研究人员正在开发一种真正的牵引光束，目标是将失效卫星从地球同步轨道拉出，以缓解太空垃圾问题。
艺术家绘制的插图展示了如何利用静电牵引光束将失效卫星从地球同步轨道上拉出。实际上，这种光束是不可见的。 （图片来源：Tobias Roetsch – gtgraphics.de）
在科幻电影中，没有什么比正义一方的飞船被一道无形的牵引光束捕获，任由反派慢慢将其拖入深渊更能营造紧张气氛了。但这种曾经只是科幻作品中的常见桥段，可能很快就会成为现实。
科学家们正在研发一种现实版的牵引光束，称为静电牵引光束。不过，这种牵引光束不会像传统牵引光束那样将无助的星际飞船驾驶员吸入轨道。相反，它会利用静电吸引力将危险的太空垃圾安全地推离地球轨道。
风险巨大：随着商业航天产业的蓬勃发展，地球轨道上的卫星数量预计将急剧增加。这些数量庞大的新卫星最终会老化失效，并将地球周围的太空变成一个巨大的太空垃圾场，这些垃圾可能会撞击正在运行的航天器，坠落地球，用金属污染我们的大气层，并遮蔽我们对宇宙的观测视野。专家警告说，如果不加以控制，日益严重的太空垃圾问题可能会阻碍蓬勃发展的太空探索产业。
科学技术基本到位，但资金不足。
静电牵引光束有可能通过安全地将失效卫星移出地球轨道很远的地方来缓解这个问题，在那里它们将永远无害地漂流。
虽然牵引光束无法完全解决太空垃圾问题，但与其他已提出的太空碎片清除方法相比，该概念具有几个优势，这可能使其成为解决该问题的宝贵工具。
原型机的造价可能高达数百万美元，而全尺寸的运行版本则需要更多资金。但研发人员表示，如果能够克服资金障碍，牵引光束有望在十年内投入使用。立即注册订阅 Live Science 每日新闻简报
将世界上最引人入胜的发现直接发送到您的邮箱。请与我联系，告知我其他 Future 品牌的新闻和优惠信息。接收我们代表我们信任的合作伙伴或赞助商发送的电子邮件提交您的信息即表示您同意条款和条件以及隐私政策，并且您已年满 16 岁。
“科学方面基本没问题，但资金却不足，”项目研究员凯莉·钱皮恩（Kaylee Champion）告诉 Live Science。她是科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）航空航天工程科学系的博士生。
避免灾难
《星球大战》和《星际迷航》中描绘的牵引光束利用人造引力或一种模糊的“能量场”来吸引宇宙飞船。这种技术很可能超出了人类的想象。但这一概念启发了科罗拉多大学博尔德分校的航空航天工程教授汉斯彼得·绍布，让他构思出一个更贴近现实的版本。
绍布最初是在 2009 年第一次重大卫星碰撞事故后萌生了这个想法。当时，一颗正在运行的通信卫星铱星 33 撞上了一颗报废的俄罗斯军用航天器宇宙 2251，将 1800 多块碎片散落到地球轨道上。
这场灾难发生后，绍布希望能够防止此类事件再次发生。为此，他意识到可以利用带正负电荷的物体之间的吸引力，使它们“粘”在一起，从而将航天器拉离危险区域。
在接下来的十年里，绍布和他的同事们不断完善这一概念。如今，他们希望这项技术有朝一日能用于将失效卫星移出地球同步轨道（GEO）——地球同步轨道是指围绕地球赤道运行的轨道，其运行速度与地球自转速度同步，使物体看起来像是固定在地球上方某个特定位置。绍布表示，这样做可以腾出地球同步轨道的空间，供其他物体使用，而地球同步轨道被认为是卫星的“黄金地段”。
它是如何运作的？
冠军告诉《生命科学》杂志，静电牵引器将使用一艘配备电子枪的服务飞船，该电子枪会向一颗失效的目标卫星发射带负电的电子。这些电子会使目标卫星带负电，而服务飞船则带正电。她说，尽管两者之间相隔 20 到 30 米（65 到 100 英尺）的空旷空间，但静电吸引力仍会将它们牢牢锁定在一起。
一旦服务卫星和目标卫星“粘在一起”，服务卫星就能在不接触目标卫星的情况下将其拉出轨道。理想情况下，这颗失效卫星将被拉入一个距离地球更远的“墓地轨道”，在那里它可以安全地永远漂移，Champion说道。
科罗拉多大学博尔德分校博士生、项目研究员朱利安·哈默尔告诉《生命科学》杂志，由于电子枪技术的限制以及为防止碰撞而必须保持的距离，两颗航天器之间的静电吸引力将极其微弱。他补充说，因此服务器必须移动得非常缓慢，将一颗卫星完全移出地球同步轨道可能需要一个多月的时间。
这与电影里那种无法逃脱、能迅速将猎物拉入陷阱的牵引光束截然不同。哈默尔说，这就是“科幻与现实的主要区别”。
优势和局限性
与其他提议的太空垃圾清除方法（如鱼叉、巨型网和物理对接系统）相比，静电牵引器有一个很大的优势：它是完全非接触式的。
“这些体积庞大、已经报废的航天器，大小跟校车差不多，却在高速旋转，”哈默尔说。“如果你用鱼叉攻击它们，用大网捕捞它们，或者试图与它们对接，那么物理接触可能会损坏航天器，这样只会让太空垃圾问题更加严重。”
Champion表示，科学家们提出了其他非接触式方法，例如使用强力磁铁，但巨型磁铁的生产成本很高，而且可能会干扰维修人员的控制。
静电牵引器的主要局限在于其工作速度较慢。目前有超过550颗地球同步轨道卫星在地球周围运行，但预计未来几十年这一数字将大幅增长。
如果卫星是逐个移动的，那么单个静电拖曳器就无法跟上卫星数量减少的速度。静电拖曳器的另一个局限性在于，它清除小型太空垃圾的速度太慢，不切实际，因此无法使地球同步轨道完全摆脱碎片。
成本是另一个重大障碍。绍布表示，团队尚未对静电牵引器进行全面的成本分析，但预计耗资数千万美元。不过，他补充说，一旦服务装置进入太空，其运行成本将相对较低。
下一步
研究人员目前正在科罗拉多大学博尔德分校的静电充电实验室（ECLIPS）中进行一系列实验。哈默尔表示，这个浴缸大小的金属真空室配备了电子枪，使研究团队能够“开展目前几乎无人能做的独特实验”，从而在更小的尺度上模拟静电牵引器的作用。
一旦团队准备就绪，最后一个也是最具挑战性的障碍将是为第一次任务筹集资金，而他们尚未开始这项工作。
大部分任务成本将用于建造和发射服务卫星。然而，理想情况下，研究人员希望在首次测试中发射两颗卫星：一颗服务卫星和一颗可操控的目标卫星。这将使他们能够更好地控制实验，但也会使成本翻倍。
如果他们能够设法筹集到资金，该团队此前估计，原型牵引光束可能在 10 年左右投入使用。
可行吗？
虽然牵引光束听起来像是天方夜谭，但专家们对这项技术持乐观态度。
“他们的技术还处于起步阶段，”纽约州立大学布法罗分校的航空航天科学家约翰·克拉西迪斯（John Crassidis）在给Live Science的一封电子邮件中说道，他并未参与这项研究。“但我相当有信心它会成功。”
如果你发射鱼叉、使用大网或试图与它们对接，那么物理接触可能会损坏航天器，这样只会让太空垃圾问题变得更糟。
克拉西迪斯补充说，不接触太空垃圾就将其清除，也比目前任何其他替代方法都安全得多。
普渡大学航空航天系副教授卡罗琳·弗鲁赫在给Live Science的一封电子邮件中表示，静电牵引器“应该能够产生移动一颗失效卫星所需的力”，并且“肯定具有很高的实际应用潜力” 。她补充道：“但要使其真正投入实际应用，仍有许多工程方面的挑战需要解决。”相关报道
克拉西迪斯表示，科学家们应该继续研究其他可能的解决方案。他还补充说，即使科罗拉多大学博尔德分校的研究团队最终未能研发出移除失效卫星的“最终方案”，他们的研究也将为其他科学家奠定基础。
如果他们成功了，这并非科学家第一次将虚构变为现实。
克拉西迪斯说：“今天的科幻小说可能就是明天的现实。”
研究人员正在开发一种真正的牵引光束，目标是将失效卫星从地球同步轨道拉出，以缓解太空垃圾问题。
艺术家绘制的插图展示了如何利用静电牵引光束将失效卫星从地球同步轨道上拉出。实际上，这种光束是不可见的。 （图片来源：Tobias Roetsch – gtgraphics.de）
在科幻电影中，没有什么比正义一方的飞船被一道无形的牵引光束捕获，任由反派慢慢将其拖入深渊更能营造紧张气氛了。但这种曾经只是科幻作品中的常见桥段，可能很快就会成为现实。
科学家们正在研发一种现实版的牵引光束，称为静电牵引光束。不过，这种牵引光束不会像传统牵引光束那样将无助的星际飞船驾驶员吸入轨道。相反，它会利用静电吸引力将危险的太空垃圾安全地推离地球轨道。
风险巨大：随着商业航天产业的蓬勃发展，地球轨道上的卫星数量预计将急剧增加。这些数量庞大的新卫星最终会老化失效，并将地球周围的太空变成一个巨大的太空垃圾场，这些垃圾可能会撞击正在运行的航天器，坠落地球，用金属污染我们的大气层，并遮蔽我们对宇宙的观测视野。专家警告说，如果不加以控制，日益严重的太空垃圾问题可能会阻碍蓬勃发展的太空探索产业。
科学技术基本到位，但资金不足。
静电牵引光束有可能通过安全地将失效卫星移出地球轨道很远的地方来缓解这个问题，在那里它们将永远无害地漂流。
虽然牵引光束无法完全解决太空垃圾问题，但与其他已提出的太空碎片清除方法相比，该概念具有几个优势，这可能使其成为解决该问题的宝贵工具。
原型机的造价可能高达数百万美元，而全尺寸的运行版本则需要更多资金。但研发人员表示，如果能够克服资金障碍，牵引光束有望在十年内投入使用。立即注册订阅 Live Science 每日新闻简报
将世界上最引人入胜的发现直接发送到您的邮箱。请与我联系，告知我其他 Future 品牌的新闻和优惠信息。接收我们代表我们信任的合作伙伴或赞助商发送的电子邮件提交您的信息即表示您同意条款和条件以及隐私政策，并且您已年满 16 岁。
“科学方面基本没问题，但资金却不足，”项目研究员凯莉·钱皮恩（Kaylee Champion）告诉 Live Science。她是科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）航空航天工程科学系的博士生。
避免灾难
《星球大战》和《星际迷航》中描绘的牵引光束利用人造引力或一种模糊的“能量场”来吸引宇宙飞船。这种技术很可能超出了人类的想象。但这一概念启发了科罗拉多大学博尔德分校的航空航天工程教授汉斯彼得·绍布，让他构思出一个更贴近现实的版本。
绍布最初是在 2009 年第一次重大卫星碰撞事故后萌生了这个想法。当时，一颗正在运行的通信卫星铱星 33 撞上了一颗报废的俄罗斯军用航天器宇宙 2251，将 1800 多块碎片散落到地球轨道上。
这场灾难发生后，绍布希望能够防止此类事件再次发生。为此，他意识到可以利用带正负电荷的物体之间的吸引力，使它们“粘”在一起，从而将航天器拉离危险区域。
在接下来的十年里，绍布和他的同事们不断完善这一概念。如今，他们希望这项技术有朝一日能用于将失效卫星移出地球同步轨道（GEO）——地球同步轨道是指围绕地球赤道运行的轨道，其运行速度与地球自转速度同步，使物体看起来像是固定在地球上方某个特定位置。绍布表示，这样做可以腾出地球同步轨道的空间，供其他物体使用，而地球同步轨道被认为是卫星的“黄金地段”。
它是如何运作的？
冠军告诉《生命科学》杂志，静电牵引器将使用一艘配备电子枪的服务飞船，该电子枪会向一颗失效的目标卫星发射带负电的电子。这些电子会使目标卫星带负电，而服务飞船则带正电。她说，尽管两者之间相隔 20 到 30 米（65 到 100 英尺）的空旷空间，但静电吸引力仍会将它们牢牢锁定在一起。
一旦服务卫星和目标卫星“粘在一起”，服务卫星就能在不接触目标卫星的情况下将其拉出轨道。理想情况下，这颗失效卫星将被拉入一个距离地球更远的“墓地轨道”，在那里它可以安全地永远漂移，Champion说道。
科罗拉多大学博尔德分校博士生、项目研究员朱利安·哈默尔告诉《生命科学》杂志，由于电子枪技术的限制以及为防止碰撞而必须保持的距离，两颗航天器之间的静电吸引力将极其微弱。他补充说，因此服务器必须移动得非常缓慢，将一颗卫星完全移出地球同步轨道可能需要一个多月的时间。
这与电影里那种无法逃脱、能迅速将猎物拉入陷阱的牵引光束截然不同。哈默尔说，这就是“科幻与现实的主要区别”。
优势和局限性
与其他提议的太空垃圾清除方法（如鱼叉、巨型网和物理对接系统）相比，静电牵引器有一个很大的优势：它是完全非接触式的。
“这些体积庞大、已经报废的航天器，大小跟校车差不多，却在高速旋转，”哈默尔说。“如果你用鱼叉攻击它们，用大网捕捞它们，或者试图与它们对接，那么物理接触可能会损坏航天器，这样只会让太空垃圾问题更加严重。”
Champion表示，科学家们提出了其他非接触式方法，例如使用强力磁铁，但巨型磁铁的生产成本很高，而且可能会干扰维修人员的控制。
静电牵引器的主要局限在于其工作速度较慢。目前有超过550颗地球同步轨道卫星在地球周围运行，但预计未来几十年这一数字将大幅增长。
如果卫星是逐个移动的，那么单个静电拖曳器就无法跟上卫星数量减少的速度。静电拖曳器的另一个局限性在于，它清除小型太空垃圾的速度太慢，不切实际，因此无法使地球同步轨道完全摆脱碎片。
成本是另一个重大障碍。绍布表示，团队尚未对静电牵引器进行全面的成本分析，但预计耗资数千万美元。不过，他补充说，一旦服务装置进入太空，其运行成本将相对较低。
下一步
研究人员目前正在科罗拉多大学博尔德分校的静电充电实验室（ECLIPS）中进行一系列实验。哈默尔表示，这个浴缸大小的金属真空室配备了电子枪，使研究团队能够“开展目前几乎无人能做的独特实验”，从而在更小的尺度上模拟静电牵引器的作用。
一旦团队准备就绪，最后一个也是最具挑战性的障碍将是为第一次任务筹集资金，而他们尚未开始这项工作。
大部分任务成本将用于建造和发射服务卫星。然而，理想情况下，研究人员希望在首次测试中发射两颗卫星：一颗服务卫星和一颗可操控的目标卫星。这将使他们能够更好地控制实验，但也会使成本翻倍。
如果他们能够设法筹集到资金，该团队此前估计，原型牵引光束可能在 10 年左右投入使用。
可行吗？
虽然牵引光束听起来像是天方夜谭，但专家们对这项技术持乐观态度。
“他们的技术还处于起步阶段，”纽约州立大学布法罗分校的航空航天科学家约翰·克拉西迪斯（John Crassidis）在给Live Science的一封电子邮件中说道，他并未参与这项研究。“但我相当有信心它会成功。”
如果你发射鱼叉、使用大网或试图与它们对接，那么物理接触可能会损坏航天器，这样只会让太空垃圾问题变得更糟。
克拉西迪斯补充说，不接触太空垃圾就将其清除，也比目前任何其他替代方法都安全得多。
普渡大学航空航天系副教授卡罗琳·弗鲁赫在给Live Science的一封电子邮件中表示，静电牵引器“应该能够产生移动一颗失效卫星所需的力”，并且“肯定具有很高的实际应用潜力” 。她补充道：“但要使其真正投入实际应用，仍有许多工程方面的挑战需要解决。”相关报道
克拉西迪斯表示，科学家们应该继续研究其他可能的解决方案。他还补充说，即使科罗拉多大学博尔德分校的研究团队最终未能研发出移除失效卫星的“最终方案”，他们的研究也将为其他科学家奠定基础。
如果他们成功了，这并非科学家第一次将虚构变为现实。
克拉西迪斯说：“今天的科幻小说可能就是明天的现实。”
