Kilometre-scale orbital data centres may clear debris by avoiding rocket bodies and defunct satellites

我们上方的天空正变得日益拥挤。几十年来，人类活动留下了一层混乱的太空垃圾：废弃的火箭级、损坏的卫星，以及无数金属和油漆碎片。这些碎片以超高速运行，速度大约是步枪子弹的十倍。在这种速度下，即使是一个微小的斑点也能在航天器上打出一个洞，而较大的碎片则能将一颗卫星撞碎成数千个新的碎片。这创造了一个危险的循环：碰撞产生更多碎片，进而导致更多碰撞。科学家们称之为“碰撞级联”（collagenal cascade），这是一个失控的过程，最终可能导致某些轨道在数百年内都无法使用。

现在，新一代的提案旨在将大规模数据中心置于这一环境中。公司计划在近地轨道建造跨度达数平方公里的结构，本质上是依靠持续阳光驱动的漂浮服务器农场。这些设施规模宏大，太阳能阵列延伸数公里，旨在处理人工智能所需的巨大计算量。一个关键问题一直是：太空垃圾会对该结构产生什么影响？零星的碎片是否会撕裂脆弱的太阳能电池板？新的研究颠转了这个观点。它不再询问碎片对结构做了什么，而是询问结构对碎片做了什么。答案揭示了一个令人惊讶的可能性：这些巨大的轨道平台要么成为历史上最严重的污染者，要么成为太空中最有效的清洁者，这完全取决于如何管理它们。

由研究员贾威·景（Jiawei Jing）领导的研究模拟了这些千米级结构在十五年期间的行为。该模型追踪了穿越数据中心路径的两类不同物体。第一组由微小碎片和小型致命物体组成，它们太小以至于地面雷达无法追踪，但其质量足以在撞击卫星时将其摧毁。第二组包括大型完整物体：失效的卫星和火箭体，这些是已知且可被追踪的。研究发现，薄型太阳能阵列对这两类物体的作用截然不同。当一个小而快的碎片撞击轻质薄片时，冲击会显著减缓碎片的运动。薄片会被撞出一个洞，而动量交换足以降低碎片的轨道，使其在短时间内在大气层中烧毁。通过这种方式，该结构自然地清扫了天空中那些无法追踪且会导致任务失败的碎片。

然而，与大型完整物体的相互作用则讲述了另一个故事。当一个巨大的火箭体或废弃卫星穿过薄型阵列时，薄片并不能阻止它。相反，撞击就像是一个高速投射物撞击一堵墙。释放的能量如此剧烈，以至于可以剥离大型物体的部分表面，或者在最坏的情况下，将整个物体粉碎成一片新的碎片云。研究计算出，如果大型物体的质量哪怕只损失了极小的一部分——不到百分之一——或者物体完全破碎，该结构就会成为新的太空垃圾来源。在模拟中，如果该结构不对这些大型物体采取规避措施，那么该轨道层中致命且无法追踪的碎片数量可能会比现在高出三到十五倍。该结构实际上是在向天空播种新的危险，抵消了它对较小碎片所进行的自然清理。

解决方案在于一种特定的规避机动方式。研究表明，如果数据中心被编程为仅躲避那几百个大型可追踪物体（即火箭体和失效卫星），它就可以保持为净移除碎片者。通过避开这些庞大的目标，该结构允许较小的、无法追踪的碎片穿过并被太阳能阵列减速，同时避免产生新碎片云的灾难性碰撞。这种选择性规避出奇地高效。研究表明，如果该结构能够成功筛选掉 93% 到 99.6% 的大型物体（取决于高度），它清理轨道的速度将快于它造成污染的速度。这比要求躲避每一个被追踪的碎片（包括它本应清理的小型碎片）所需的近乎完美的规避阈值要低得多。

这种选择性清理的成本是可控的，但取决于我们对大型物体位置的了解程度。为了躲避一个火箭体，该结构需要移动其庞大的框架，使其刚好错过交汇点。如果火箭体的位置被精确掌握在几百米以内，进行这些机动所需的燃料相对较少。然而，如果位置的不确定性达到数公里，确保安全避让所需的燃料就会大幅增加，甚至可能每年消耗掉该结构的大部分质量。研究还强调了一个关键脆弱点：结构内部密集的计算机模块。与薄薄的太阳能电池板不同，这些沉重的模块是脆弱的目标。如果大型物体撞击计算机模块，很可能会将其击碎，从而产生大规模的新碎片云。因此，计算机模块必须通过躲避每一个可能摧毁它们的追踪物体来获得保护，这比对太阳能阵列的要求要严格得多。

这些发现挑战了当前航天机构和公司评估风险的方式。标准的安全性规则侧重于碰撞导致航天器受损的可能性。对于这些巨型结构而言，这种方法是不充分的。研究认为，监管机构和运营商必须观察碰撞本身产生的结果。如果一个大型物体穿过阵列并发生破碎，即便结构本身幸存，该结构也未能履行其环境职责。研究建议，这些未来数据中心的设计必须优先考虑保护轨道环境，而非保护结构本身。通过让小型碎片穿过以进行清理，同时积极躲避大型追踪垃圾，这些千米级平台可以成为第一个主动减少太空碎片数量的人造物体。

这一结果并非板上钉钉。它依赖于两个尚未在真实轨道环境中测量的因素：当大型物体以轨道速度掠过薄片时，究竟会损失多少质量，以及损失的质量会产生多少新碎片。在这些物理相互作用得到测试之前，数据中心保持为净清理者的确切效率仍处于模拟阶段。尽管如此，这项研究提供了一条清晰的前行路径。它证明了在巨型空间基础设施时代，低地轨道的命运是一个设计选择。如果这些结构被设计为躲避大型追踪物体并让小型碎片通过，它们就能帮助清理天空；如果它们被设计为规避所有追踪到的物体，或者更糟，完全忽视大型物体，它们可能会引发太空碎片的灾难性增长，使它们赖以运行的轨道变得无法使用。决定一个“太空电梯”是清理天空还是填满垃圾，仅仅取决于它是否知道该躲避哪些物体。