十年前，人類每年向太空發射約 200 個物體。現在我們發射超過 2,600 個，而且沒有放緩的跡象。人類在外太空活動的快速擴張使地球軌道充滿了太空垃圾，從報廢的衛星到用完的火箭部件。該區域已經非常擁擠，以至於工作衛星面臨著與前幾代航天器的垃圾碎片相撞的風險。即使是國際空間站也經常不得不調整軌道以躲避碎片。
目前，有超過 25,000 塊可追蹤的、大於 10 釐米的人造垃圾在地球軌道上執行。我們在那裡放置的垃圾越多，碎片（以高達子彈 15 倍的相對速度飛行）撞擊工作航天器的機會就越大，從而產生更多危險的垃圾。例如，2009 年報廢的俄羅斯衛星 Cosmos 2251 與正在執行的銥星衛星之間的災難性碰撞，產生了近 2,000 塊碎片，其中許多碎片至今仍在被追蹤。
軌道空間是一種有限的資源，並且正在被少陣列織迅速消耗，尤其是 SpaceX、OneWeb 和亞馬遜的柯伊伯計劃。例如，SpaceX 擁有並運營著大多數在軌工作衛星，該公司的目標是發射數萬顆衛星，以提供全球寬頻網際網路覆蓋。同樣，亞馬遜計劃為其寬頻網路部署 3,236 顆衛星。
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在沒有全球協調和計劃的情況下，讓每個人都能不受限制地訪問，意味著最終可能沒有人能夠使用它。
如果我們保持這種速度，軌道空間將變得無法使用——尤其是最受歡迎的區域，即高達 2,000 公里高度的近地軌道 (LEO)。當縱觀所有軌道區域時，我們可能會失去我們已經依賴的服務：持續通訊、GPS 地圖、網際網路、地球監測等等。今天，幾乎每一顆發射的衛星都相當於一件一次性塑膠，因為它的命運是變成廢棄物。我們正朝著軌道空間的公地悲劇邁進：在沒有全球協調和計劃的情況下，讓每個人都能不受限制地訪問，意味著最終可能沒有人能夠使用它。
隨著我們不斷推進太空探索和商業化的邊界，一種重新思考我們使用太空環境的方式的運動正在興起——轉向以管理和健全的廢物管理原則為基礎的戰略。我相信我們必須拋棄“線性太空經濟”，即我們使用後就拋棄的模式，轉而走向“迴圈太空經濟”——一種可持續利用太空的方式，強調太空資源的再利用、回收和高效管理。
正如我們正在思考如何為未來的生物保護地球上的生態系統一樣，我們必須將太空視為一個值得保護的環境。事實上，改革我們在太空中的運作方式對於地球保護至關重要。
衛星和火箭的生產、發射和執行消耗大量資源和能源，導致溫室氣體排放和環境退化。火箭發射會將汙染物釋放到大氣中，包括二氧化碳、煙塵和氧化鋁，這些汙染物會對大氣造成損害並加劇氣候變化。
此外，不受控制的再入大氣層做法，即允許報廢的衛星和火箭級段在大氣層中燒燬，加劇了大氣汙染，並造成碎片墜落到地球上的人員和財產上的風險。例如，2024 年，一塊SpaceX 龍飛船服務艙的碎片，包括一塊大約標準汽車引擎蓋大小的碎片，落在了北卡羅來納州的山區，而一個被丟棄的國際空間站部件掉進了佛羅里達州那不勒斯的一所房子的屋頂。
ClearSpace-1 任務計劃於 2025 年發射，與一塊織女座火箭碎片會合。這張插圖顯示 ClearSpace-1 用機械臂捕獲碎片。該任務旨在將火箭部件拖入大氣層燒燬。
ClearSpace SA
迴圈太空經濟將代表著向可持續太空實踐的正規化轉變，其靈感來自地球上日益普及的迴圈經濟理念。“迴圈性”在這裡指的是廢物管理原則，呼籲將產品的報廢設計為物體的再利用或回收。第一步是使用最大限度減少汙染並減少廢物產生的材料來設計航天器。第二步是在軌道上維修衛星的損壞部件，以延長其生命週期。第三步是從報廢的衛星中回收材料，用於新的任務，而無需將衛星帶回地球。最後，我們必須回收和再處理太空碎片，以降低碰撞風險並回收有價值的元件。
如果沒有一些技術創新，我們將無法實施迴圈太空經濟。我們目前沒有技術來維修軌道上的所有航天器，儘管一些公司和航天機構正在為此努力。我們必須創造技術來延長衛星的執行壽命，並減少對成本高昂且資源密集型更換任務的需求。我們需要能夠接近老舊衛星並與之對接的航天器，使用機器人進行維修、燃料補給和升級。
太空探索還引發了關於公平資源開採、所有權和環境管理的根本倫理問題。
當衛星的工作壽命結束時，我們還需要一種方法來重複使用和回收衛星。目前，所有衛星在主要任務結束後都會變成垃圾，而新衛星則完全由新材料製成。這是一種巨大的浪費，很像我們用於舊汽車和其他車輛的廢品場。研究人員正在研究從報廢的航天器中回收材料，以整合到新航天器中，並使用技術利用舊部件製造新衛星的方法。
SpaceX 正在開發的可重複使用火箭技術是朝著這個方向邁出的積極一步。例如，他們的獵鷹 9 號火箭的助推器在發射後在太空中被拋棄後可以垂直著陸，從而使其能夠再次飛行。回收助推器不僅可以節省資金（每次獵鷹 9 號發射的成本降低高達 30%），還可以減少垃圾的產生。但到目前為止，SpaceX 是唯一一家使用可重複使用火箭發射衛星的公司或機構。我們需要更多。
在軌道上維修工作衛星也取得了進展。諾斯羅普·格魯曼公司的 SpaceLogistics 開發了一種航天器，即任務延壽飛行器 (MEV)，以幫助老舊衛星繼續執行。2020 年，它成功地與燃料即將耗盡的國際通訊衛星 901 對接，並開始使用自己的推進器和推進劑來操縱連線的航天器，延長了國際通訊衛星的執行壽命。第二個 MEV 於 2021 年與另一顆國際通訊衛星對接。當這些衛星準備退役時，MEV 可以脫離對接，繼續為其他需要幫助的航天器服務。發射 MEV 以幫助老舊航天器的成本約為建造和發射一顆全新衛星成本的一半到四分之一。除了節省資金外，在軌維修還減少了新衛星發射的頻率，從而最大限度地減少了太空碎片的積累以及火箭發射帶來的溫室氣體排放。
清除軌道碎片是另一項挑戰。不同型別的垃圾需要不同的清除技術，許多想法來自漁業：一些策略使用漁網，另一些策略使用魚叉，還有一些策略使用魚鉤。每種清除技術都有侷限性，並且僅適用於需要從軌道空間中捕撈出來的一部分物體。檢索任何型別的太空垃圾也非常昂貴，因為任何在太空中不受主動控制的物體都在翻滾。這意味著，要抓住某物將其移除，您必須找到一種方法來穩定太空碎片，或者讓您的碎片清除衛星與它一起翻滾。使碎片停止翻滾需要大量能量，這會導致高昂的推進劑成本。
珍·克里斯蒂安森；來源：“衛星統計：衛星和碎片數量”，喬納森的太空報告 (資料)
儘管如此，還是取得了一些進展。2021 年，一家總部位於東京的公司 Astroscale 開展了 Astroscale 演示 (ELSA-d) 任務的壽命終止服務，該任務發射了兩顆衛星：一顆模擬報廢的航天器，一顆服務衛星用於移除它。這兩艘航天器在軌道上成功對接，然後釋放，測試了最終碎片移除的關鍵過程。該公司計劃使用其Astroscale-Japan (ADRAS-J) 主動碎片移除任務進行更多測試，該任務於 2024 年發射。
歐洲航天局 (ESA) 與初創公司 ClearSpace 合作，計劃於 2028 年發射其 ClearSpace-1 任務。ClearSpace-1 將使用四個機械臂抓住該機構的 PROBA-1 衛星，並將其安全地帶出軌道。該專案的目標不僅是清理太空，還要開發瞄準更大、更復雜的碎片的能力。
最後，更高效的推進技術使航天器能夠使用更少的燃料，並在初始裝載量下持續更長時間。電力推進系統，如離子推進器和霍爾效應推進器，是較新的技術，與傳統的化學推進相比，具有更高的效率和燃油經濟性。這些系統使用電力來電離推進劑併產生推力，使航天器能夠獲得更高的速度並在更長的時間內執行精確的機動。電力推進已被許多工作衛星使用，並將變得越來越普遍。
當我們設計新技術來保護太空時，我們不妨從另一種技術中汲取靈感：土著社會的傳統生態知識 (TEK)。這種 TEK 強調人類活動與環境之間和諧關係的重要性。它向我們表明，我們必須將太空視為我們自然世界的延伸，必須明智且負責任地管理資源。
將 TEK 理念應用於現代太空活動的一個例子是歐空局與澳大利亞土著群體最近的一次合作，以研究太空碎片對野生動物棲息地的影響。透過尊重土著社群的智慧，歐空局不僅推進了他們的科學目標，還推廣了一種可以應用於未來太空任務的可持續模式。
僅靠新技術不足以解決太空垃圾問題——我們還需要法律改革。當前的全球太空政策是各種法規的拼湊，這些法規通常落後於技術進步和太空活動不斷發展的需求。例如，SpaceX 在部署其可重複使用火箭方面面臨監管挑戰，因為我們的法律尚未跟上技術的發展。不同國家和地區之間分散的法規也導致了不一致，並阻礙了國際合作。許多現有的太空政策甚至沒有涉及可持續實踐，例如在軌維修、太空碎片減緩和負責任的資源利用。
歐盟正試圖透過將可持續發展原則納入其太空政策來鋪平道路。歐盟簡化了成員國衛星發射和在軌執行的許可程式，併為處理太空碎片的研究和開發分配了大量資金。美國透過其眾多政府機構，也已開始努力簡化許可流程。但大多數國家都危險地落後了。
政府在激勵公司設計和開發可持續太空系統方面可以發揮重要作用。一種方法是採用所謂的生產者責任延伸法，該法律要求公司幫助管理其生產技術產生的廢物。也許政府可以利用信用系統來規範行業允許產生的太空碎片量。法律還可以激勵在軌回收中心的設計、發射和運營，在這些中心可以重新利用老舊和報廢的衛星。
最終，允許航天器發射的政府對其太空物體可能造成的任何損害負責。因此，清理軌道空間的責任落在政府身上，但包括俄羅斯、美國或中國在內的任何政府都沒有建立健全的太空垃圾收集和清除服務市場。此外，目前還沒有法律機制可以將這種損害賠償責任從一個發射國轉移到另一個發射國，這使得制定類似於海事政策的太空打撈法變得複雜。聯合國和平利用外層空間委員會也在制定國際空間法和規範方面發揮著關鍵作用。《空間碎片減緩準則》鼓勵成員國管理空間碎片並促進可持續的太空行動。包括美國在內的 100 多個國家已經認可了該準則。然而，準則本身並不是可執行的法律——它們僅僅是建議。
太空探索還引發了關於公平資源開採、所有權和環境管理的根本倫理問題。例如，小行星採礦為獲取稀有礦物和資源提供了機會，儘管它也存在破壞天體的科學和文化遺產的風險。太空採礦可能會破壞全球市場——想象一下開採一顆由鉑金製成的小行星。此外，誰應該被允許從小行星的資源中獲利——僅僅是某些國家或某些億萬富翁從太空商品中變得更加富有和強大是否公平？
國際空間法研究所和聯合國和平利用外層空間事務辦公室等組織正在努力制定負責任地利用太空資源的道德準則，這些準則強調透明度、國際合作和可持續性。“太空可持續發展評級”等旨在根據可持續實踐對太空任務進行認證的倡議，可以鼓勵公司和國家採取負責任的行動。
為子孫後代保護太空環境是一項道德責任。在短期內，我們必須立即採取行動來應對日益增長的太空垃圾危險。我們需要更多資金用於碎片跟蹤和碎片減緩技術。我們還必須開始改變我們建造和使用衛星的方式，以減少資源浪費，減少垃圾和汙染，並更多地回收利用。迴圈太空經濟是保持太空無限期可用的唯一途徑。
從長遠來看，加強國際合作——以及要求可持續太空實踐的國際條約——至關重要。機構間空間碎片協調委員會是一個致力於解決軌道垃圾問題的政府間組織，這是一個有希望的步驟。包括 NASA、中國國家航天局和俄羅斯航天集團在內的許多航天機構都是其成員。歐空局的清潔太空倡議是另一種透過技術開發和政策變更來減少太空碎片的明智方法。
建立迴圈太空經濟不僅是一種選擇，而且是太空探索可持續未來的必然選擇。透過採納再利用、回收和高效資源管理原則，我們可以降低太空碎片碰撞的風險，保護資源，並確保外太空仍然是科學發現和商業創新的可行領域。政策制定者、行業領導者、科學家和全球社會必須擁抱可持續的地球軌道活動方式，確保其為子孫後代發揮潛力。