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“最强生物”敲响警钟 在太空中也需要垃圾分类

来源:科技日报2019-09-19 09:30
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  近日,“地球微生物水熊虫可能定居月球”的报道引发了人们的高度关注。据报道,4个月前,以色列首个登月探测器“创世纪”号登月失败,撞向月球并在那片遥远而广袤的土地留下了原本用于实验的水熊虫样本。

  此前曾有学者指出,水熊虫是地球上最“难以毁灭”的物种,能在小行星撞击等所有可能的天文灾难中幸存下来。

  虽然多位专家在接受媒体采访时表示,月球上的这批水熊虫样本想要生长和繁殖基本不可能。但这仍给我们日益活跃的空间探测敲响了警钟——来自地球的垃圾可能要先人一步在月球“建立基地”了。

  事实上,不仅是月球,凡是卫星、探测器能够到达的地方,也将面临同样的风险。人们越来越重视地面垃圾的分类处理,那么太空垃圾怎样分类?又该怎么处理?

  一小块碎片就足以致命

  “传统意义上的太空垃圾就是空间碎片,也就是太空中无用人造物体,包括卫星、探测器、载人飞船、火箭末级的残骸等。”清华大学航天航空学院教授宝音告诉科技日报记者,空间碎片既可按照轨道高度分为低轨、中轨、高轨碎片,也可按照体积大小分类。由于相对速度极高,甚至能达到子弹速度的几倍、几十倍,它们的危害非常大。微米级颗粒的撞击就能导致卫星上的光学镜头损坏,毫米、厘米以上的碎片足以击穿航天器,造成致命破坏。

  “从广义上讲,微生物等人类航天活动带到太空中的其他污染物也可以算作太空垃圾。”宝音认为。

  记者了解到,无论是空间碎片还是微生物,都可能给人类探索太空带来不小的麻烦。据报道,目前人类可以监测到的太空范围内直径超过10厘米的碎片已经近两万个。作为人造航天器的典型代表,国际空间站自建成以来就一直在防范被碎片击中。仅在2014年3月至4月间,其至少进行了两次变轨规避碎片,以图“自保”。不过,防不胜防,2016年5月,国际空间站的舷窗仍然被撞出了一个直径7毫米的坑。

  而在2015年,美国国家航空航天局(NASA)发现国际空间站中广泛存在葡萄球菌、泛球菌、芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌等微生物。航天员长期在太空生活免疫力下降,多次出现呼吸道、皮肤、结膜等感染情况,而且病菌在空间环境中易发生突变,致病性、传染性可能上升。此外,微生物过多将在航天器电路板、仪表盘和宇航服上形成生物膜,腐蚀相关材料,严重威胁在轨运行安全,缩短航天器服役时间。

  在太空垃圾分类有心却无力

  美国空间碎片专家凯斯勒的研究结果显示,按照目前的增长速度估算,如不采取任何措施,仅仅数十年后,空间碎片数量将达到发生链式撞击效应的临界值,近地空间将充满高速运行的各种碎片,人类将永久失去进入太空、利用太空的机会,太空移民将成为一个永远无法完成的梦想。“因此,各国早就认识到了空间碎片的危害性,并且制定了一系列的太空准则,减缓碎片的产生速度。”宝音介绍。

  例如,2007年联合国和平利用外层空间委员会通过《空间碎片减缓准则》,提出了减少空间碎片产生、避免航天器分离解体,以及清除退役航天器等短期和长期措施。具体而言共有7条:从设计上限制航天器入轨后分离传感器罩等装置;避免航天器在运行阶段出现分裂解体事故;合理规划航天任务,采取规避等措施避免发射碰撞;避免在轨航天器故意自毁、有意分离解体等有害活动;减少航天器剩余能源,降低分离解体可能性;航天器应在任务结束后安全、受控离轨;特别限制航天器任务结束后对地球同步轨道的干扰。

  针对近年来微小卫星产业发展迅猛的情况,曾有业内专家建议,微小卫星最好携带推进模块,以便在其服役寿命结束之时操控离轨。宝音对此表示认同,建议应尽量减少没有推进设备的微小卫星发射。

  “除了减缓空间碎片产生,各国专家还针对性地提出了很多主动清理技术。”宝音介绍,比如通过机械臂抓捕、发射“渔网”网住、用“鱼叉”叉住等方式将碎片移出有用轨道,送入大气层或人类目前不会用到的轨道“墓地”;从地面发射激光、甚至向太空发射大型透镜聚集能量烧毁太空碎片;还有人设想可从空间站发射机器人,拆除废弃卫星、收集空间碎片,再飞回空间站将有用和无用的太空垃圾分开处理。

  但是,这些方法在实行时都要消耗燃料,难以清除数以万计的空间碎片。2016年,宝音课题组提出了一种碎片清理发动机概念,通过将捕获的碎片研磨为带电颗粒或者转化为等离子体喷出,为航天器的提供轨道机动的动力,去捕获下一个碎片,采用这种“以战养战”的方式使其不受燃料制约,大量清除空间碎片。该成果获得《麻省理工科技评论》报道并被誉为一种颠覆性方案。

  “不过,这些方法仍面临一些技术上的难题,尚没有进入工程实用阶段。”宝音说。

  保护宇宙就是保护地球

  相比空间碎片,科学家们对地球生物污染太空的关注要早得多。1957年苏联发射第一颗人造卫星后,1958年国际科学联合会理事会(ICSU)就发起成立了宇宙探测污染委员会(CETEX)和空间研究委员会(COSPAR)。CETEX提出需要保护地外生命体,COSPAR则下设“行星保护”分委会,研究怎样在开展深空探测时,避免地球和地外天体间出现交叉生物污染。1959年,联合国和平利用外层空间委员会(COPUOS)成立,之后推出《外层空间条约》,规定“对月球及其它天体的探索,应以避免其受到地球生物污染为前提”。

  1964年,COSPAR出版了最早的行星保护政策草案,要求各国探测器应采用灭菌技术,降低地外天体探测活动中地球生物污染探测目标的可能性。1984年,COSPAR将探测任务分为5类,规定了不同任务的行星保护要求。之后,NASA、欧洲空间局(ESA)以及日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)等都建立了自己的行星保护机制,严格执行国际标准。其中,1975年NASA发射的“海盗号”(Viking)火星探测器,用于行星保护的经费甚至占到探测器总研制经费的近25%。

  当然,行星保护的第一的目的是防止探测器从太空带回“神秘”微生物给地球生态系统造成难以估量的后果;第二目的才是避免地球的微生物污染地外天体。

  地球上的微生物无处不在,航天器在生产和测试过程中都可能沾染并最终带上太空。为此,NASA在探测器组装前会使用干热消毒法对各部件、分系统消毒,减少微生物数量。而在之后的装配、测试环节将继续实施严格的防控手段防止二次污染。比如在满足标准的洁净室或无菌装配间中组装并在生物屏蔽室中储存等。(于紫月)

[ 责编:张梦凡 ]
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