太空越來越擁擠了。

近地軌道擠滿了老化衛(wèi)星和太空碎片，這增加了新衛(wèi)星的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。而新衛(wèi)星碰撞又增加了太空垃圾……如此惡性循環(huán)。

一項(xiàng)新研究認(rèn)為，解決太空垃圾問題最有效的方法不是捕獲碎片或?qū)⑴f衛(wèi)星拖離軌道，而是向運(yùn)營商收取 “軌道使用費(fèi)”。這可能有點(diǎn)像碳稅。

軌道使用費(fèi)還將提高航天工業(yè)的長期價(jià)值。研究人員近日在美國《國家科學(xué)院院刊》發(fā)表論文稱，每顆衛(wèi)星的年費(fèi)上升到23.5萬美元，不僅能降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)，到2040年，還將使衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的價(jià)值增加3倍。

“太空是人類共同的資源，但公司在決定是否發(fā)射衛(wèi)星時(shí)，并沒有考慮到這些衛(wèi)星會(huì)給空間環(huán)境帶來多大的成本。”該論文作者、美國環(huán)境科學(xué)研究所經(jīng)濟(jì)學(xué)家Matthew Burgess說，“我們需要一種政策，讓衛(wèi)星運(yùn)營商直接將可能發(fā)生的其他成本也計(jì)算入發(fā)射成本。”

太空也“堵車”

據(jù)科學(xué)家估計(jì)，目前有2萬個(gè)物體，包括衛(wèi)星和太空碎片，正飄蕩在近地軌道上。隨著商業(yè)衛(wèi)星的不斷增加，太空也將面臨“大堵車”。

2019年4月，美國亞馬遜公司提出“柯伊伯項(xiàng)目”，計(jì)劃將3236顆衛(wèi)星送入近地軌道，為北緯56度到南緯56度之間的區(qū)域提供寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

同年5月，美國太空探索技術(shù)公司的“獵鷹9”火箭將首批60顆“星鏈”衛(wèi)星“打包”送入太空，之后還將有1584顆衛(wèi)星部署在地球上空550千米處的近地軌道。

美國一網(wǎng)公司也在第一階段部署約650顆互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星，并于去年2月發(fā)射了6顆衛(wèi)星。

有研究認(rèn)為，大量衛(wèi)星的涌入，讓軌道開始不堪重負(fù)，增加了碰撞風(fēng)險(xiǎn)。因此小衛(wèi)星一旦完成使命，應(yīng)立即脫離軌道。

正是出于對減少太空垃圾的考慮，太空探索技術(shù)公司不得不將原定在地球上方1150千米高度運(yùn)行的1600顆衛(wèi)星減少到1584顆，軌道高度則降低至550千米。因?yàn)楫?dāng)衛(wèi)星燃料不足或無法正常運(yùn)行時(shí)，在較低軌道更容易清理——這里的地球大氣粒子能更快地撞擊衛(wèi)星，將其推離原有軌道并拖向地球，并終結(jié)在大氣層里。

即便如此，研究人員認(rèn)為，隨著每個(gè)運(yùn)營商發(fā)射的衛(wèi)星越來越多，它們的碰撞風(fēng)險(xiǎn)仍會(huì)飆升，最終推高軌道衛(wèi)星的價(jià)值。

“炸掉”還是“拖走”

自2000年以來，太空垃圾協(xié)調(diào)委員會(huì)等國際組織相繼制定了實(shí)現(xiàn)空間可持續(xù)性的準(zhǔn)則。例如衛(wèi)星壽命結(jié)束后使其失活，或?qū)⑿l(wèi)星高度降到足夠低以便墜毀在大氣層中。

南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院教授聞新在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)曾表示，一般按照國際要求，航天器壽命結(jié)束后，要變軌，最終飛入南太平洋的“太空垃圾場”。

但是，火箭殘骸或其他較大的衛(wèi)星碎片，因技術(shù)問題會(huì)最終成為太空垃圾。而目前處理太空垃圾的辦法五花八門，甚至有人建議成立專門的作戰(zhàn)隊(duì)，進(jìn)行太空“交通管制”。

近日，日本首支“太空作戰(zhàn)隊(duì)”在東京都府中基地成立。日本防衛(wèi)省稱，太空作戰(zhàn)隊(duì)的主要任務(wù)是監(jiān)控太空垃圾、隕石及不明衛(wèi)星。

2019年升空的金牛座納星便是為了驗(yàn)證“離軌帆”技術(shù)，以減少太空垃圾。 針對近地700千米以內(nèi)的低軌微小衛(wèi)星，采用薄膜“離軌帆”標(biāo)配裝置，能在衛(wèi)星壽命末期在軌展開，以增大氣動(dòng)阻尼的方式實(shí)現(xiàn)“被動(dòng)離軌”。

美國米德伯理學(xué)院經(jīng)濟(jì)學(xué)助理教授Akhil Rao告訴《中國科學(xué)報(bào)》，到目前為止，人們提出的太空垃圾解決方案主要是技術(shù)或管理方面的。技術(shù)方案主要包括用網(wǎng)或激光清除軌道上的太空碎片。“在衛(wèi)星壽命結(jié)束時(shí)將其拖離軌道是管理上的修正。”他說。

但Burgess表示，像這樣的工程或管理解決方案難以解決太空碎片問題，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)改變運(yùn)營商的動(dòng)機(jī)。例如，清除太空碎片可能會(huì)促使運(yùn)營商發(fā)射更多衛(wèi)星，反過來又使低地球軌道更加擁擠，增加碰撞風(fēng)險(xiǎn)，最終提高成本。

“這是一個(gè)激勵(lì)問題，而不是一個(gè)工程問題。關(guān)鍵是建立正確的激勵(lì)機(jī)制。”Rao說。

“罰單”貼到太空去

Rao、Burgess和同事發(fā)現(xiàn)，解決太空碎片問題的一個(gè)更好辦法可能是收取軌道使用費(fèi)，即對軌道衛(wèi)星征稅。“這和發(fā)射費(fèi)不一樣，發(fā)射費(fèi)本身并不能使運(yùn)營商在必要時(shí)讓衛(wèi)星脫離軌道，事實(shí)上造成損害的不是發(fā)射行為，而是軌道衛(wèi)星本身。”Rao說。

研究人員將軌道使用費(fèi)與常規(guī)業(yè)務(wù)(即進(jìn)入太空)和技術(shù)手段(如清除太空垃圾)進(jìn)行了比較。他們發(fā)現(xiàn)，軌道使用費(fèi)能迫使運(yùn)營商直接衡量其衛(wèi)星的預(yù)期壽命價(jià)值，以及將另一顆衛(wèi)星送入軌道的成本和制造額外風(fēng)險(xiǎn)的成本。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在收取使用費(fèi)的情況下，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的長期價(jià)值將從通常情況下的6000億美元增加到3萬億美元，增加的價(jià)值主要來自減少碰撞的相關(guān)成本。

軌道使用費(fèi)可以是直接費(fèi)用或可交易許可，也可以是特定軌道的費(fèi)用，因?yàn)椴煌壍赖男l(wèi)星會(huì)產(chǎn)生不同的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。最重要的是，每顆衛(wèi)星的費(fèi)用將根據(jù)行業(yè)將另一顆衛(wèi)星送入軌道的成本進(jìn)行計(jì)算，其中包括當(dāng)前和未來額外碰撞風(fēng)險(xiǎn)和空間碎片生產(chǎn)的預(yù)期成本。

“在我們的模型中，重要的是衛(wèi)星運(yùn)營商為其他運(yùn)營商承擔(dān)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)買單。”參與該研究的科羅拉多大學(xué)博爾德分校經(jīng)濟(jì)學(xué)教授Daniel Kaffine告訴記者。而且，這些費(fèi)用會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加，以覆蓋更清潔軌道的價(jià)值上升。模型顯示，最優(yōu)費(fèi)用將以每年14%的速度增長，到2040年達(dá)到每顆衛(wèi)星約23.5萬美元。

但研究人員表示，為了實(shí)現(xiàn)相關(guān)目標(biāo)，所有發(fā)射衛(wèi)星的國家都需要參與其中——大約12個(gè)國家使用自己的運(yùn)載火箭發(fā)射衛(wèi)星，30多個(gè)國家使用自己的衛(wèi)星。實(shí)際上，這與各國在碳稅和漁業(yè)管理方面采取的措施相似。

“在其他領(lǐng)域，解決公地悲劇往往是一場需要付出巨大社會(huì)成本的‘追趕游戲’。但相對年輕的航天工業(yè)可以在這些成本升級(jí)之前加以規(guī)避。”Burgess說。

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