20世纪60年代的疯狂：美国向太空发射了4.8亿根铜针

armok.

上世纪60年代以前，人们想要建立远距离的通讯，只有两个办法：要么通过海底的电缆传输，要么通过电离层反弹无线电信号。

然而，这两种通讯手段都有许多缺点，海底电缆很可能因为各种原因被截断，而电离层的通讯对于自由电子的密度和无线电波的波长都有很高的要求，只有特定的波长遇到特定的电子密度后才能在地面和电离层间来回反弹，从而达到远距离传播的效果。



但是，电离层的电子密度取决于它吸收的太阳和宇宙中其它辐射源的辐射剂量，如果是夜间少了太阳的辐射，基本就无法建立通讯了，或者十分不稳定。

对于二战刚刚结束没多久的世界来说，各国的局势都不明朗，特别是美国和苏联当时处在紧张的冷战中，这种不稳定的通讯技术明显不够用。

所以，当时的科学家绞尽脑汁，希望建立全新的通讯系统，其中就包括美国科学家向太空发射了超过4.8亿根铜针。


图注：当时铜针的纪念邮票

那么，这些铜针为什么能够帮助建立通讯呢？现在这些铜针怎么样了呢？

西福特计划：铜针的作用

美国向太空发射铜针的项目被称作“西福特计划”，是1958年由麻省理工学院林肯实验室的科学家沃尔特·E·莫罗(Walter E. Morrow)所提出。



目的就是用数亿根细微的铜针在地球上空建立一个环绕地球的“铜针环”，这个环可以永久性地反射无线电信号，而不受限于太阳和其它干扰，完美地代替原有的电离层方案。

1961年10月21日，他们开始了第一次测试，超过一亿根铜针被发射，但不幸的是，由于针铜在轨道上没有按计划分散开来，所以这次测试失败了。

1963年5月9日，吸取教训之后，美国进行了第二次尝试，一批3.5亿根铜针再次被送入轨道。


铜针的分配器，图源：GeneralNotabilit

这次他们将这些铜针紧密地挤在由萘凝胶制成的装置中，整包针头仅20公斤重，然后跟随卫星一起发送到地球轨道，萘凝胶会在太空中迅速蒸发，并释放铜针。

按照原计划，3.5亿根铜针会在2个月的时间内逐渐在地球轨道上释放，然后形成一个环绕地球的环（如果成功的话地球会和土星一样拥有一个光环）。

最终，这个光环的宽度会达到15公里，厚30公里，在3700公里的高度沿着穿过南极和北极的轨道环绕地球运行。

西福特计划的铜针长1.8厘米，直径0.0018厘米，重量仅为 40 微克，这个正好是8000 MHz微波波长的一半。



当这个波长的微波撞击铜针时，会产生强烈的反射，实际上这时候的铜针就是充当微小的偶极天线，每个天线都在各个方向重复它们接收到的完全相同的信号。

5月14日，也就是发射的5天后，科学家首次尝试使用西福特铜针进行远程通信。

这时候，偶极天线（铜针）还没有完全散开以填满它们的整个轨道环，所以它们彼此的间距还比较密集。



当天，西福特计划的工程师在加利福尼亚州和马萨诸塞州同时使用18.5米的微波碟形天线发送语音传输，数据的传输速率大约是每秒 20000 比特——和1992年电话调制解调器的速度差不多。

然而，让工程师感到意外的是，随着铜针的分散，数据传输速率显着下降，到了6月18日，每秒只能传输 400 比特了。

这个时候的铜针还没有完全填满它的环，它还在继续扩散，到了7月2日，传输速率已经没法建立通讯了，所以项目终止。



事实上，这个项目在现在看来是很难成功的，因为铜针被做得非常微小，它会因为各种原因而彼此远离并失去功能。

但那时候的人就是这么敢想和敢做，而且还尝试了两次。

铜针污染地球轨道

西福特计划前后两次总共向地球轨道发送了超过4.8亿枚铜针，不知道你听到这样的事情第一时间会想到什么，反正我想到的是难以处理的天空垃圾。



虽然，西福特计划在技术上取得过成功——至少有过短暂的成功，但其实从这个项目从被提出来那一刻起，它就受到了社会各界的强烈反对。

当然，那时候人类刚刚发送了人造卫星，太空中的人造产物屈指可数，还没有太空垃圾的概念，当时的天文学家主要担心的是这些密集的铜针会影响到天文观测。

不过，那时候的美国并没有因为别人的强烈反对而放弃这个注定失败的项目，原因也很简单，代表人类未来的太空探索对他们来说明显可有可无，而当下来自别的国家可能的威胁，他们认为才是最需要解决的。



美国声称那些铜针经过了精心设计，可以在发射后的几年内返回地球，同时那些铜针很小且距离也很远不会影响到天文观测，以此为由不顾任何反对的声音发射了铜针。

事实上，只要稍微理智一点的人都应该知道，一个功能齐全、足以进行可靠通信的“铜针环”，它的密度会小吗？会让它几年时间就返回地球吗？

所以，感谢这个项目失败了，不然地球轨道上会布满铜针。



不过，好在这些只是进行测试的铜针确实在1970年左右，大批量重新进入地球大气层，由于它们太小了，在重新进入时基本毫发无损，慢慢地飘落到地球表面。

现在这个项目已经很少有人关注了，唯一能查到的数据是，截至 2020 年 3 月，已知仍有 36根针在轨道上运行。

这些还在轨道上的已知铜针都会被标记，在它即将影响到航天器时就会被处理，避免造成损失。

然而，没人知道还有多少铜针未被观察到，这些太空垃圾虽然微小，但对于太空事业来说，它们的威胁一点也不小。



最后

据信，70年代有研究表明，大部分铜针落到了北极高地，大约达到每平方公里有五根铜针左右。

当时的美国试图找到这些铜针，因为这样可以帮助他们了解太空环境，而他们还试图恢复项目。

然而，要在数十亿吨北极冰雪中找到这种微小的铜针，无异于大海捞针，也就不得不放弃了。



其实，到了70年代这样的项目已经完全没有必要了，因为几乎和这个项目同一时期，通讯卫星出现了。

或许，“铜针环”会比通讯卫星更加抗打吧！

amwjz

共几亿根，现在还有36根针在轨道上运行？太扯了吧，这么小，这是什么知道的？能观察到吗？

albert_w

最后那张图是<电子世界>的封面吗

armok.

amwjz 发表于 2022-6-1 08:39
共几亿根，现在还有36根针在轨道上运行？太扯了吧，这么小，这是什么知道的？能观察到吗？ ...
(引用自2楼)

是观察到36根。

ahfong2006

星链是现代体积放大版的铜针环，哦，铜球

rube

有创意，尽管失败了