澳洲拓宽激光技术，将用于清除太空垃圾

激光技术的应用在天文学中有着悠久的历史。类似哈勃这样的空间望远镜之所以能够捕捉到清晰而壮观的图像，是因为相对于地面望远镜，它们避免了大气扰动（导致恒星在夜空中“闪烁”的效应）。但是，空间望远镜受到火箭运载器和镜面大小的限制。地面上的天文台凭借其更大的口径和自适应光学技术，因而拥有更强大的观测能力。

近期，澳大利亚国立大学（ANU）研究人员正努力拓宽激光技术在天文空间领域的应用。该研究显示，激光技术不但可以优化地面望远镜影像（自适应光学），还有助于缓解日益严重的太空碎片问题。

研究人员在自适应光学上研究取得的成果，已经能够解决由于大气扰动引起的图像模糊。通过在“向导星”（guide star）激光器上运用自适应光学技术，使得定位、跟踪太空碎片变得更为容易。

俄罗斯激光炮的概念图（来源：About the Space/ Adrian Mann）

自适应光学系统的工作原理是通过向天空发射强大的激光，以激发太空边缘钠层中的粒子（钠层系由陨石燃烧产生）。从望远镜观测视角，被激发的钠原子如同一颗明亮的人造恒星，明亮到其射回的光线足以用来测量大气层扭曲光线的程度。通过这些信息，地面望远镜镜面便可以进行相应的轻微调整，从而抵消大气层对光畸变的影响。为了契合千变万化的大气条件，该矫正过程每秒进行数千次。

正如澳大利亚国立大学教授Celine D' orgeville解释的那样：如果没有自适应光学，从地面上观测到的太空天体像一团模糊的光。这是由于地球的大气层扭曲了从天体射来的光线。但有了自适应光学，这些天体变得更容易被观测，其图像也更加清晰。从本质上讲，自适应光学能够校正大气层造成的失真，确保强大的地面望远镜能够捕捉到清晰的、令人赞叹的图像。

这项技术非常适合被用来观测在天空中缓慢移动的遥远恒星与星系，但澳大利亚国立大学的研究人员并不满足于此。他们对自适应光学技术不断改进，使其能够跟踪在近地轨道快速移动的卫星和太空碎片。

此前，用于追踪太空碎片的激光多是红外光，但是这种光并不可见。对比而言，安装在空间望远镜上的“向导星”激光器可以将橙色的激光束发射到夜空中，以创造出“人造恒星”，以便用以精确测量地球与太空之间的光畸变。

这种橙色的引导光，使自适应光学系统可以锐化空间碎片的图像，并且还可以引导更强大的红外激光束穿过大气层，精确跟踪空间碎片并将其安全地移出轨道，以避免与其他碎片发生碰撞并在大气层中燃烧。在全球各地广泛地布置类似激光系统，将大大降低太空垃圾与其他物体的碰撞几率。

然而在政治上，该技术的应用势必会遇到很多阻力。尽管在太空垃圾的问题上进行全球合作能够带来明显的成效，但误用变轨激光器很可能会造成外交难题。因此，在完善技术的同时，国家之间也需要在技术管制与国际空间法方面做出突破，以达成新的国际共识。幸运的话，澳大利亚国立大学的研究可能成为这一领域国际合作新规则的催化剂。

澳大利亚国立大学的研究在通信领域也有价值。其研究项目的一个商业合作伙伴，光电系统（EOS），希望利用该系统开发卫星和地面之间的激光通信。总的来说，自适应光学系统正在把激光变成太空探索中最有用的工具之一。

应用激光技术清除太空垃圾
早在2014年，美国洛克希德·马丁公司进行了一项研究发现，每天大约有200个空间碎片威胁到空间站或者商业或军用卫星的安全运行。沿地球轨道运动的高速碎片被欧洲航天局的专家形容为“致命的、一连串的威胁”。
另据美国宇航局估计，在近地轨道上有超过50万块弹珠大小或更大的太空垃圾，它们的飞行速度可达每小时28164公里。这些垃圾碎片来自废弃卫星、空间站或太空物体碰撞。随着国际空间站（ISS）和更多的卫星送入近地轨道，这些垃圾碎片可能会构成重大威胁。它们还可能突破大气层飞向地面，对地球而言是一种潜在的危险。每年，近地轨道的高速碎片数量都在持续增加。人类送入太空的每颗卫星最终都会变成另一块围绕地球运行的碎片，而且随着时间的推移，这些碎片会堆积得越来越多。

中国科学家正在探索利用轨道激光站来爆破空间碎片的可能性。中国空军工程大学的研究人员在此前发布的一篇论文中描述了研究成果：通过使用天基平台激光器，空间碎片可以被激光辐照成更小的、危害没那么大的碎片。在这项研究中，研究人员成功地模拟了一个轨道激光站，它能以每秒钟发射出20次激光的速度瞄准和撞击10cm以下的空间碎片，整个过程仅持续2分钟。这种撞击可以推开太空垃圾，以防止碰撞。不过，目前这一方案还处于电脑模拟阶段，真正进行有效的测试还没有被提上日程。而且，这种激光爆破方案并不是没有问题。

2020年，俄航署宣布计划将光学望远镜改造成激光炮来清理太空垃圾。这种激光束通过加热熔化清除太空碎片。该激光炮产生的激光束必须足够强大，要能够加热至少160公里（100英里）外近地轨道上的物体。这台望远镜已经在研制中，其主要目的是监测卫星和漂浮在地球表面160公里至2000公里之间任何潜在的危险太空垃圾。

如果该项计划最后能得以实施，俄罗斯建造的激光炮能清理近地轨道上的太空垃圾，每次清理一块垃圾。作为俄罗斯联邦航天局的一个分支，研究与生产公司精密系统公司的科学家旨在将一门巨型激光炮安装在一个三米光学望远镜上。这台激光炮将配备一个精心设计的机械装置，并连接至望远镜，利用一系列反射镜、一个石英闪光管和一个固态发电机电源产生一束强大的激光束，足以蒸发漂浮在太空中的金属碎片。

来源：荣格-《国际工业激光商情》


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