清理太空垃圾的必要性

我们头顶拥挤的天空

其结果是形成了一个工业规模的无生命物体集合——废弃卫星、耗尽的火箭助推级以及过往碰撞产生的碎片——它们以约 7.5 公里/秒的速度绕地球疾驰。即使是毫米级的碎屑也能让运行中的航天器瘫痪。运营商经常花费资金和任务时间来引导卫星避开潜在的碰撞；每一次避免的撞击都是一种节省，而每一次碰撞都会产生数以千计的新威胁。科学家和相关机构警告称，如果不采取行动，连锁解体反应可能会使某些有用的轨道实际上无法使用。

研究人员的提议

新的研究采取了两种互补的方法。一种思路是将清理工作视为物流和经济问题：一个研究小组将清理任务建模为一个配送问题——涉及路径、燃料、时间窗口和载荷限制——并估算了将高风险物体带离轨道的净收益。他们的发现令人惊讶：移除少数最危险的残骸就能扭转局势。对于低成本、不受控的再入操作，在移除大约 20 个物体后，收益就超过了成本；回收概念需要更大的规模，但如果材料回收率高，在回收约 35 个物体后即可实现盈利。

第二种思路推动向循环空间经济进行系统级转变。化学工程师和材料研究人员认为，卫星、火箭和轨道基础设施的设计应考虑可维修性、可重复使用性和可回收性。这包括可以在轨道上改装的模块化卫星、用于加油和维修的轨道站、选择更利于安全再入或重复使用的材料，以及机器人收集器——如网、鱼叉、抓斗和维修航天器——用以捕获废弃物并回收金属。将操作性清理与更智能的设计相结合，可以减少废物的流入以及碎片的现有存量。

清理方案与工程权衡

清理提议分为三种广泛的技术路径。第一种是不受控返回：将碎片推入较低的高度，由大气阻力完成剩余的工作。这种方法成本低廉，但再入落点区域不可预测。第二种是受控返回：捕获碎片并进行针对性的离轨，确保碎片在偏远的海洋走廊上空烧毁；这种方法成本较高，但降低了地面风险。第三种更具野心的路径是在轨回收：将大型部件运送到轨道铸造厂以回收金属，并供应空间制造闭环。

每种方案都有权衡。受控返回需要燃料和引导能力。回收则需要在轨道上建立配套的工业生态系统和可靠的回收比例：如果回收的质量能有效抵消从地球运送材料约 1,500 美元/公斤的成本，经济效益就会提高。所有方法都依赖于更好的探测和编目，以便清理方能够优先处理对长期风险影响最大的那一小部分物体。

碰撞之外的污染：发射与再入的大气影响

清理工作并不止于轨道力学。测试和实地研究发现，燃烧的航天器材料和火箭尾气会将颗粒物和气体注入平流层。测量结果已在高层大气样本中检测到铝、铜和其他金属，模型研究表明，煤油火箭产生的黑碳会加热平流层并影响臭氧化学反应。甲烷等替代推进剂每公斤产生的烟尘较少，但更大规模的载具和更频繁的发射可能会在大规模应用时抵消这一优势。

研究人员强调需要在规划中考虑大气影响。未来每天都有重型运载飞行和数万颗卫星，这将改变高层大气层的化学成分和颗粒物平衡，其方式仍待量化。设计选择——推进剂、再入时能洁净消融的材料以及发射频率——对气候和臭氧的影响与对轨道拥堵的影响同样重要。

谁来买单：激励机制问题

一个持久的障碍是经济利益的一致性。清理任务承担了成本，而其带来的收益——更少的碰撞预警、更低的保险费用和降低的系统性风险——则由所有运营商共享。如果没有明确的收入来源，私营公司缺乏进行大规模清理投资的动力。

物流研究背后的经济学家提出了激励共享计划：受益的运营商将规避成本的一部分存入基金，用于向清理方支付报酬。博弈论分析显示，存在广泛的分享比例可以让双方都获益，特别是当清理成本低廉且具有针对性时。这表明监管机构或行业财团可以发挥切实作用，构建支付方案和合同，将集体安全转化为私人收入。

政策与国际协调

技术是必要的，但还不够。各机构正在行动：European Space Agency（欧洲空间局）发布了一份报告并召开了研讨会，强调了失控级联的风险——即“Kessler”（凯斯勒）效应式的结果，碰撞产生更多碰撞——以及立即采取行动的必要性。ESA 已计划开展为期数年的实地活动，以改进测量并试验新的移除技术。其他机构也勾画了类似的路线图，但资金和外交协调仍是障碍。

监管将塑造商业激励。要求卫星进行寿命末期处置、设定离轨能力的最低设计标准或收取与碰撞风险挂钩的费用的规则，可以创造对清理服务的可预测需求。同时，精心设计的市场机制——如可交易的风险信用或混合保险计划——可以在没有强硬强制命令的情况下动员民间资本。

下一步期待

如果该领域遵循近期论文和机构报告中的提议，几件事情将并行发生。预计会出现更多演示任务：使用抓取或套袋方式捕捉物体的维修航天器、模块化设计和在轨服务的实验，以及使用回收材料的小型回收试点。数据活动将细化碎片的持续时间以及每个物体代表的风险程度——这些指标对于清理定价至关重要。在政策层面，关注公众咨询和初步规则，这些规则将促使运营商将产生长寿命碎片的成本内部化。

此外还有一个经济测试。物流建模表明，移除少数风险最高的物体可以使清理工作实现盈亏平衡或盈利。如果前几次任务证明了可靠性以及将规避成本变现的明确途径，私人清理可能会从小众走向常态。否则，后果将是进入某些轨道的途径缓慢退化，以及每位卫星运营商的运营成本升高。

完成闭环

我们正处于一个拐点。天空已成为一种具有商业价值和环境外部性的共享基础设施。清理和重复使用的技术基石已经存在或接近成熟；剩下的工作是统一资金、政策和行业实践。通过针对性地移除最高风险物体、改变设计使卫星可维修和可回收，以及建立支付给清理方的经济机制，这些措施的结合可以稳定这一系统。

清理太空不仅是一个技术挑战，也是一个治理和市场设计问题。近期研究和机构工作的利好消息是，如果政府和行业选择在轨道尚且可用时立即投资于解决方案，工程和经济两方面都是可行的。

Sources

• Journal of Spacecraft and Rockets（关于空间物流和 orbital debris 治理激励设计的研讨论文）
• Chem Circularity（Cell Press 期刊：循环空间经济中的资源和材料效率）
• European Space Agency（关于 orbital debris 和风险的 ESA 报告及研讨会）
• University of Surrey（循环空间经济和材料研究）
• University of Colorado（平流层黑碳和火箭排放研究）