這個太空飛船比頭髮絲還薄,它的誕生只為與太空垃圾同歸於盡

2021-12-25 DeepTech深科技

地球四周的近地軌道充滿了各種各樣的太空垃圾，比如脫落的螺絲螺母，剝落的漆，失效的衛星，以及幾十年來太空任務所留下的各種殘留物。這些加起來超過 50 萬塊的太空垃圾正在以每小時 28000 公裡的速度環繞著近地軌道運行，威脅著近地衛星的安全。

去年，歐洲空間局的哨兵-1A 衛星就與一塊太空垃圾發生了撞擊。所幸這塊碎片體積不大，對哨兵-1A 的太陽能板造成的傷害不太嚴重。假若這塊碎片再大一點，就有可能擊碎整塊太陽能板。

更嚴重的是，隨著各國太空部門以及商業太空任務的進一步發展，近地軌道中的太空垃圾會越來越多，導致撞擊事件越來越頻繁。甚至會產生多米諾效應：由一次撞擊導致的殘骸造成多次撞擊，再由新的殘骸導致大規模的撞擊，直至整個近地軌道被撞得支離破碎。看過《地心引力》這部電影的朋友應該知道這會是個什麼樣子？

圖 | 電影《地心引力》中的撞擊場面

美國國家航空航天局（NASA）創新先進概念計劃（NIAC）項目主管 Jason Derleth 表示道：「假若這一天真正來到，它將廢掉近地軌道。而我們離那一天並沒有多遠了。」

在這一天到來之前必須解決掉這一大問題。今年春天，加州太空公司 The Aerospace Corporation 研發了一款極有潛力的「太空吸塵器」，並且獲得了NASA NIAC 項目 50 萬美元的研究經費。

這款叫做 Brane Craft 的「太空吸塵器」長約 1 米，比人類頭髮絲還薄。在工作時，它們會包裹住一塊太空垃圾，並把它拉進大氣，在地球表面 250 公裡左右的大氣層中燃燒，直至同歸於盡。

Derleth 表示：「你可以把它們想像為一大塊裝有推進器的保鮮膜，可以隨意彎曲移動。」他們希望這種輕便節能的太空探測器也可以擔任清理太空垃圾之外的任務，比如被發射到小行星，月球，以及其他行星上去。


為了設計出 Brane Craft，研究人員需要拋棄一切傳統飛船的觀念，因為它們不適合捕捉太空垃圾。「試圖抓住一個以那種速度飛行的東西是在太難了，」 Derleth 說道，「與一塊碎片對接意味著你需要完美對上它的軌道。」


若是使用傳統飛船，想要抓住速度比子彈還快的碎片，把它扔進大氣層，再重返軌道尋找下一塊碎片太浪費燃料了。而 Brane Craft 的概念則是把一個飛船的質量減至理論上的最低值。目前，發射一枚 5 公斤重的立方星大約需要 25 萬美元的費用，而 The Aerospace Corporation 的目標是把 Brane Craft 的重量降至只需要 5000 美元就能發射。


目前版本的 Brane Craft 大約只有一個香蕉那麼重，其薄膜展開有 0.28 平方米。這層柔性薄膜的厚度只有 10 微米（相比之下，人類頭髮的粗細大約為 180微米），並且塗有一層太陽能薄膜。其使用的液體推進劑存於兩層材料之間 15 至 20 微米的細縫中。


Brane Craft所 使用的推進器也與傳統飛船和火箭的推進器不同，是一種由電力驅動的電噴射推進器。由於它所需要的能量將會來自於太陽能，會非常省推進劑。此外，Brane Craft 還在其結構中融入了「肌肉」幫其彎曲。這種「肌肉」是一層嵌在兩層金屬板之間的聚合物。當這兩層金屬板通電時，它們之間電壓的區別會導致聚合物的彎曲。

由於其體積小，重量低，一次火箭發射就可以向太空中投入 50 枚 Brane Craft。在發射時，它們會像一摞盤子一樣疊在一起，但是當它們抵達國際太空站或其他低地軌道上的目標地點後，每枚 Brane Craft都 可以被發射往一塊碎片。目前，全球雷達站正在對近地軌道中超過 1.8 萬個物體進行追蹤，其中絕大部分都是垃圾。所以，Brane Craft 並不缺乏目標。

Brane Craft 可能需要花費 5 天的時間來接近目標，把它給包裹「吞噬」。在成功吞噬目標垃圾碎片後，Brane Craft 的推進器就可以向反方向施力，令 Brane Craft 和碎片逐漸降速。熟悉近地軌道運行的讀者應該知道，若軌道中的物體減速，它們就會慢慢的墜入地球的大氣層。所以，在進行減速大約 10 天之後，這枚太空碎片就會因為過於接近地球表面而被大氣摩擦燃燒掉了。而由於 Brane Craft 缺乏足夠的動力逃脫地球引力重返近地軌道，它也會一起被燃燒掉。不過我們不用可惜，其廉價的設計就是為了一次性使用的。


The Aerospace Corporation 的資深科學家 Siegfried Janson 表示，離 Brane Craft 大規模撲向太空垃圾那天還需要大約 10 年的開發。他的團隊計劃使用NASA 最新的一輪資金來繼續優化他們的設計，並開始測試超薄型電子電路。

他們所面臨的挑戰之一就是如何在太空輻射中保護他們的飛船。由於體積和重量的限制，Brane Craft 並不可能擁有任何的輻射保護層，這意味著所有電子元件都會赤裸裸的暴露在高能輻射下。因此，該團隊計劃使用納米碳管來製作可以在近地軌道最外層存活一個月的電子電路。


此外，一個如此薄的飛船的另外一大敵人就是微小碎片。近地軌道充滿了極為細小的隕石和碎片。對於傳統的火箭和飛船來說，來自這些外物的撞擊沒有任何危險，最嚴重的不過是在玻璃或太陽能板上造成劃痕。然而對於 Brane Craft 來說，它們很有可能穿透其薄膜主體。所以，Janson 的團隊必須把這層薄膜做的十分堅固。

雖然，我們還不能確認這種手段是不是最有效的。不過，Brane Craft 還有另外一種用途，它還可能作為一種新的長途探險飛船。由於它的能耗十分低，可以成功的從地球往返火星，或者從低地軌道多次往返月球。

此外，Brane Craft 還可以用來探索小行星，或者進行太空採礦。若是想要探測火星和木星之間行星帶中的小行星，所需的數千架傳統太空飛船從費用上來看是絕無可能的。然而建造數千枚 Brane Craft 不但（相對來說）花費不高，它們還可以輕鬆地飛向行星帶並帶回樣本。

「這些小型飛船甚至還可以幫助保護地球」，DJason Derleth表示道。我們可以生產出體積更大的版本，或者大量製造出成千上萬枚 Brane Craft，用來偏移飛向地球的隕石。Derleth 對 Brane Craft 的最終評語就是：「它們是一種前所未見的全新飛船。我希望人們可以用它們實現各種富有創意的想法。」

-End-

編輯：陳翔宇   校審：杜雪

參考：http://www.popsci.com/space-debris-clean-up-spacecraft#page-4 

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