據歐洲航天局 (ESA) 稱，截至 2023 年底，已有超過 10,500 顆衛星繞地球運行。在這些航天器中，目前有 8,600 艘正在服役。然而，這個數字仍在不斷增長，專家們擔心在短短幾年內維持太空秩序可能變得幾乎不可能。這種情況可能會導致近地軌道區域無法使用，為了我們依賴衛星的文明。幸運的是，工程師們已經在開發技術來防止混亂破壞軌道環境。
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太空中發生了什麼？
2010 年，圍繞地球運行的衛星只有大約 1,000 顆。根據現有預測，到 2030 年，可能有 10 萬或更多。這種急劇上升主要是由於 SpaceX 等互聯網巨型星座的發展。。這些系統的運營商計劃在未來十年內發射數万顆衛星，這讓太空可持續性研究人員非常頭疼。
空間雖大，路徑卻在相似的軌道上運行時有時會相交，這會產生碰撞的風險。由於地球軌道上的物體以每小時近 30,000 公里（18,000 英里）的令人難以置信的速度運行，這些軌道撞擊確實產生了真正的衝擊力。兩顆衛星正面相撞會產生數千個空間碎片，這些碎片可能會在近地空間中造成數十年的混亂。
每當衛星運營商的航天器與另一顆衛星或太空垃圾發生碰撞時，衛星運營商就會收到美國太空監視網絡的警告。太空中的衛星越多，操作員收到的警告就越多，他們就越需要頻繁地移動飛船以避開彼此的干擾。
例如，在2022年12月1日至2023年5月31日期間，當時在軌的所有星鏈衛星總共必須進行超過25,000次避碰機動。據介紹，由於 SpaceX 繼續發射越來越多的衛星，這一數字將在 5 月 31 日至 12 月 1 日的六個月內翻一番。休·劉易斯南安普頓大學宇航學教授。很快，太空交通將像大都市環路一樣繁忙，需要適當的治安管理。
我們如何跟踪太空中的事物？
保持太空安全需要了解軌道物體的位置。大多數運行衛星都配備了 GPS 跟踪器，可以非常準確地發出其位置信號。但太空碎片——報廢的航天器、廢火箭級以及過去爆炸和碰撞產生的碎片——只能用地球上的雷達和望遠鏡來追踪。監視太空交通的工作歷來由美國太空監視網絡負責，該網絡是美國太空部隊運營的地面雷達系統。
近年來，私營企業，例如美國的利奧實驗室，已經推出了自己的雷達網絡，旨在為衛星運營商提供更好的信息。
然而，大多數現有的碎片跟踪雷達只能可靠地跟踪大於 10 厘米（4 英寸）的物體。據統計，目前此類物體約有 36,500 個歐空局。但這些物體僅代表近地空間雜波的一小部分。研究人員估計，大約有 100 萬個尺寸在 1 到 10 厘米（0.4 到 4 英寸）之間的碎片，以及 1.3 億個小於 1 厘米的碎片，完全失控地圍繞地球飛馳。
即使是這樣小的物體也可能造成嚴重損壞。 2016年，一塊子彈大小的太空碎片打一個 40 厘米寬（16 英寸）的孔進入歐洲地球觀測衛星 Sentinel-1 的太陽能電池板。該航天器倖存下來並至今仍在對我們的星球進行成像，但歐空局當時表示，如果垃圾擊中了 Sentinel-1 的主體，這次任務可能就沒有那麼幸運了。
國際空間站的一扇窗戶被直徑不超過幾微米。
圖片來源：NASA/ESA
新的軌道碎片傳感器可以跟上小東西
比利時初創公司 Arcsec 開發的一項新技術有望提高我們對危險太空子彈下落的了解，例如擊中 Sentinel-1 的子彈。 Arcsec 將直接從太空中尋找垃圾，而不是從地球上尋找這些微小的太空碎片。好消息是，Arcsec 的新型空間碎片探測器利用了安裝在現有衛星上的設備（即星體追踪器），這意味著將新傳感器送入太空幾乎不需要任何成本。
衛星使用星跟踪器來確定其相對於視野中關鍵恆星的位置和傾斜度。但其他衛星、太空碎片和隕石也穿過這個視野。 Arcsec 在一份電子郵件聲明中表示，Arcsec 開發的新軟件將利用這些目擊事件來計算這些物體的軌道。空間態勢數據的提供者將能夠使用這些測量結果來計算這些物體對運行中的航天器造成的風險。
Arcsec 表示，他們的碎片追踪器將能夠可靠地發現小至 3 厘米（1.1 英寸）的碎片。空間碎片跟踪軟件可以遠程上傳到裝有 Arcsec 早期恆星跟踪設備的現有衛星上。很快，太空中就會出現一整支太空垃圾監測艦隊，事情可能會變得更安全一些。如果一切順利，太空子彈將不再讓衛星措手不及。
地面新技術正在迎頭趕上
LeoLabs 在一封電子郵件中告訴 IFLScience，地面探測器在發現較小的太空垃圾方面也越來越出色。雷達系統檢測較小碎片的能力取決於雷達發射信號的頻率。大多數碎片探測雷達使用所謂的超高頻 (UHF)，它發射波長為 0.1 至 1 米（0.3 至 3.2 英尺）長度的無線電波。但這些雷達不擅長發現小碎片。 LeoLabs 表示，波長較短、頻率較高的雷達（例如使用所謂的 S 波段的雷達）要好得多。然而，較短的無線電波在太空中傳播的效率不如較長的無線電波，並且難以到達更高的軌道。
現在正在開發超靈敏光學相機，它可以看到更小的太空垃圾，並比 S 波段雷達更高地探測到它們。英國太空態勢感知公司雷神諾斯公司告訴 IFLScience，光學相機比雷達更便宜，並且在跟踪更遠的物體方面更有效。
該公司最近開發了一種名為 LOCI（低地球軌道光學相機安裝）的新型碎片跟踪相機，它不斷掃描天空並跟踪穿過其視野的物體。通過檢測和分析物體如何反射光，研究人員可以獲得有關其狀態的大量附加信息。與雷達不同，LOCI 相機可以同時跟踪多個物體。
我有政策
保持太空安全的老式方法是由分析師團隊評估從美國太空監視網絡收到的聯合警告，以決定是否有必要進行避碰機動。
但碰撞警報的數量隨著在軌衛星數量的增加而不斷增加，公司開始努力保持領先地位。他們正在尋找能夠更快、更高效地處理可用數據並做出更明智決策的自動化解決方案。
SpaceX 的 Starlink 是該領域的先驅，儘管人們對該公司所依賴的自主衛星防撞系統知之甚少。
在一個更新SpaceX 在 2022 年 2 月的運行博客中寫道，其衛星使用的機載防撞系統結合了來自美國太空監視網絡和其他太空態勢感知數據提供商的數據，評估風險，並在必要時允許衛星自主“躲避”以避免碰撞。
專家認為，將軌道交通的管理委託給人工智能和機器學習是未來維持軌道秩序的唯一途徑。
葡萄牙初創企業神經空間正在開發人工智能驅動的太空態勢感知系統的公司在一封電子郵件中告訴 IFLScience，“目前依賴手動流程、傳統技術和傳感器的解決方案無法應對[預期] 15 倍的太空資產增長。”換句話說，太空中很快就會有太多的衛星和太多的碎片監測傳感器，為人類提供太多的數據來可靠地篩選。
該公司相信，諸如 Neuraspace 開發的人工智能算法將幫助衛星運營商以提高一百倍的效率做出決策，並將評估碰撞警報所需的人員數量減少 80%。
Neuraspace 寫道：“它節省了分析和計算的時間和精力，並以基於準確計算和分析的操作建議的形式提供了可靠的解決方案。”
空間清理
但還需要採取更多措施來防止軌道環境失控。雖然活躍的衛星可以相互避開，但空間碎片卻不能。
今年1月27日，LeoLabs於 X 公佈，以前稱為Twitter，稱兩塊相當巨大的太空碎片——一個有幾十年曆史的俄羅斯火箭級和一顆同樣古老的報廢俄羅斯衛星——在距地球984公里（611英里）的地方幾乎相撞。 LeoLabs 估計，這兩個物體僅相距約 6 米（20 英尺）。正面碰撞會產生數千個太空碎片。
出於這個原因，航天機構和商業公司都在開發新型航天器，可以充當軌道航天器收藏家。 2026年，歐空局計劃啟動一項名為“清除空間-1，它將嘗試捕獲一個 112 公斤（247 磅）重的火箭適配器並將其拖入大氣層，在那裡垃圾將被燃燒。
無獨有偶，美國太空監視網絡最近發現ClearSpace-1 任務的目標掉落的小碎片表明它可能被一小塊太空垃圾擊中。這一事件凸顯了軌道環境的不穩定程度。
總部位於日本的 Astroscale 也在積極開展碎片清除任務，包括科斯米克（通過創新捕獲清潔外層空間任務）項目，該項目將嘗試在 2026 年移除兩顆廢棄的英國製造的小型衛星。
歐空局的估計每年需要清除5至10個大型空間碎片物體，以防止空間碎片數量失控。但目前我們只做加法，不做減法。
