【科技．未來】太空垃圾為患　是時候清垃圾了

太空垃圾（space junk）較正式的叫法是太空碎片（space debris）。人類凡走過必留下垃圾，1957年，蘇聯發射了首個進入地球軌道的人造衛星史普尼克1號（Sputnik 1），運送過程中脫落的火箭部件成為了首件太空垃圾。

自那時起，人類就在太空留下了各式各樣的物件殘骸。比較大和常見的，主要是火箭升空途中脫落的推進器、服役期滿而被棄置於太空的各種衛星，或殘餘燃料引起爆炸所產生的碎片。

軍事試驗是太空碎片另一來源。除1960至1970年代美國和蘇聯的反衛星武器（ASAT）殘骸以外，近年較嚴重的是2007年中國的反衛星軍事試驗，從地面發射導彈擊碎已退役的氣象衛星「風雲1C」。光是這次試驗造成的碎片，就令可追蹤的碎片數量增加了四分之一。另外較為瑣碎的主要是太空任務中遺失的各種設備和生活用品，例如手套、攝影機、發熱氈、垃圾袋、牙刷之類。

早期的太空計劃普遍覺得太空就是一個廣闊的天空，可以任意放我們想放的東西進去，而不會填滿它。

據歐洲太空總署統計，在過去約60年來超過5,200次的發射中，總共在太空遺留了約42,000件物件，長年累月碰撞成大大小小的碎片。現時約有50萬件直徑大於1厘米的物件可由美國太空監視網絡（SSN）監察，其中23,000件大於10厘米，但只有約1,200件是完好無缺，仍在運作當中，其餘都是太空垃圾。美國太空總署軌道碎片首席科學家Jer Chyi Liou補充：「此外，還有數以千萬計的微小碎片，都無法由SSN追蹤，但它們仍然足以對承載人類的太空船和機械任務造成威脅。」

比子彈更快　比炸藥更痛

太空垃圾對我們有何威脅？要確保衛星運作得宜，就像要保持「馬路」暢通無阻，避免碰撞。一般位於離地約較低地球軌道的物件，會逐漸離開軌道墜向地球。過程中絕大部分衛星都會在大氣中燒毀，但不是每次都能燃燒殆盡，過往便發生過多次太空垃圾墜落地面的事故，甚至有人被擊中。（詳見圖輯說明）

在相對較高軌道上的衛星，則可能需要更長時間才能回到地球。一般而言，它們會被送進「墳場軌道」（graveyard orbit） —— 一條剛剛高於地球同步軌道（GEO）約300多公里的軌道，就像汽車無油或失靈，臨時停到馬路一旁的避車處。但這種方式終究只是權宜之計，沒有真正減少太空上的垃圾，留下碰撞風險。

若我們不改變在太空上的操作，太空垃圾將會以指數上升，直到所有碎片撞擊成一團包圍着地球的碎片雲，摧毀任何試圖發射到 雲團範圍的太空船。

現時共有7,600公噸太空垃圾，約相當於本港兩日的垃圾量。貌似微不足道，然而它們不會靜止安躺於「堆填區」，而是受地球引力作用，以軌道速度圍繞地球運行。即使是最細小的碎片，威力或許遠超一般人的想像。

Jer Chyi Liou說：「毫米級別的軌道碎片帶來的穿透風險最大，因為它會對近地軌道上的大多數太空船產生很高速的衝擊。」這些碎片最快可達時速48,000公里，比子彈還要快逾10倍。按前美國太空總署高級科學家培根（Jack Bacon）估計，一個10厘米直徑的鋁球太空垃圾撞擊力量，相當於引爆七公斤黃色炸藥（TNT）：「它會令任何東西變成碎片。」

因此，太空站需要不時調整位置，以避免像電影《引力邊緣》（Gravity）般被太空垃圾撞擊。去年美國太空總署就參與了21次相關閃避。近年國際太空站（ISS）亦數度發出太空垃圾的警戒，命令站內太空人躲至俄羅斯「聯合號」（Soyuz）太空船逃生艙，隨時準備撤離。

凱斯勒認為太空碎片的問題之所以令人擔心，在於這些現存的太空垃圾會繼續碰撞，繼而引發「級聯效應」（Cascading Effect），造成更多碰撞和碎片。他在1978年提出被稱為凱斯勒症候群（Kessler Syndrome）的預測，換言之，即使我們從此不再發射任何新的物件到太空，若不主動清理太空垃圾，污染問題將持續惡化。

衛星互聯網競賽或加劇污染

此外，人類對太空探索的興趣有增無減，從美國和蘇聯兩超級大國於冷戰時的太空競賽，到較近年一些發展中國家如中國及印度，皆有能力製作火箭升空。國家以外亦有私人企業的崛起，諸如SpaceX的獵鷹系列火箭。最近更在展開衛星星座（constellation of satellites）競賽。其中SpaceX剛於上月底獲美國聯邦通訊委員會（FCC）通過其衛星互聯網計劃Starlink。

傳統衛星互聯網由地球同步軌道衛星提供，速度慢，延時又昂貴。Starlink於是另闢蹊徑，在低地球軌道發射成千上萬的小型通訊衛星，不但大大改善原有缺點，近乎零死角包圍地球的網絡，也彌補了現時大量光纖無法或沒到達的地方，從窮鄉僻壤到沙漠、高山、海洋甚至極地。聯合國教科文組織（UNESCO）前年統計，現時全球57%人口因各種理由無法上網。因此Starlink預期到2025年將會有4,000萬用戶，帶來300億美元收入，難怪吸引眾多科技巨頭紛紛部署。

Starlink的主要對手OneWeb獲得空中巴士（Airbus）、維珍集團、軟銀（Softbank）等支持，波音公司、三星集團等也已制定了衛星星座計劃。然而，Starlink的第一階段要發射逾4,400枚衛星，是太空軌道現存衛星總數的三倍，按計劃到2024年共發射近12,000枚衛星；OneWeb、波音、三星等計劃也要發射逾2,000至4,000枚衛星不等，將會令太空軌道更為擁擠，有可能令太空垃圾問題惡化。

國際間協作成疑　現時僅靠自律

現時來自美國、俄羅斯和中國的太空垃圾各佔總數約三分之一，剩餘少數來自其他國家。要解決問題必須國際間、特別是幾個太空大國合作，但過程毫不容易。

本年初，中國空軍工程大學研究隊伍建議在太空建立裝置，使用激光處理太空垃圾，研究刊載於《Optik》期刊，希望以激光射向太空垃圾，令它偏離軌道，或返回地球過程中燒毀。不過，激光的想法只是老調重彈，美國太空總署早於1990年代研究在地面向太空射出激光處理垃圾；日本理化研究所（RIKEN）的團隊也提出過在太空使用激光的想法。

這項技術最終能否落實，可能更多取決於政治原因而非科學理論。俄羅斯科學院的高能量激光專家阿波羅諾夫（Victor Apollonov）便向科技媒體《Gizmodo》解釋：「這可以用於軍事，因此值得懷疑。我認為第一步應該是全球規模的討論，是否樂意把激光技術帶到太空。」美國戰略司令部指揮官海頓（John Hyten）去年3月亦指，中俄正積極發展太空武器，包括激光武器。

現時一些太空垃圾相關的國際機構都提出了改善建議。聯合國和機構間太空碎片協調委員會（IADC）分別通過了各自的《太空碎片減緩準則》，內容大致是避免太空物體在軌道上裂解、限制運作中的太空物體分裂出太空垃圾，及移除已報廢的太空物體。這些準則建議現正計劃或未來發射的太空物體，需要在設計上考慮到這些元素；其他具體建議如報廢後的太空物體需在25年內移除、要求太空發射機構有完善的移除和減緩垃圾計劃等。可是，這些建議都是針對在未來減少太空垃圾，對主動清理現存的太空垃圾這方面沒有多大作用。

更重要的是，這些國際間的原則都屬自願性質，不具任何強制性約束力。根據《外太空條約》（Outer Space Treaty），太空物件歸發射國擁有，其他國家在未得發射登記國同意下，無法擅自改變太空物件的軌道，遑論將其當成太空垃圾移除。更何況，微小的太空碎片垃圾到底是否每塊都可辯識出製造國，以追究賠償責任，也成疑問。

我們有嚴格的指引，但很少是有法律效力或可以執行。

缺乏誘因　技術效率成疑

有沒有足夠誘因也是另一問題。現時各種清理太空的技術效率成疑，預計5月底展開的RemoveDEBRIS試驗，由英國索立太空中心（Surrey Space Centre）統籌，獲歐盟及來自英、法、德、瑞士等國的公司提供資金及技術。試驗將會先在太空放出方形衛星（CubeSat）人造垃圾，然後測試四種處理太空垃圾的方法，包括一項攝影機與光學雷達（LiDaR）的追蹤技術、太空魚叉、捕網以及太空船帆（詳見以下影片），預計年尾會完成相關試驗。不過，現階段試驗只屬概念驗證（proof of concept）。劉易斯對試驗甚為保留：「我不認為這些方法在商業上合乎成本效益，而且這些技術在現時的情況，偏向不可行。」

另一方面，各國太空計劃的財政預算各異，也可能影響清理太空垃圾的意願。台灣國家太空中心副主任余憲政向《中央社》解釋，只要在衛星的電力、燃料用盡之前，用遙控方式讓衛星自行墜毀地面，便能避免成為太空垃圾。不過要確保成功墜毀，就意味着要縮短衛星的服役年限和提前汰換，考慮到經費未必會使用這種自毀機制。

近年到月球和火星旅行甚至移居的想法不絕於耳。不論地球內還是外的垃圾，我們都無法逃避。若不願意負上可持續地使用資源的責任，人類到何處都終究自取滅亡。

上文節錄自第109期《香港01》周報（2018年4月30日）《誰來當太空清道夫》。

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