太空垃圾清理，或將成為下一個新商機？答案或許不一樣

2024-08-31科學

太空垃圾泛濫，我們需要動真格了

太空垃圾清理工作進展不順利

即使是微小的空間碎片也會產生災難性的影響。這張圖片顯示了一塊鋁和一個小鋁球之間以每秒近7公裏的速度撞擊的實驗室測試結果。

（圖片來源：ESA歐洲航天局）

一場太空時代的「哈定悲劇」正在我們眼前展開——或者說，就在我們頭上真實存在——但對於如何阻止它，還未達成共識。半個多世紀以來，人類向近地軌域投擲物體的數量不斷增加。由於對進一步發射到這個日益擁擠的區域幾乎沒有什麽明確的限制，普遍的態度一直是寬容的：似乎軌域上總是有空間再發射一次。

廢棄的多節火箭、脫落的螺栓和油漆碎片、固體火箭發動機的殘骸、壞掉或瀕臨壞掉的衛星以及反衛星試驗的零星碎片等，這些可能損壞或摧毀其他太空財產的高速運動的雜物經過幾十年的堆積，使得近地軌域即將變得過於擁擠，而無法讓太空儀器在舒適的狀態運轉。由於一種需要數千艘航天器的人造衛星「巨型星座」的興起，例如SpaceX的寬頻互聯網網路Starlink，近地軌域擁擠問題現在可能會變得更糟。Starlink只是眾多類似計畫中的一個：另一個名為OneWeb的公司的巨型星座已經部署完畢，亞馬遜的古柏計劃正在尋求在不久的將來建立一個由多達3200顆衛星組成的巨型星座。

在軌域越來越擁擠的情況下，在軌資產之間的密切接觸也在增加。例如，國際太空站為了避免可能造成危險的太空碎片，需要定期調整軌域。更糟糕的是，這增加了大碰撞的威脅，而這些碰撞產生的具有威脅性的太空垃圾會讓本就糟糕的局勢進一步惡化。想想2009年2月，一顆俄羅斯宇宙衛星和一艘商業銥星航天器之間的碰撞，產生了大量碎片。

美國國家航空暨太空總署（NASA）退休的軌域碎片研究高級科學家唐納·凱斯勒（Donald Kessler）表示，尋找清理部份太空垃圾的方法應該是全球的首要任務。20世紀70年代末，他預言了一種被稱為凱斯勒症候群的情況的可能性：隨著空間垃圾密度的增加，可能會出現碎片碰撞的級聯、自我維持的失控迴圈，最終可能使近地軌域過於危險，無法支持大多數空間活動。

凱斯勒說：「現在，學界內一致認為，碎片環境已經達到一個‘臨界點’，即使所有發射都停止，碎片也會繼續增加。」。「這需要銥宇宙型別的碰撞才能引起大家的註意。結果就是這樣……而我們早就該做這樣的事情了。」

至於凱斯勒症候群，碎片專家說：「它已經開始了。」凱斯勒補充道：「一直都有碰撞發生，沒有那麽劇烈，也沒有大規模的碰撞。」

嘗試與進展

凱斯勒的噩夢場景產生了不少可能的碎片清除方法：網、雷射爆炸、魚叉、巨型泡沫球、空氣噴射、繩索和太陽帆，以及垃圾收集機器人手臂和觸手，這些都被提議作為清除軌域垃圾的解決方案。

為了應對這種令人擔憂的事態，剛剛啟動的太空尺度演示生命終結服務（ELSA-d）任務新加入其中。ELSA-d是一個由日本衛星服務公司Astroscale開發的雙衛星任務：它由一個用於安全地清除軌域上的碎片的「伺服器」衛星和一個「客戶機」衛星組成，兼做目標回波。該計畫旨在展示一種用於軌域碎片清除或者維護都能夠捕獲穩定甚至翻滾的物體的磁系統。按照多階段測試議程，「伺服器」衛星和「客戶機」衛星將一起脫軌，在它們猛烈地墜入地球大氣層時解體。

ELSA-d現在在近地軌域上繞轉。該任務由搭載大量其他衛星的俄羅斯聯盟號火箭發射升空。升空後，Astroscale創始人兼執行長Nobu Okada表示，ELSA-d將證明碎片清除能力，並「推動監管發展，推進報廢和活動碎片清除服務的商業案例」。他說，此次升空是朝著「安全和永續地發展空間，造福後世」邁出的一步。

盡管ELSA-d和其他同類技術的演示無疑是清除軌域碎片的積極進展，但它們不應被誤認為是萬靈藥。這些任務取得了一定的成功，但仍無法解決當前的動態困境，太空垃圾的擴散基本上有增無減。

是否有通用的解決方案？

「從我的角度來看，處理空間碎片的最佳解決方案是一開始就不要產生空間碎片，」關註地球軌域物體的分析小組CelesTrack的科學家T。S。Kelso這樣說道。「就像任何環境問題一樣，防止汙染比事後清理更容易，成本也低得多。航天器在完成任務後，不要把東西留在軌域上。」

Kelso說，對於太空垃圾問題，根本沒有「通用的解決方案」。

他觀察到，移除大型火箭彈體與移除等效品質的軌域範圍較廣的更小物體，是截然不同的任務。與此同時，SpaceX等公司的創新大大降低了發射成本，為更多的衛星進入近地軌域開啟了閘門，在低地球軌域上，一些衛星將不可避免地發生故障，並成為漂流和產生碎片的危險（除非用類似ELSA-d太空拖船將其移除）。「許多營運商開始認識到繼續躲避不斷增加的碎片的困難和復雜性。」

澳洲弗林德斯大學（Flinders University）的空間考古學家和空間垃圾專家愛麗絲·戈曼（Alice Gorman）表示，空間垃圾從奈米顆粒到整個航天器，比如在所有人的清除名單中名列前茅的歐洲航天局（European Space Agency）發射的有雙層巴士那麽大的Envisat。

還有一些物體，如固體金屬壓重塊和如紙薄的隔熱毯。高爾曼說：「它們會造成不同型別的損害，可能需要不同的方法來清除。通用的方法不可能做到這一點。」

高爾曼說，最嚴重的風險來自大小在1到10厘米範圍的碎片顆粒。「它們比整個報廢的航天器多得多，發生碰撞的可能性要大得多。」「雖然如此大小的碎片可能不會造成災難性的破壞，但與之碰撞肯定會損壞正在工作的衛星，並產生新的碎片顆粒。」

高爾曼註意到巨型衛星星座，擔心它們在已經擁擠的近地軌域環境中的影響。她說：「我們也知道軌域動力學可能是不可預測的。」「我希望看到這些巨型星座營運商釋出其隨著越來越多的衛星發射的碰撞長期模型。」

高爾曼說，毫無疑問，活動的軌域碎片清除在技術上具有挑戰性。「然而，最大的問題是，任何能夠清除現有碎片的成功技術也可以用作反衛星武器，」她說：「這是另一個需要外交談判的問題，最重要的是需要國際信任。」

佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）山姆·納恩國際事務學院（Sam Nunn School of International Affairs）副教授瑪麗爾·博羅維茨（Mariel Borowitz）表示，事實上，近些年來，在軌域上舒適地搭載航天器並進行維修或破壞的能力已經引起了軍事規劃者的極大興趣。她說：「這些快速發展的技術具有用於和平太空活動或太空戰爭的潛力，鑒於其能力的兩用性質，不可能事先確定它們哪天將如何使用。」

建立太空碎片清除的商業市場

目前，德克薩斯大學奧斯丁分校軌域碎片專家Moriba Jah表示，空間碎片清除的商業案例無法盈利，與其說是一個真正的市場，不如說是一場「PowerPoint演講」。

Jah說：「我認為，人們希望政府基本上能達成一些共識，幫助建立和建立一個行業參與此類活動的市場。」為了實作這一點，他認為航天國家必須同意近地空間是一個類似於陸地、天空和海洋的生態系。「這不是無限的，所以我們需要環境保護，」他說。

Jah認為空間永續性指標類似於碳足跡。「讓我們稱之為‘太空交通’足跡，」他說。「我們需要一種方法來量化「軌域公路」在什麽時候交通飽和而無法使用。然後，你可以為目標碎片分配獎金，並商討如何將其強行清除，並可能會對占用軌域容量的死資產的主權所有者進行處罰。這樣肯定會創造一個空間物體清除技術可以利用的市場繁榮發展。」

Jah說，還需要空間物體的分類方案。有了這樣的分類法，將有助於理清清除軌域雜物的不同種類所需的技術型別。