


在拥有汽车变得普遍之前,道路和高速公路(当时存在的少数几条)从未拥挤过。直到每个人都开始购买并驾驶自己的汽车——无论是去上班、上学,甚至是去街角杂货店——街道才变得拥挤,高峰时段成为日常,交通事故也变得不可避免。
尽管太空浩瀚无垠,但它可能走上类似的轨迹。许多科学家表示,随着越来越多的飞行器被送入轨道甚至更远的地方,我们可能会面临危险的碰撞。洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个小组正试图通过一种在汽车上无处不在,但在太空飞行器上却不存在的东西来解决这个问题:车牌。
我们不太可能在宇宙空间中制造出足够多的飞行器而造成太空交通堵塞,迫使卫星在特定时间减速或在各自的星际车道上行驶。但太空,在其低重力甚至零重力的荣耀中,带来了它自身的挑战。
我们送往宇宙的大部分卫星和其他精密的物体都停留在近地轨道(LEO),距离地球表面约 400 到 1000 英里。这个距离足够远,可以摆脱地球的引力,但又不太远;这个甜蜜点可以让物体几乎无限地绕轨道运行,而不需要太多帮助。
但过去 60 年来,科学家们一直利用这个黄金停车位,所以碎片开始堆积。更多的太空垃圾也正在赶来。截至 2015 年,已有 1300 多颗活跃卫星绕地球运行。这还不包括那些不活跃的卫星,以及旧火箭和其他永久停留在近地轨道的报废太空垃圾。随着立方星(CubeSats)的出现,这种数量很可能会呈指数级增长。立方星是微型航天器,可以一次性发送数百颗到太空,还有各种计划在近地轨道安装提供互联网的卫星的公司。真是太空拥堵。

但难道那些东西不会像一场巨大的碰碰车游戏一样在那里四处漂浮吗?洛斯阿拉莫斯的天体物理学家大卫·帕尔默解释说,远非如此。他说,尽管只发生过两次真正意义上的重大太空碰撞,但一次碰撞就足以引发灾难。
“问题是,一旦发生一次碰撞,就会产生大量碎片,这些碎片会进一步碰撞。最终会发生所谓的凯斯勒效应,”他说。每一次新的碰撞都会导致碎片不断堆积,从而引发更多的碰撞。如果这种情况开始经常发生,可能会有如此多的太空垃圾堆积,以至于 太空 本身变得不安全。
“我们正接近那个临界点,如果我们再持续一段时间,我们将越过那个边缘,”他说。“一旦开始发生,它可能会持续一二十年,直到近地轨道上出现过多的碎片。”届时,碰撞(以及随之而来的凯斯勒效应)的几率将变得如此之高,以至于将另一颗卫星送入近地轨道的益处将不再大于风险。
最大的问题在于卫星退役。在使用期间,几乎所有卫星都装有 GPS 设备,科学家们可以通过无线电信号找到它们。但一旦卫星报废,无线电波也随之失效。太空垃圾就这样在没有监控的情况下,在轨道上永久运行。如果一颗活跃的卫星似乎要与其中一个相撞,其所有者可以躲避。但一旦达到一个点,太空垃圾只是在与其他太空垃圾碰撞,研究人员就无法在未经所有者许可的情况下移动其中任何一个物体。要知道它属于谁,你首先需要知道它是什么。“即使是 30 年前的太空垃圾,你也需要得到卫星所有者的许可,”帕尔默说。帕尔默认为,必须有另一种方法——一种万无一失的识别系统。
他过去对脉冲星的研究给了他一个想法。脉冲星是巨大的太空天体,它们会旋转并向相反方向发射光束。随着它们的旋转,它们的光束似乎会闪烁,而像帕尔默这样的科学家花费了大量精力来研究这种闪烁。
“我把这两件事结合起来,想如果我能创造一个产生周期性信号的卫星,”帕尔默说,“那么通过读取这个信号,我们就可以创建一个准确的识别系统。
于是,帕尔默和他的团队开发了一种超低功耗的微型设备,它以激光的形式发射独特的闪烁模式。他们称之为“极低资源光学识别器”(ELROI),或者更通俗地说,太空车牌。

这些设备大约是一平方英寸大小,将安装在任何飞往太空的卫星顶部。使用激光二极管(许多日常激光器都由它制成),该设备将发出非常短的红色激光脉冲。这些闪光将非常明亮(从仅消耗一瓦总功率的设备发出,亮度相当于一个 60 瓦的灯泡),并将连续闪烁一系列特定的脉冲,持续时间不超过百万分之一秒。然后它会关闭一千分之一秒——这是它亮起时间的千倍。地球上的望远镜可以捕捉到这一系列闪光,并通过计算机程序的帮助,解读出它是来自哪颗特定的卫星。
帕尔默解释说,尽管卫星距离地面数百英里,但信息仍然清晰可见。光来自激光,是红色光的精确波长。望远镜中的滤光片会阻止所有其他波长的光,只让这种颜色通过。闪烁对应于一个二进制(由数百个 1 和 0 组成)的序列号。每颗卫星,就像汽车一样,都有自己的序列号。该代码告诉识别器三件事:卫星的类型、所有者的身份以及其轨道路径。
帕尔默说,目标是让这些设备安装在卫星上,并至少保持 25 年的电力供应,如果不是无限的话。该设备在使用其电池寿命的很大一部分时,在闪烁的短暂瞬间耗电,但随后花费千倍的时间使用太阳能充电。帕尔默说,它可以反复执行此操作,大约 25 年。帕尔默认为,即使电池耗尽,该设备也能无限期地通过其太阳能电池运行,但无法确定。
他们的下一个目标是实际测试原型。他们计划与新墨西哥理工大学的一个团队合作,该团队将于今年一月将一颗立方星送往太空。帕尔默说,立方星是测试该设备的理想载体:它们是微小的、边长为 10 厘米的立方体卫星,可以成批送入近地轨道,执行小型实验。
尽管原型已准备好进行试飞,但帕尔默说,研究人员仍在调整设计。ELROI 目前约四平方英寸,厚一英寸。未来,团队希望将其缩小到邮票大小,并使用材料使其总成本低于 1000 美元。他说,这样,即使是高中科学班也可以负担得起将其发送到近地轨道。立方星成本低廉(建造一颗可能只需 10,000 美元;将其发射到太空则需要数万美元),这意味着小型私营公司、大学生甚至高中生都可以使用它们。帕尔默说,如果车牌价格再高,“那得卖多少块生日蛋糕才能负担得起。”
随着载有车牌的立方星在太空中飞行,研究人员将尝试通过将望远镜对准它们并翻译二进制代码来识别这些微型航天器。如果一切按计划进行,目标是将其测试到更大的卫星上,最终目标是将其安装到每一颗进入太空的卫星上。
帕尔默承认 ELROI 并不是完美的解决方案。如果两颗卫星确实相撞,你仍然需要在将其从轨道移除之前,请求被遗弃的太空垃圾所有者的许可。如果时间不够追踪到这个人,知道他们是谁可能也无法帮助你避免灾难。但确定老旧太空垃圾的所有者确实是一个好的开始。也许不久之后,近地轨道将看起来更像一条繁忙的高速公路,而不是一个广阔无垠的实体。然后人们可能会怀念,在卫星需要激光车牌之前,那条开放的道路该有多么畅通。