太空正變得擁擠，到處都是垃圾。提供導航、天氣預報、網際網路和其他服務的重要衛星每天都面臨這種威脅。舊火箭、報廢的航天器和人類在太空中的活動留下了軌道碎片，這些碎片日益威脅著碰撞，對不斷增長的太空經濟構成威脅。十年前，電影《地心引力》戲劇化地展現了太空汙染的後果，太空垃圾像雪崩一樣席捲天空，撞擊軌道上的所有物體，包括宇航員英雄。自那以後，我們在這方面幾乎毫無作為。
美國國家航空航天局 (NASA) 將太空垃圾或軌道碎片定義為“軌道上不再有用的任何人造物體，包括航天器碎片和退役衛星”。2009 年發生的一起事件，美國銥星 33 通訊衛星與報廢的俄羅斯軍用衛星 Kosmos 2251 相撞，很好地提醒了人們這種威脅日益增長。據 NASA 稱，僅這一次碰撞就產生了 2200 多塊直徑超過五釐米的新碎片。
未來還會發生更多此類碰撞。今年 2 月，一顆廢棄的俄羅斯衛星在距離 NASA 衛星 約 20 米 的地方掠過。SpaceX 的星鏈衛星星座 僅在 2022 年 12 月至 2023 年 5 月期間就進行了超過 25,000 次避碰操作。即使在地球上，太空垃圾也是一個問題，3 月份，佛羅里達州的一戶住宅被國際空間站貨運任務中掉落的電池擊中。
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在太空中，碎片來自廢棄的火箭箭體頻繁解體、衛星爆炸、報廢的衛星、碰撞、油漆剝落，甚至宇航員丟失的工具。大約 85% 的碎片位於近地軌道內，即海拔 2000 公里以下。NASA 估計，該軌道包含大約 34,000 塊直徑大於 10 釐米的碎片、900,000 個介於 1 釐米和 10 釐米之間的物體，以及超過 1.28 億個介於 1 毫米和 1 釐米之間的碎片。但我們不要被尺寸所迷惑。即使是高速飛行的小碎片也可能引發災難性的碰撞，而且更嚴重的問題是，小於 10 釐米的碎片無法用現有監視技術進行跟蹤。一個更危險的威脅是自我繁殖。這種現象被稱為“凱斯勒綜合徵”，當碰撞產生如此多的碎片時，地球軌道將變得無法用於任何人類活動。
我們必須阻止太空碎片的增長， 同時意識到這是一項艱鉅的任務。除了航天器所有權外，國家政府和國際組織均不控制軌道上的產權。因此，太空活動不受任何集中監管或產權計劃的約束。外太空適用“先到先得”的原則。與其他地球上的全球經濟失敗案例（如國際水域的漁業、公海航行和氣候變化）一樣，國際合作未能解決或僅部分解決這些問題，過度使用和資源枯竭是這種“公地悲劇”的直接後果。
在所有這些案例中，包括軌道碎片，汙染都會給社會帶來成本，而市場價格並未反映這種影響。這種“外部性”是市場失靈，在大多數情況下，需要政府或其他中央機構的干預。簡而言之，火箭發射價格並未反映其真實成本，其中包括清理費用。我們必須在成本過高之前扭轉這種局面。儘管人類對外太空的探索和經濟開發相對較晚（第一艘人造航天器“衛星號”於 1957 年成功發射），但隨著商業、軍事和科學活動在外太空的擴充套件，明顯的市場失靈和其他經濟、法律和政治問題正以火箭般的速度出現。SpaceX 目前正在開發一種大型火箭，它將像糖果分配器一樣發射1.25 噸重的衛星，從而使其已經部署在太空中的 5,500 顆星鏈衛星 組成的艦隊規模進一步擴大，而這僅僅是計劃中的 42,000 顆衛星星座的一部分。這尤其令人擔憂，因為根據我們去年在 Ecological Economics 上發表的一項研究，在當前的碎片條件下，近地軌道最多隻能容納約 72,000 顆衛星，而不會有發生凱斯勒綜合徵事件的真正風險。
LEO 代表近地軌道，是指地球表面 2000 公里以內的太空區域。它是軌道碎片最集中的區域，用白色圓點表示，並按比例縮放以最佳化可見性。
NASA/ODPO
毫不奇怪，最依賴衛星的航天國家面臨著最大的太空碎片風險。然而，它們並沒有合作來減輕太空碎片，而是未能採取果斷行動。儘管衛星丟失的可能性越來越大，導致必須投入更多資源用於碎片監視跟蹤和避碰操作，這些操作會中斷服務並消耗燃料。反過來，這會縮短衛星的執行壽命，隨著威脅的加劇，也會增加衛星的成本。儘管如此，除了保護自己的航天器外，航天公司沒有動機儘量減少碎片產生，它們透過防護罩來做到這一點。
我們需要在太空垃圾失控之前採取被動和主動措施。航天機構和聯合國已經制定了碎片減緩指南。其中一些包括改變衛星的設計，採用防護罩並加固燃料系統以避免解體。另一項建議是，所有航天器運營商都應為航天器提供機動性，並增加儲備燃料，以便讓報廢的航天器脫離軌道。
在主動措施方面，開發無碎片回收運載火箭將極大地幫助消除碎片的主要來源。但仍然存在其他來源，並且鑑於目前軌道上報廢的庫存，採取積極的去汙染行動也是必要的。這是因為軌道碎片的壽命因高度而異。在 200 公里以下，碎片可能只能持續幾天，而在 1000 公里處，碎片可以持續長達一千年。在 2000 公里處，如果沒有人為干預，碎片可以在軌道上停留長達 50,000 年。
清理太空需要設計和實施主動碎片清除 (ADR) 專案。ADR 飛行器可以配備機械臂、網、收集氣球和其他工具。地面雷射器也可能增加碎片的 атмосферное сопротивление，作為另一種選擇。政策制定者必須探索利用已有的地球汙染減緩工具來為清除政策的成本提供資金。他們還應制定指導方針和法規，以便在所有航天運營商之間分攤太空垃圾清除成本。
最後，還有一個更令人擔憂的問題需要關注：軍方對太空的使用。太空汙染不僅來自商業和科學活動，還因為外太空日益增長的國防、安全和戰爭戰略價值。令人難以理解的是，地球軌道不僅是意外汙染，而且也是人為有意汙染的，因為一些國家使用導彈進行了反衛星試驗，摧毀了自己的衛星。俄羅斯在 2021 年進行的最後一次試驗產生了大量的數十萬塊碎片雲，大大增加了最擁擠和汙染最嚴重的高度的軌道碎片。
外太空的軍事化和武器化加劇了軌道碎片問題，同時也成為了太空去汙染的障礙。碎片清除飛行器和裝置的開發因其作為反衛星武器的雙重用途而受到阻礙，這是實施消除軌道汙染的國際政策的重大障礙。任何 ADR 技術也可能被視為進攻性武器，因為它可能會將敵方衛星從軌道上移除。出於同樣的原因，外太空的軍事化可能會威脅到用於衛星維修、燃料補給、升級、維護和修理的新型太空工業的發展。人類反而需要一個清潔、安全和受監管的太空環境，以便在地球上建設更美好的世界。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。