轉移軌道也要「費力」。可是，轉移軌道比日常生活中抬高物件更加「費力」，因為太空垃圾更重。因此，推進器和「清道夫衛星」能否有足夠力量抬高太空垃圾成疑。

 

鑒於現時的科技未能製作出強力激光或「清道夫衛星」，所以以上的方法純屬科學理論。即便科學家能在短時間內找到清理太空垃圾的方法，長遠來說，建構一個可持續發展的太空環境仍需各國的努力。地球上需要可持續發展目標，太空也不例外10。

暑期實習生
黃諾謙

 

參考資料

  1. Space Telescope Science Institute. (2023). Example of Satellite Trail in Hubble Space Telescope Exposure. https://www.stsci.edu/contents/media/images/2023/017/01H1Q4K5J650PPH3HM9Y88N7TA?news=true
  2. European Space Agency. About space debris. https://www.esa.int/Space_Safety/Space_Debris/About_space_debris
  3. European Space Agency. (2023). 2023: ESA’s year in space – Space debris animations. https://www.esa.int/esatv/Videos/2023/12/2023_ESA_s_year_in_space/Space_debris_animations
  4. Yun Zhao. (2024). ENVIRONMENTAL PROTECTION, SUSTAINABILITY AND THE PREVENTION OF SATELLITE COLLISIONS IN OUTER SPACE, Fordham Environmental Law Review, 35, 2, 1. https://ir.lawnet.fordham.edu/elr/vol35/iss2/1/
  5. Three Country Trusted Broker. https://www.threecountrytrustedbroker.com/
  6. Leitz, K.-H., Redlingshöfer, B., Reg, Y., Otto, A., & Schmidt, M. (2011). Metal ablation with short and ultrashort laser pulses. Physics Procedia, 12, 230–238. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2011.03.128
  7. Wen, Q., Yang, L.-W., Zhao, S.-H., Fang, Y.-W., Wang, Y., & Hou, R. (2018). Numerical Simulation of the Effects of  Removing Small-scale Space Debris  Using a Space-based Laser. Journ. of Laser Science, 1, 73–78.  https://www.oldcitypublishing.com/wp-content/uploads/2019/06/IJLSv1n1p73-88Wen.pdf
  8. Aslanov, V., & Yudintsev, V. (2013). Dynamics of large space debris removal using tethered space tug. Acta Astronautica, 91, 149–156. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013.05.020
  9. Baranov, A. A., & Grishko, D. A. (2024). Review of path planning in prospective multi-target active debris removal missions in low Earth orbits. Progress in Aerospace Sciences, 145, 100982. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2024.100982
  10. United Nations. Awareness-raising and capacity-building related to the implementation of the Guidelines for the Long-term Sustainability of Outer Space Activities.  https://spacesustainability.unoosa.org/

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