十年前，人类每年向太空发射约 200 个物体。现在我们发射超过 2,600 个，而且没有放缓的迹象。人类在外太空活动的快速扩张使地球轨道充满了太空垃圾，从报废的卫星到用完的火箭部件。该区域已经非常拥挤，以至于工作卫星面临着与前几代航天器的垃圾碎片相撞的风险。即使是国际空间站也经常不得不调整轨道以躲避碎片。
目前，有超过 25,000 块可追踪的、大于 10 厘米的人造垃圾在地球轨道上运行。我们在那里放置的垃圾越多，碎片（以高达子弹 15 倍的相对速度飞行）撞击工作航天器的机会就越大，从而产生更多危险的垃圾。例如，2009 年报废的俄罗斯卫星 Cosmos 2251 与正在运行的铱星卫星之间的灾难性碰撞，产生了近 2,000 块碎片，其中许多碎片至今仍在被追踪。
轨道空间是一种有限的资源，并且正在被少数组织迅速消耗，尤其是 SpaceX、OneWeb 和亚马逊的柯伊伯计划。例如，SpaceX 拥有并运营着大多数在轨工作卫星，该公司的目标是发射数万颗卫星，以提供全球宽带互联网覆盖。同样，亚马逊计划为其宽带网络部署 3,236 颗卫星。
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在没有全球协调和计划的情况下，让每个人都能不受限制地访问，意味着最终可能没有人能够使用它。
如果我们保持这种速度，轨道空间将变得无法使用——尤其是最受欢迎的区域，即高达 2,000 公里高度的近地轨道 (LEO)。当纵观所有轨道区域时，我们可能会失去我们已经依赖的服务：持续通信、GPS 地图、互联网、地球监测等等。今天，几乎每一颗发射的卫星都相当于一件一次性塑料，因为它的命运是变成废弃物。我们正朝着轨道空间的公地悲剧迈进：在没有全球协调和计划的情况下，让每个人都能不受限制地访问，意味着最终可能没有人能够使用它。
随着我们不断推进太空探索和商业化的边界，一种重新思考我们使用太空环境的方式的运动正在兴起——转向以管理和健全的废物管理原则为基础的战略。我相信我们必须抛弃“线性太空经济”，即我们使用后就抛弃的模式，转而走向“循环太空经济”——一种可持续利用太空的方式，强调太空资源的再利用、回收和高效管理。
正如我们正在思考如何为未来的生物保护地球上的生态系统一样，我们必须将太空视为一个值得保护的环境。事实上，改革我们在太空中的运作方式对于地球保护至关重要。
卫星和火箭的生产、发射和运行消耗大量资源和能源，导致温室气体排放和环境退化。火箭发射会将污染物释放到大气中，包括二氧化碳、烟尘和氧化铝，这些污染物会对大气造成损害并加剧气候变化。
此外，不受控制的再入大气层做法，即允许报废的卫星和火箭级段在大气层中烧毁，加剧了大气污染，并造成碎片坠落到地球上的人员和财产上的风险。例如，2024 年，一块SpaceX 龙飞船服务舱的碎片，包括一块大约标准汽车引擎盖大小的碎片，落在了北卡罗来纳州的山区，而一个被丢弃的国际空间站部件掉进了佛罗里达州那不勒斯的一所房子的屋顶。
ClearSpace-1 任务计划于 2025 年发射，与一块织女座火箭碎片会合。这张插图显示 ClearSpace-1 用机械臂捕获碎片。该任务旨在将火箭部件拖入大气层烧毁。
ClearSpace SA
循环太空经济将代表着向可持续太空实践的范式转变，其灵感来自地球上日益普及的循环经济理念。“循环性”在这里指的是废物管理原则，呼吁将产品的报废设计为物体的再利用或回收。第一步是使用最大限度减少污染并减少废物产生的材料来设计航天器。第二步是在轨道上维修卫星的损坏部件，以延长其生命周期。第三步是从报废的卫星中回收材料，用于新的任务，而无需将卫星带回地球。最后，我们必须回收和再处理太空碎片，以降低碰撞风险并回收有价值的组件。
如果没有一些技术创新，我们将无法实施循环太空经济。我们目前没有技术来维修轨道上的所有航天器，尽管一些公司和航天机构正在为此努力。我们必须创造技术来延长卫星的运行寿命，并减少对成本高昂且资源密集型更换任务的需求。我们需要能够接近老旧卫星并与之对接的航天器，使用机器人进行维修、燃料补给和升级。
太空探索还引发了关于公平资源开采、所有权和环境管理的根本伦理问题。
当卫星的工作寿命结束时，我们还需要一种方法来重复使用和回收卫星。目前，所有卫星在主要任务结束后都会变成垃圾，而新卫星则完全由新材料制成。这是一种巨大的浪费，很像我们用于旧汽车和其他车辆的废品场。研究人员正在研究从报废的航天器中回收材料，以整合到新航天器中，并使用技术利用旧部件制造新卫星的方法。
SpaceX 正在开发的可重复使用火箭技术是朝着这个方向迈出的积极一步。例如，他们的猎鹰 9 号火箭的助推器在发射后在太空中被抛弃后可以垂直着陆，从而使其能够再次飞行。回收助推器不仅可以节省资金（每次猎鹰 9 号发射的成本降低高达 30%），还可以减少垃圾的产生。但到目前为止，SpaceX 是唯一一家使用可重复使用火箭发射卫星的公司或机构。我们需要更多。
在轨道上维修工作卫星也取得了进展。诺斯罗普·格鲁曼公司的 SpaceLogistics 开发了一种航天器，即任务延寿飞行器 (MEV)，以帮助老旧卫星继续运行。2020 年，它成功地与燃料即将耗尽的国际通信卫星 901 对接，并开始使用自己的推进器和推进剂来操纵连接的航天器，延长了国际通信卫星的运行寿命。第二个 MEV 于 2021 年与另一颗国际通信卫星对接。当这些卫星准备退役时，MEV 可以脱离对接，继续为其他需要帮助的航天器服务。发射 MEV 以帮助老旧航天器的成本约为建造和发射一颗全新卫星成本的一半到四分之一。除了节省资金外，在轨维修还减少了新卫星发射的频率，从而最大限度地减少了太空碎片的积累以及火箭发射带来的温室气体排放。
清除轨道碎片是另一项挑战。不同类型的垃圾需要不同的清除技术，许多想法来自渔业：一些策略使用渔网，另一些策略使用鱼叉，还有一些策略使用鱼钩。每种清除技术都有局限性，并且仅适用于需要从轨道空间中捕捞出来的一部分物体。检索任何类型的太空垃圾也非常昂贵，因为任何在太空中不受主动控制的物体都在翻滚。这意味着，要抓住某物将其移除，您必须找到一种方法来稳定太空碎片，或者让您的碎片清除卫星与它一起翻滚。使碎片停止翻滚需要大量能量，这会导致高昂的推进剂成本。
珍·克里斯蒂安森；来源：“卫星统计：卫星和碎片数量”，乔纳森的太空报告 (数据)
尽管如此，还是取得了一些进展。2021 年，一家总部位于东京的公司 Astroscale 开展了 Astroscale 演示 (ELSA-d) 任务的寿命终止服务，该任务发射了两颗卫星：一颗模拟报废的航天器，一颗服务卫星用于移除它。这两艘航天器在轨道上成功对接，然后释放，测试了最终碎片移除的关键过程。该公司计划使用其Astroscale-Japan (ADRAS-J) 主动碎片移除任务进行更多测试，该任务于 2024 年发射。
欧洲航天局 (ESA) 与初创公司 ClearSpace 合作，计划于 2028 年发射其 ClearSpace-1 任务。ClearSpace-1 将使用四个机械臂抓住该机构的 PROBA-1 卫星，并将其安全地带出轨道。该项目的目标不仅是清理太空，还要开发瞄准更大、更复杂的碎片的能力。
最后，更高效的推进技术使航天器能够使用更少的燃料，并在初始装载量下持续更长时间。电力推进系统，如离子推进器和霍尔效应推进器，是较新的技术，与传统的化学推进相比，具有更高的效率和燃油经济性。这些系统使用电力来电离推进剂并产生推力，使航天器能够获得更高的速度并在更长的时间内执行精确的机动。电力推进已被许多工作卫星使用，并将变得越来越普遍。
当我们设计新技术来保护太空时，我们不妨从另一种技术中汲取灵感：土著社会的传统生态知识 (TEK)。这种 TEK 强调人类活动与环境之间和谐关系的重要性。它向我们表明，我们必须将太空视为我们自然世界的延伸，必须明智且负责任地管理资源。
将 TEK 理念应用于现代太空活动的一个例子是欧空局与澳大利亚土著群体最近的一次合作，以研究太空碎片对野生动物栖息地的影响。通过尊重土著社区的智慧，欧空局不仅推进了他们的科学目标，还推广了一种可以应用于未来太空任务的可持续模式。
仅靠新技术不足以解决太空垃圾问题——我们还需要法律改革。当前的全球太空政策是各种法规的拼凑，这些法规通常落后于技术进步和太空活动不断发展的需求。例如，SpaceX 在部署其可重复使用火箭方面面临监管挑战，因为我们的法律尚未跟上技术的发展。不同国家和地区之间分散的法规也导致了不一致，并阻碍了国际合作。许多现有的太空政策甚至没有涉及可持续实践，例如在轨维修、太空碎片减缓和负责任的资源利用。
欧盟正试图通过将可持续发展原则纳入其太空政策来铺平道路。欧盟简化了成员国卫星发射和在轨运行的许可程序，并为处理太空碎片的研究和开发分配了大量资金。美国通过其众多政府机构，也已开始努力简化许可流程。但大多数国家都危险地落后了。
政府在激励公司设计和开发可持续太空系统方面可以发挥重要作用。一种方法是采用所谓的生产者责任延伸法，该法律要求公司帮助管理其生产技术产生的废物。也许政府可以利用信用系统来规范行业允许产生的太空碎片量。法律还可以激励在轨回收中心的设计、发射和运营，在这些中心可以重新利用老旧和报废的卫星。
最终，允许航天器发射的政府对其太空物体可能造成的任何损害负责。因此，清理轨道空间的责任落在政府身上，但包括俄罗斯、美国或中国在内的任何政府都没有建立健全的太空垃圾收集和清除服务市场。此外，目前还没有法律机制可以将这种损害赔偿责任从一个发射国转移到另一个发射国，这使得制定类似于海事政策的太空打捞法变得复杂。联合国和平利用外层空间委员会也在制定国际空间法和规范方面发挥着关键作用。《空间碎片减缓准则》鼓励成员国管理空间碎片并促进可持续的太空行动。包括美国在内的 100 多个国家已经认可了该准则。然而，准则本身并不是可执行的法律——它们仅仅是建议。
太空探索还引发了关于公平资源开采、所有权和环境管理的根本伦理问题。例如，小行星采矿为获取稀有矿物和资源提供了机会，尽管它也存在破坏天体的科学和文化遗产的风险。太空采矿可能会破坏全球市场——想象一下开采一颗由铂金制成的小行星。此外，谁应该被允许从小行星的资源中获利——仅仅是某些国家或某些亿万富翁从太空商品中变得更加富有和强大是否公平？
国际空间法研究所和联合国和平利用外层空间事务办公室等组织正在努力制定负责任地利用太空资源的道德准则，这些准则强调透明度、国际合作和可持续性。“太空可持续发展评级”等旨在根据可持续实践对太空任务进行认证的倡议，可以鼓励公司和国家采取负责任的行动。
为子孙后代保护太空环境是一项道德责任。在短期内，我们必须立即采取行动来应对日益增长的太空垃圾危险。我们需要更多资金用于碎片跟踪和碎片减缓技术。我们还必须开始改变我们建造和使用卫星的方式，以减少资源浪费，减少垃圾和污染，并更多地回收利用。循环太空经济是保持太空无限期可用的唯一途径。
从长远来看，加强国际合作——以及要求可持续太空实践的国际条约——至关重要。机构间空间碎片协调委员会是一个致力于解决轨道垃圾问题的政府间组织，这是一个有希望的步骤。包括 NASA、中国国家航天局和俄罗斯航天集团在内的许多航天机构都是其成员。欧空局的清洁太空倡议是另一种通过技术开发和政策变更来减少太空碎片的明智方法。
建立循环太空经济不仅是一种选择，而且是太空探索可持续未来的必然选择。通过采纳再利用、回收和高效资源管理原则，我们可以降低太空碎片碰撞的风险，保护资源，并确保外太空仍然是科学发现和商业创新的可行领域。政策制定者、行业领导者、科学家和全球社会必须拥抱可持续的地球轨道活动方式，确保其为子孙后代发挥潜力。