Riede 先生，近地軌道上的問題到底有多嚴重？
Riede：目前大約相當於一座半艾菲爾鐵塔的體量。 大約有 13,000 噸無法機動的太空垃圾持續圍繞地球運行。隨著軌道中人造衛星基礎設施越來越多、越來越密集，我們預計到 2030 年——也就是僅僅五年內，軌道上的太空垃圾與人造衛星的總質量將翻倍， 甚至可能增加到原來的三倍！
太空垃圾到底是些什麼？
Riede：從沙粒大小到龐然大物，應有盡有：其中包括大約 50 個大型物體，例如在過去 68 年航太發射史中被拋棄的火箭級，以及歐洲太空總署的巨型地球觀測人造衛星 Envisat——它在 2012 年突然失聯。 此外還有大量損壞的小型人造衛星。再加上我們可從地球追蹤到的約 40,000 個直徑超過十公分的小碎片。除此之外，還有數以百萬計更小的碎片，我們大多數時候甚至不知道它們在哪裡。
火箭級和損壞的人造衛星還說得通， 但這些小碎片從何而來？
Riede：產生的原因既有非受控碰撞，也有人為製造的碰撞：其中很多來自所謂的反人造衛星試驗。 在冷戰時期，美國和蘇聯都試圖向對方證明，他們能夠用飛彈擊毀對方的人造衛星。直到今天這種事情也仍在發生。2007 年，中國大陸擊毀了一顆自己的人造衛星；2021 年，俄羅斯也採取了此類行動。這兩次爆炸都在近地軌道上都留下了巨大的碎片雲。
不過，近地軌道空間不是很大嗎？
Riede：空間確實大，但問題在於這些碎片都在高速運動，它們圍繞地球飛行的速度高達每小時 28,000 公里。簡單換算一下：這相當於每秒將近八公里！ 而且每顆碎片都有自己的飛行軌道，但它們並不是像土星環那樣整齊同步，而是雜亂無章地交錯飛行。此外，這些碎片還會旋轉，從而導致自身的軌道不斷微調。正因於此，國際太空站 ISS 或眾多仍在工作的人造衛星，隨時都可能與某個垃圾碎片進入碰撞軌跡。一旦發生碰撞，就會釋放出極其巨大的能量，而這種能量在我們的地面上幾乎無法複現。雷射技術人員能夠理解這些數值的分量：一個直徑僅為一毫米的微小顆粒，如果在軌道中發生碰撞，每平方毫米就會釋放約 70 焦耳的能量——這是一個極其驚人的數值！簡而言之：被擊中的人造衛星要麼被擊穿，要麼就當場徹底解體。數以百萬歐元計的資產將瞬間化為烏有，而我們在地球上依賴的基礎設施也會因此受損。這便是癥結所在。
情景：一塊軌道碎片進入即將與某顆人造衛星相撞的軌道，可能對其造成損壞甚至將其摧毀。此時地球的十座地面雷射站依次對該垃圾碎片進行雷射照射，使其飛行軌跡偏轉，從而使人造衛星免遭碰撞。
唉，那該怎麼辦呢？
Riede：有兩種辦法。第一，在我們能夠預見碰撞的情況下，人造衛星必須進行規避。 國際太空站 ISS 正是這樣做的。但 ISS 可以補充燃料，而人造衛星不行。人造衛星可執行的規避機動次數是有限的，而每一次機動都會縮短其整體使用壽命，也就意味著真金白銀的成本。 第二，還有一些「清理太空」的任務：利用機械臂抓取中等尺寸的碎片，並將其拋入大氣層，使其在那裡燒毀殆盡。這種方式成本高昂，而且對絕大多數碎片來說根本不現實。所以你看，這兩種方法都只是權宜之計。我們真正需要的是一個根本性的解決方案！
那您已經找到這個解決方案了嗎？
Riede：我認為是的。雷射動量轉移——我們內部親切地稱之為「雷射推手」。我們在德國航空太空中心（DLR）的團隊已制定出了相應的技術方案。其原理其實非常容易理解：雷射中的光子會對物體施加壓力，即所謂的光壓。這個壓力很小。但對於在軌道中高速飛行的碎片來說，它能產生決定性的影響。如果我們用高功率雷射從正面照射碎片，就能讓它減速； 如果從背面照射，就能把它推快。這樣做的意義在於：減速，它就會下降； 加速，它就會升高。於是，我們就可以直接從地面把它推離碰撞軌道。
這事沒有這麼簡單吧！
Riede：確實不簡單，因為我們需要的不是一座地面雷射站，而是十座， 並且要分佈在全球各地。
這是為什麼呢？
Riede：因為光壓本身非常小。我們只能讓碎片的速度產生大約每秒十微米的變化。這意味著必須長時間持續照射，才能產生效果。設想一下：當目標物體出現在地平線時，在每秒約八公里的飛越速度下，我們大約只有十分鐘的可視時間，之後它就會從另一側消失。但我們不能在它剛出現在地平線時就開始照射，因為那時角度過低，雷射光束會穿過大量空域。 而且我們只能使用對民用航空關閉的空域，這通常只限於地面雷射站周圍的一個特定半徑範圍。 所以我們要等它飛得更近一些。然後，還必須從正面或背面照射，因為我們要麼是讓它減速，要麼是給它加速。這樣一來，可用時間再次減半，最終我們真正能照射的時間只有兩到三分鐘。這對於實現一次真正有效的軌道偏轉來說，還遠遠不夠。這個方法只有在十座地面雷射站依次接力、在連續十次飛越過程中對目標進行照射時，才能奏效。可以說是一支「雷射接力隊」。
明白了。但你們究竟要如何在近地軌道上擊中這樣一個小目標呢？
Riede：這不是問題。 其實在航太領域，我們早就熟練使用雷射技術，在如此遠的距離下進行高精度作業。例如用雷射來探測這些太空垃圾。 真正棘手的反而是另一點。
那問題究竟卡在哪裡呢？
Riede：我們究竟能提前多久，對一次潛在碰撞做出足夠準確的預測。精確預測並不容易。就像天氣預報一樣，預測得越遠，難度就越大。所以為了成功照射目標，我們的地面站需要提前數天就掌握可靠資訊。這正是我們目前正在攻克的難題。
那「雷射推手」這種方法以前成功過嗎？
Riede：我們還從未在真實環境中嘗試過，但這對航太專案來說很正常。你要知道，除了地面雷射站之外，還需要兩顆協同工作的人造衛星，在照射過程中即時測量效果並進行回饋。 而這樣的衛星目前還不存在。
那這豈不是一切都還停留在理論層面？
Riede：完全不是！ 說實話，我自己都很意外，這個 DLR 項目會推進得這麼快。歐洲太空總署 ESA 已經介入，並委託我們設計一座地面雷射站。在雷射光源方面，我們也找到了 TRUMPF Scientific Lasers 作為合作夥伴。如果一切順利推進，包括資金、建設以及地面雷射站選址，那麼我們就有望在五年內完成原理性的功能驗證。當然，現實中未必事事順利。但即便如此，從現在到這一技術真正落地，所需時間依然是可預期的。
左圖：脈衝雷射光束以極高能量擊中目標，產生電漿羽流，從而將其偏轉。優點是只需目標飛越一次，前期準備時間較短；缺點是存在目標被擊碎、從單個危險碎片變成多個碎片的風險。
右圖：連續雷射光束利用光子的壓力，溫和地將目標推離原有軌道。優點是不存在目標解體的風險；缺點是需要目標飛越多達十次，效果才足夠明顯，因此所需的準備時間更長。
您如何解釋外界對您這個項目突然高度關注？
Riede： 正如我所說，人類正大規模建設近地軌道基礎設施，例如用於全球行動網際網路的 Starlink 衛星網路。太空垃圾問題已經成為發展的障礙，而且隨著建設規模的擴張，又會有新的垃圾產生，使問題呈數量級惡化。因此，解決方案勢在必行。
那誰來為「雷射推手」買單？
Riede：初期由 ESA 成員國透過會費提供啟動資金。但從長遠來看，我們的目標是將雷射動量轉移作為一種服務推向市場，面向希望保護其軌道基礎設施的私營企業、組織或國家。如果所有參與方都意識到其中牽涉的巨大價值，那麼推動這項技術落地的資金，反而會是最容易解決的問題。更何況，德國如今首次設立了一個在名稱中直接包含「航太」的聯邦部門，這也讓我們在國家層面看到了明確的政策支持。
