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創辦人談衛星 9/我們只有一個太空

圖/pixabay
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本文共2063字

作者 李中旺

全球瘋衛星

近年來,為了滿足日益增長的太空通訊和觀測需求,加上發射與製造衛星的成本大幅降低,衛星不再是發達國家的專屬設備。世界各國的太空船與衛星蜂擁而至的進入地球軌道,尤其以近地 (LEO,低於2千公里)軌道更為擁擠。

從1957 年至 2012 年間,每年發射的衛星數量大約在150顆左右,沒有顯著的變化。然而,在過去十年中,每年發射的衛星數量就如雨後春筍般增長,去(2023)年就超過了2,000 顆。圖一顯示這5年來太空中新發射的衛星數量。

圖一:近5年來新發射衛星的數目趨勢圖。2023年全球發射了2,664顆衛星,其中...
圖一:近5年來新發射衛星的數目趨勢圖。2023年全球發射了2,664顆衛星,其中美國占2,166顆。 取材自Our World in Data

總計從1957年衛星時代開始,截至2023年12月6日為止,這68年來,

.人類發射火箭次數共約6,500次,

.送入地球軌道的衛星數量約16,990顆,

.仍在太空中的衛星數量約11,500顆,其中還在運作的衛星約有9,000顆。

密集的太空碎片造成危害

人類的這些太空活動,有意或無意地造成的巨量的太空碎片(Debris),地球軌道上所有太空碎片:

.總質量超過11,500噸,

.人類監管登錄,並定期追蹤中的碎片體數量約有35,150個,

.所有在軌碎片物體數量大於10公分的有36,500個,

.介於1公分與10公分的有1,000,000 個,

.介於0.1公分與1公分的有1.3億個。

大部分碎片在地表2,000公里的範圍內活動,最集中的高度在500至1,500公里之間。下圖二顯示了不同高度的碎片密度。

圖二:不同高度的碎片密度。大部分的碎片集中在500公里到1500公里的高度。 取...
圖二:不同高度的碎片密度。大部分的碎片集中在500公里到1500公里的高度。 取材自ESA Space Debris Office. Esa’s annual space environment report, 2023。ESA是歐洲太空總署(ESA:The European Space Agency)

大多數的碎片不會靜止在太空裡,而是以每秒數公里的速度高速飛行。一旦碰撞到了火箭或衛星,就會造成毀滅性的災難。

取決於其高度,碎片在太空中停留的時間從幾個月、幾個世紀、到幾千年不等。每年大約有200到400個較大的物體重新進入地球大氣層焚燒。其中有只有不到100個物體大到無法在大氣層中燒盡,最後墜落到地表。圖三顯示碎片高度與滯空時間。

圖三:太空碎片高度與滯空時間(作者翻譯與重繪,沒有依照實際的比例) 取材自ULA
圖三:太空碎片高度與滯空時間(作者翻譯與重繪,沒有依照實際的比例) 取材自ULA

不同的因素會導致衛星在軌道中衰變,並產生新的太空碎片。這些因素包括衛星本身故障、推進器氣體耗盡、火箭拋出廢棄物、大氣阻力、萬有引力的變化、太陽的光壓、甚至太空中的「天氣」等等。

令人悲觀的是:讓太空碎片自然墜落或焚毀所需要的時間太長,而既有的衛星崩解成新碎片的速度又太快,這就導致了碎片數量仍然快速的增加。

低軌衛星的壽命通常是5年,而同步衛星的壽命通常長達15年。2022年末,美國聯邦通訊委員會(FCC)規定新措施,讓衛星在任務完成後,將星體離軌的期限從25年縮短至5年,以減緩距2,000公里高度太空中不斷增加的碎片。

即使現在煞車也來不及了,災難性的太空碰撞必將發生?

美國太空科學家唐納德、凱斯勒(Donald J. Kessler)在1978年提出了「凱斯勒症候群(Kessler Syndrome)」的理論。他認為:當近地軌道碎片的密度達到一定程度時,將造成這些物體相互碰撞。而碰撞後產生的碎片將再度產生更多的撞擊,形成骨牌效應。一旦近地軌道充斥著危險的太空碎片,在之後的數十或數百年內,天空變成無法通行的廢墟場,人造衛星和太空探索就難以持續下去。

圖四顯示:ESA的推斷,即使人類從2023年開始煞車,停止發送衛星到太空,到2050年的時候,仍有60個可能的太空災難性的碰撞。而今人類持續發射衛星,2050年的時候就會有80個災難性碰撞。

如果ESA的推斷正確,人類又放任衛星增加,沒有積極的作為,災難性的太空碰撞就很難避免。


壽終不正寢,產業界努力的降低碎片

高軌同步衛星(GEO)可以在壽命終了之前,利用最後一口氣,向上拉高300公里到達墓園軌道,在那裡永遠安息。在低軌運作的星體,命終之前沒有力氣爬到墓園軌道的高度,就只能將自己向下拉到大氣層,期望墜落地面之前燒盡星體,才不至于留下禍害。

舉例來說,獵鷹9號第二節火箭會在執行任務後逆行燃燒降速,以便進入大氣層焚燒。星鏈的衛星也會在壽命結束前,啟動其離子推進器來降低軌道,讓它盡快進入大氣層焚燒。

清掃碎片,人類的一大步。

儘管採取了這些負責的緩解措施,近地軌道上仍然佈滿了數十萬塊碎片,像不定時炸彈一樣威脅著衛星和火箭。總部位於日本的Astroscale公司,2024年2月19日在紐西蘭發射了ADRAS-J衛星,它是人類試圖主動清除太空碎片的第一顆衛星。

ADRAS-J第一階段任務是完成清理碎片關鍵技術的驗證。這些技術包含了衛星靠近太空碎片、相對位置的保持、視覺導航與拍照等等。

ADRAS-J會接近並圍繞一個日本廢棄的H-IIA入軌段(Upper-Stage)火箭。H-IIA是一塊沒有通訊能力、漂流在600公里軌道上,直徑4公尺、長度11公尺的大型太空碎片。圖五是兩個星體接近的示意圖。

圖五:「ADRAS-J清掃碎片太空船」與「廢棄的H-IIA入軌段火箭」接近示意圖...
圖五:「ADRAS-J清掃碎片太空船」與「廢棄的H-IIA入軌段火箭」接近示意圖。 取材自Astroscale網站。

ADRAS-J在進行數個月的觀測與分析後,如果一切順利,預定會在 2026 年執行進入第二階段任務,也就是實際嘗試移除軌道上的大型太空垃圾。

十面埋伏

圖六是NASA對太空碎片分布的示意圖。太空中充滿了衛星,但太空中埋伏著更多難以控制的高速碎片,令人怵目驚心。

圖六:NASA對太空碎片分布的示意圖。 取材自NASA網頁
圖六:NASA對太空碎片分布的示意圖。 取材自NASA網頁

儘管焚燒對大氣層產生的影響還不清楚,儘管現在才開始清理碎片已經為時已晚,但人類總算為保護太空跨出了第一步。

我們只有一個地球,我們當然也只有一個太空。

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友訊科技共同創辦人、明泰科技創辦人,現任職於創威訊科技

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