太空垃圾清除計(jì)劃

2024年11月19日，停靠在國際空間站的俄羅斯“進(jìn)步89號”貨運(yùn)飛船推進(jìn)器持續(xù)點(diǎn)火約5.5分鐘，讓國際空間站避開了一塊2015年解體的報(bào)廢國防氣象衛(wèi)星的碎片。

6天后，“進(jìn)步89號”又啟動推進(jìn)器約3.5分鐘，使國際空間站的軌道升高約500米，以便避開另一大塊太空碎片。

不到一周的時(shí)間里，國際空間站兩次采取行動躲避太空碎片。而根據(jù)美國國家航空航天局（NASA）2022年的報(bào)告，1999年以來，國際空間站已采取32次主動規(guī)避行動，以避免與可追蹤的大型物體發(fā)生碰撞。

目前人類可利用的太空范圍主要集中在距離地面高度2000公里內(nèi)的近地軌道、高度介于2000至20000公里的中地球軌道，以及高度為5786公里的地球同步軌道。但這個(gè)看似廣闊的空間正在變得越來越擁擠。根據(jù)歐洲航天局2024年9月的統(tǒng)計(jì)，自1957年太空時(shí)代開始以來，人類已成功發(fā)射火箭約6740次，把近2萬個(gè)衛(wèi)星送入地球軌道，其中超過1萬個(gè)衛(wèi)星仍在運(yùn)行中。近10年里，全球發(fā)射進(jìn)入太空的物體數(shù)量激增，其中絕大多數(shù)來自SpaceX、藍(lán)色起源等私人公司的商業(yè)發(fā)射。

空間日益擁擠無疑增加了風(fēng)險(xiǎn)，太空碎片，也就是俗稱的太空垃圾就是其中之一。太空垃圾包括壽命已盡而報(bào)廢的人造衛(wèi)星、因事故和故障而失控的人造衛(wèi)星、發(fā)射航天器時(shí)使用的火箭及其零件、大塊碎片碰撞產(chǎn)生的小碎片等。

1957年以來，在太空發(fā)生分解、爆炸、碰撞等導(dǎo)致碎片化的事件超過650次。2009年，運(yùn)行中的美國衛(wèi)星“銥星33”與俄羅斯的廢棄衛(wèi)星“宇宙2251”發(fā)生碰撞，是有史以來首次發(fā)生在近地軌道的人造衛(wèi)星意外碰撞事件。這次事件產(chǎn)生了1800多塊超過10厘米的碎片，還有約20萬個(gè)大小在1至10厘米之間的碎片。歐洲航天局空間碎片辦公室的模型預(yù)估，2024年在軌的碎片物體數(shù)量已經(jīng)超過1.3億個(gè)。

事實(shí)上，美國科學(xué)家唐納德·凱斯勒早在1978年就關(guān)注到這一風(fēng)險(xiǎn)，提出了“凱斯勒綜合征”理論，他指出，當(dāng)?shù)厍蜍壍郎系奶账槠芏冗_(dá)到一定臨界值，碰撞事件的發(fā)生頻率會顯著增加，從而觸發(fā)連鎖反應(yīng)，產(chǎn)生更多的碎片，這些碎片不斷累積可能導(dǎo)致特定軌道變得無法使用—本質(zhì)上是一種太空碎片的惡性循環(huán)。

但風(fēng)險(xiǎn)里也蘊(yùn)藏著商機(jī)。過去十多年里，一些專注于太空垃圾清理的創(chuàng)業(yè)公司出現(xiàn)，通過創(chuàng)新技術(shù)提供相應(yīng)的解決方案，試圖在這個(gè)新興領(lǐng)域建立一個(gè)可持續(xù)的商業(yè)模式。

太空清潔工

2013年，日本企業(yè)家岡田光信創(chuàng)立了Astroscale，這家公司的主要業(yè)務(wù)就是清理太空垃圾?！都~約時(shí)報(bào)》記者2016年探訪Astrosacle的總部時(shí)，岡田光信身著藍(lán)色的T恤接待來訪者，上面寫著公司的口號—“太空清潔工”。

岡田光信從小就對太空充滿好奇，兒時(shí)的夢想是成為一名宇航員。15歲時(shí)，岡田光信參加了美國太空和火箭中心組織的太空訓(xùn)練營，在那里見到了日本首位航天員毛利衛(wèi)，后來他還曾就讀普渡大學(xué)商學(xué)院—“登月第一人”阿姆斯特朗的母校。大學(xué)畢業(yè)后，在做了一系列和太空毫無關(guān)聯(lián)的工作后，接近40歲時(shí)，岡田光信重新想起了自己的太空夢。

為了了解太空領(lǐng)域的熱門話題，岡田光信參加了幾次與太空相關(guān)的國際會議，太空垃圾的問題被反復(fù)提及。然而，岡田光信發(fā)現(xiàn)，這些討論常常只是抽象的概念，并沒有實(shí)際的解決方案，有演講者稱，需要5年甚至更久時(shí)間才能開發(fā)出相應(yīng)的解決方案。岡田光信認(rèn)為，一個(gè)受商業(yè)利潤驅(qū)使的小型私營公司或許能更快地解決問題，Astroscal也成為全球第一家清理太空垃圾的創(chuàng)業(yè)公司。

但技術(shù)的開發(fā)的確比想象中要艱難。Astroscale總部大廳里的一個(gè)裝置形象地展示了捕獲和清理太空垃圾的挑戰(zhàn)性：一個(gè)半透明的塑料圓球內(nèi)放置著幾十個(gè)白色棉球和一個(gè)紅色棉球，每次打開裝置的開關(guān)，噴射的氣流都會將一個(gè)新的棉球送入軌道，Astroscale的任務(wù)就是在密集的棉球群中抓住那個(gè)紅色棉球—也就是一塊太空垃圾。

Astroscale的項(xiàng)目也是以失敗開始的。2017年，Astroscale發(fā)射了首個(gè)示范任務(wù)衛(wèi)星“IDEAOSG1”，該小型衛(wèi)星重25千克，計(jì)劃在600至800千米高度的軌道運(yùn)行，用來跟蹤和測量近地軌道上無法從地面觀測到的小型碎片。然而，負(fù)責(zé)運(yùn)載它的俄羅斯“聯(lián)盟-2.1b”號火箭在抵達(dá)預(yù)定軌道前與地面失聯(lián)，事故原因后來被認(rèn)定為程序設(shè)置錯誤，與IDEAOSG1一同荷載于該火箭的共19顆衛(wèi)星均未能進(jìn)入預(yù)定軌道，原本旨在監(jiān)測太空垃圾的IDEAOSG1很有可能也成了太空垃圾的一部分。

4年后，Astroscale終于成功發(fā)射了ELSA-d，該項(xiàng)目旨在驗(yàn)證和展示尋找與捕獲太空碎片并使其安全脫軌的核心技術(shù)，這是Astroscale向衛(wèi)星運(yùn)營商提供的壽命終止服務(wù)（End-of-LifeServeice），也是全球太空垃圾清理領(lǐng)域的首個(gè)商業(yè)任務(wù)。

ELSA-d由服務(wù)器衛(wèi)星和客戶端衛(wèi)星組成，服務(wù)器衛(wèi)星重184千克，擁有磁性抓取裝置，用于捕獲碎片，重量16千克的客戶端衛(wèi)星則用來模擬失效衛(wèi)星，即需要清理的太空碎片。自2021年3月成功發(fā)射進(jìn)入軌道后，ELSA-d已完成了一系列技術(shù)演示，包括服務(wù)器與客戶端的分離、搜索和定位目標(biāo)、遠(yuǎn)距離接近和捕獲目標(biāo)等。

在此基礎(chǔ)上，Astroscale開始嘗試清除太空垃圾這一核心任務(wù)。ADRAS-J是基于ELSA-d的技術(shù)、與日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）合作的商業(yè)項(xiàng)目，第一階段的目標(biāo)是安全接近軌道中客戶指定的碎片物體，提供關(guān)于該物體的圖像等觀測信息，以更好了解其所處的環(huán)境，第二階段的目標(biāo)就是捕獲和清除太空碎片。

2024年2月，ADRAS-J成功發(fā)射并開始在軌運(yùn)行，完成了定點(diǎn)觀測、繞飛觀測等任務(wù)，2024年12月，ADRAS-J完成了與目標(biāo)碎片的最終接近嘗試，目前二者距離僅15米。

ADRAS-J的目標(biāo)物體是已經(jīng)存在于太空軌道中的物體，這意味著它面臨的技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)更大，但這是Astroscale驗(yàn)證其核心技術(shù)的實(shí)際可行性的必經(jīng)之路。該公司目前還在籌備ELSA-M和COSMIC兩個(gè)類似性質(zhì)的任務(wù)，歐洲通信衛(wèi)星制造商OneWeb、歐洲航天局和英國航天局是這兩個(gè)項(xiàng)目的合作伙伴。

憑借在太空垃圾清理領(lǐng)域的率先嘗試和相應(yīng)技術(shù)的突破，Astroscale已成長為行業(yè)內(nèi)最大的公司。除了日本總部，它還在英國、美國、法國、以色列等7個(gè)國家成立了子公司或辦事處。截至2023年2月，Astroscale的全球團(tuán)隊(duì)已有超過400名員工。

創(chuàng)立11年來，Astroscale完成了10輪融資，累計(jì)獲得3.97億美元，投資者包括由日本政府與19家民營企業(yè)合資成立的投資公司INCJ、東京大學(xué)旗下的創(chuàng)投機(jī)構(gòu)UTokyoIPC、全日空控股公司、三菱電機(jī)等。2024年6月，Astroscale在東京證券交易所上市，IPO發(fā)行價(jià)為850日元（約合39.2元人民幣），上市首日股價(jià)最高飆升86%，公司市值一度達(dá)到1724億日元（約合79.6億元人民幣）。

機(jī)械臂、雷達(dá)、加油站

Astroscale采用的主要技術(shù)是主動捕獲與清除（ADR），也就是通過物理設(shè)備和手段主動捕獲和移除太空垃圾，這是目前清理太空垃圾最為主流和成熟的技術(shù)路線。

成立于2018年的瑞士初創(chuàng)公司ClearSpace也采用了ADR技術(shù)，但與Astroscale的電磁吸附技術(shù)不同，ClearSpace開發(fā)了一種機(jī)械手臂來捕獲太空垃圾。2020年，ClearSpace獲得了歐洲航天局價(jià)值8600萬歐元的合同，隨后便啟動了“ClearSpace-1”開發(fā)任務(wù)，為歐洲航天局完成太空垃圾清除任務(wù)。ClearSpace-1的核心裝置是一個(gè)擁有四臂的機(jī)械“爪子”，它可以抓住太空碎片，然后一起進(jìn)入大氣層燒毀。

許多創(chuàng)業(yè)公司也在探索激光清除、被動緩解、地面監(jiān)測與管理及其他在軌服務(wù)等技術(shù)路線。其中，ADR和激光清除是直接捕獲和清理已有的太空垃圾，其他技術(shù)則更多是通過監(jiān)測、預(yù)警等前期手段和延長衛(wèi)星壽命等在軌服務(wù)，降低太空垃圾產(chǎn)生的概率，屬于“防患于未然”。

2016年創(chuàng)立的硅谷公司LeoLabs便是通過地面雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)追蹤近地軌道的太空碎片和運(yùn)行中的衛(wèi)星，提供太空態(tài)勢感知、軌道碰撞預(yù)警等服務(wù)。截至2024年2月，LeoLabs已在全球建設(shè)6個(gè)雷達(dá)站點(diǎn)和10個(gè)雷達(dá)，監(jiān)控超過2萬個(gè)太空物體，包括7000多顆近地軌道衛(wèi)星。

目前有記錄的太空碎片化事件類型及占比

LeoLabs還引入了人工智能來觀測異常的衛(wèi)星活動，每周生成相應(yīng)的報(bào)告，列出異常情況排名前50位的衛(wèi)星。基于創(chuàng)立8年來廣泛建設(shè)的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)積累，LeoLabs有充足的數(shù)據(jù)來訓(xùn)練算法。LeoLabs表示，未來它還將對自己的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)編程，以便在發(fā)現(xiàn)異?；顒雍笞灾鞲櫺l(wèi)星。

美國公司OrbitFab則提出了“太空加油站”的概念，計(jì)劃在軌道上建立燃料補(bǔ)給設(shè)施，為衛(wèi)星提供加注服務(wù)以延長其運(yùn)行壽命。2019年，OrbitFab曾試驗(yàn)在國際空間站內(nèi)的不同“貯箱”之間輸送水，以測試微重力環(huán)境下的推進(jìn)劑轉(zhuǎn)輸能力。2024年3月，OrbitFab宣布其衛(wèi)星加油接口RAFTI已通過飛行資格認(rèn)證并投入商用。

NASA在2024年5月發(fā)布的一份報(bào)告將處理太空垃圾的技術(shù)路線分為清除、減緩和追蹤三大類，并比較分析了不同技術(shù)路線的收益成本。報(bào)告指出，減緩和追蹤技術(shù)與直接清除碎片同樣具有成本效益，其中，及時(shí)避免碰撞是最具成本效益的，可以避免產(chǎn)生更多碎片。在最理想的情況下，及時(shí)避免碰撞的收益可達(dá)到成本的300倍，而清除厘米級大小的碎片帶來的收益是成本的100倍。

此外，在航天器任務(wù)結(jié)束后的25年內(nèi)使其脫離軌道的減緩行動的收益成本比較高，且廢棄航天器越快完成離軌，收益成本比越高，使用拖曳裝置比使用阻力裝置離軌表現(xiàn)更突出。另一個(gè)收益成本比比較高的措施是增加航天器對3毫米小碎片的防御能力，根據(jù)NASA模型的計(jì)算，這一措施在30年內(nèi)能產(chǎn)生的收益將是成本的1000倍。

能盡早攻克技術(shù)難關(guān)的創(chuàng)業(yè)公司的收益率無疑將更高。要知道，不論采用哪種技術(shù)路線，通常都需要較長的開發(fā)時(shí)間，而且還需要面對隨時(shí)可能發(fā)生的意外情況。

ClearSpace-1就因?yàn)橐淮闻鲎彩录牧巳蝿?wù)目標(biāo)。它最初的清除目標(biāo)是一個(gè)名為Vespa的有效載荷適配器—火箭發(fā)射系統(tǒng)中的重要組件，主要作用是連接運(yùn)載火箭和搭載的衛(wèi)星，發(fā)射任務(wù)結(jié)束、衛(wèi)星與運(yùn)載火箭完成分離后，有效載荷適配器通常會留在軌道上，由于沒有自主離軌能力而成為太空垃圾。

Vespa重量約112千克，相當(dāng)于一顆小型衛(wèi)星，在2013年的織女星火箭發(fā)射任務(wù)完成后被廢棄，歐洲航天局原計(jì)劃在2026年通過ClearSpace-1將其清除。然而2023年8月，Vespa與另一塊太空碎片發(fā)生碰撞，分裂為更多碎片，大大增加了清除難度，ClearSpace-1不得不暫時(shí)放棄這一任務(wù)，將清除目標(biāo)改為2001年發(fā)射升空的PROBA-1衛(wèi)星。

在太空的復(fù)雜環(huán)境中，類似的意外情況并不罕見，能否靈活應(yīng)對，也是對創(chuàng)業(yè)公司的重要考驗(yàn)。

誰來買單

目前，全球范圍內(nèi)以清理太空垃圾為主要業(yè)務(wù)的公司并不多，主要集中在美國和歐洲。高昂的研發(fā)成本和服務(wù)價(jià)格、市場需求尚不完全明確，以及回報(bào)周期較長，是這些公司商業(yè)化的最大障礙。

所幸，有資本愿意為其買單。除了Astroscale，該領(lǐng)域其他創(chuàng)業(yè)公司同樣獲得了資本的青睞。LeoLabs已經(jīng)完成7輪融資，累計(jì)獲得1.11億美元；成立6年的ClearSpace和OrbitFab，則已分別獲得累計(jì)3700萬美元和4380萬美元的融資。

不過，這些公司的潛在客戶們—那些還在努力向太空發(fā)射更多火箭和衛(wèi)星的商業(yè)航天公司，大多數(shù)暫時(shí)更愿意將錢花在自己的技術(shù)研發(fā)上，而不是以高昂的價(jià)格購買處理太空垃圾的服務(wù)。因此，太空垃圾清除公司的客戶目前仍以相關(guān)政府部門或組織機(jī)構(gòu)為主。

Astroscale已經(jīng)與JAXA、歐洲航天局、英國航天局等達(dá)成了合作。2024年7月，Astroscale的英國子公司與英國航天局和歐洲航天局就ELSA-M項(xiàng)目最后階段的工作簽署了價(jià)值1395萬歐元的合同。8月，Astroscale又宣布與JAXA簽署一份價(jià)值132億日元（約合6.4億元人民幣）的合同，以完成JAXA商業(yè)清除碎片示范計(jì)劃的第二階段。

模型估計(jì)2024年在軌碎片物體數(shù)量

2020年，剛剛創(chuàng)立兩年的ClearSpace就獲得了歐洲航天局的訂單，得以開發(fā)ClearSpace-1。一年后，它又獲得了英國航天局的訂單，目標(biāo)是清除近地軌道上的兩個(gè)英國廢棄衛(wèi)星。與英國航天局的合作分為可行性研究、設(shè)計(jì)、落地執(zhí)行三個(gè)階段，針對設(shè)計(jì)和落地執(zhí)行階段，雙方分別簽署了價(jià)值220萬英鎊（注：按當(dāng)時(shí)匯率約合1660萬元人民幣）和235萬英鎊（注：按當(dāng)時(shí)匯率約合1774萬元人民幣）的合同。

英國在支持和推動太空垃圾處理上展現(xiàn)出了較強(qiáng)的積極性，除了與創(chuàng)業(yè)公司合作，2022年，英國航天局還宣布了一項(xiàng)新的“賦能技術(shù)計(jì)劃”（ETP），投入高達(dá)1500萬英鎊（注：按當(dāng)時(shí)匯率約合1.1億元人民幣）支持創(chuàng)新性太空研究和開發(fā)新興太空技術(shù)。ETP資金申請中的第一類項(xiàng)目就包括在軌服務(wù)和制造技術(shù)，這類技術(shù)涉及延長衛(wèi)星使用壽命、增強(qiáng)防御能力、減少太空碎片等。英國航天局還承諾將在3年內(nèi)投入1.02億英鎊（注：按當(dāng)時(shí)匯率約合7.7億元人民幣），支持建設(shè)追蹤太空物體和減少碎片的能力。

清除和減少太空垃圾的主要技術(shù)手段

太空安全也是國家安全的重要部分，所以一些政府部門采購相關(guān)服務(wù)并非完全出于太空可持續(xù)發(fā)展的考慮，而是出于國防安全的目的。雷達(dá)追蹤、監(jiān)控太空中的物體等處理太空垃圾的技術(shù)手段，事實(shí)上也符合國防需求。

LeoLabs首席執(zhí)行官TonyFrazier在接受媒體采訪時(shí)曾表示，公司對政府、私人企業(yè)等各類客戶均開放商業(yè)業(yè)務(wù)，但目前主要客戶群為國防客戶。2024年上半年，LeoLabs簽訂了累計(jì)2000萬美元的新合同，創(chuàng)下公司紀(jì)錄，其中大部分為軍方客戶。據(jù)他透露，LeoLabs合作時(shí)間最長的客戶是日本，公司提供基礎(chǔ)技術(shù)支持以協(xié)助其作戰(zhàn)計(jì)劃、追蹤高價(jià)值資產(chǎn)和其他物體等，此外，LeoLabs還與美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室簽訂了合同。美國聯(lián)邦政府支出信息網(wǎng)站USAspending顯示，美國國防部與LeoLabs的合同金額高達(dá)1290萬美元。

近10年太空垃圾清理領(lǐng)域涌現(xiàn)多家代表性創(chuàng)業(yè)公司，且都獲得政府和資本青睞

盡管如此，這些創(chuàng)業(yè)公司仍然很難賺到錢。作為該領(lǐng)域最大的公司，已在全球范圍內(nèi)擁有廣泛業(yè)務(wù)的Astroscale就仍處于虧損狀態(tài)。截至2024年4月30日的2024財(cái)年，Astroscale的項(xiàng)目收入（包含來自客戶的收入和特定項(xiàng)目的政府補(bǔ)貼收入）達(dá)到46.67億日元（約合2.13億元人民幣），但虧損高達(dá)91.81億日元（約合4.18億元人民幣），毛利率為-78.7%。高額虧損也在考驗(yàn)著資本的耐心。截至2024年12月23日，Astroscale的股價(jià)已跌至797日元（約合37元人民幣），已低于發(fā)行價(jià)。

清理太空垃圾還涉及主權(quán)和政治問題，需要各國之間的跨國協(xié)作，相關(guān)公司在執(zhí)行碎片清除任務(wù)之前可能需要獲得其他國家政府的許可，如果清除行動中出現(xiàn)意外事故，還可能引發(fā)國際爭端。

目前，專門針對太空可持續(xù)發(fā)展的國際條約尚未建立，但一些國家和國際組織已經(jīng)提出了相關(guān)指導(dǎo)意見。2019年，聯(lián)合國外層空間委員會通過了《外空活動長期可持續(xù)性準(zhǔn)則》，其中提出了21條準(zhǔn)則框架，包括推動收集、分享和傳播空間碎片監(jiān)測信息等。

美國率先在規(guī)則制定和執(zhí)法上邁出了一大步。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）于2022年通過了新規(guī)則，要求近地軌道衛(wèi)星將任務(wù)結(jié)束后脫離軌道的時(shí)限從原先的25年縮短至5年。2023年10月，F(xiàn)CC還對一家未能使廢棄衛(wèi)星成功離軌的美國電視公司處以15萬美元的罰款，這是首個(gè)針對太空垃圾的罰單。

可見，商業(yè)化路徑探索、政府政策的支持以及國際社會協(xié)作等難題，同那些飄浮在太空中的垃圾一樣，都是這些創(chuàng)業(yè)公司未來需要盡全力清除的障礙。