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，好奇心一直驅動著我們去探索太空。然而，也正因為如此，自 1957 年蘇聯成功將斯普特尼克 1 號送入太空以來，全球各個國家也開始向太空中發射各式各樣的人造衛星。

如今，地球近地軌道的人造衛星日益爆滿，產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明了 一種利用旋轉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，大多是固態火箭的燃燒殘渣、火箭發射后遺棄的多級火箭、以及廢棄的人造衛星。小到人造衛星的表面漆片，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（也被稱為碰撞級聯效應），這種效應認為， 當近地軌道運轉的物體密度達到一定程度時，這些物體在碰撞以后產生的碎片能夠形成更多的新的碰撞，形成級聯效應。

這種效應意味著，地球近地軌道會被太空垃圾所覆蓋，導致人造衛星失去能夠安全運行的軌道。最終結果是，在數百年后，無論是人造衛星的正常運行，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星的作業及宇航員的安全。

據美國國家航天局（NASA）稱，目前已經有超過 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）飛網捕獲系統設想：像用漁網捕魚一樣，將太空垃圾用飛網捕獲。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速過快或者失去控制，將會折斷機械臂，產生更多的碎片。

因此，Abbott 教授團隊發明的旋轉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點，采用旋轉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轉動。

Abbott 教授表示， “這種情況類似于當你旋轉你的咖啡杯時，咖啡也會跟著一圈一圈地轉。”

這個過程使得太空碎片變成了一個能通過感應渦流產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。

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，但研究人員發現，以協調的方式使用多個磁場源可以讓物體以六度運動，包括旋轉它們。

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。”

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星瘋狂旋轉，從而對衛星進行修復。

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，雖然目前已經證明使用標準位置和一次驅動一個偶極場源的簡化方法足以執行靈巧的操作，但它可能并不是最優的。

相對于旋轉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——根據現有計劃，最終可能會有高達4.2萬顆的星鏈衛星“游蕩”在 330-1300 公里范圍內的不同高度軌道上。

關于星鏈計劃的最初設想，馬斯克對外的說法是，通過以 6G 網絡和太空數據為載體，打造下一代衛星網，將全球人類帶入天基互聯網時代，并能運用在例如火星等環境上，在太陽系內部署通信基礎建設。

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，因為一旦數以萬計的星鏈衛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，也就是可能產生太空垃圾。因為數量如此多的星鏈衛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（Kuiper Systems） 和 OneWeb 的衛星群，都會有產生太空垃圾的可能。

那么問題來了，這項發表在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。”

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氪經授權發布。