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作者:唐凤 来源:中国科学报 发布时间:2020/6/1 15:14:59
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太空“大堵车” 也得“贴罚单”

 

 计算机生成的太空碎片图像。图片来源:NASA

 

太空已经越来越拥挤了。

近地轨道挤满了老化卫星和太空碎片,这又增加了新卫星的碰撞风险。而新卫星碰撞又增加了太空垃圾……如此循环。

一项新研究认为,解决太空垃圾问题最有效的方法不是捕获碎片或将旧卫星拖离轨道,而是向运营商收取 “轨道使用费”。这可能有点像碳税。

轨道使用费还将提高航天工业的长期价值。研究人员近日在美国《国家科学院院刊》发表的论文中称,每颗卫星的年费上升到23.5万美元,不仅能降低碰撞风险,到2040年还将使卫星产业的价值增加3倍。

“太空是人类共同的资源,但公司在决定是否发射卫星时,并没有考虑到他们的卫星会给其他人带来的成本。”该论文作者、美国环境科学研究所经济学家Matthew Burgess说,“我们需要一种政策,让卫星运营商直接将可能发生的其他成本也计算入发射成本计。”

太空也“堵车

目前,科学家估计有2万个物体——包括卫星和太空碎片——正飘荡在近地轨道上。随着商业卫星的不断增加,太空也将面临“大堵车”。

2019年4月,美国亚马逊提出“柯伊伯项目”,计划将3236颗卫星送入近地轨道,为北纬56度到南纬56度之间区域提供宽带网络服务。

紧接着,5月,美国太空探索技术公司的“猎鹰9”火箭将首批60颗“星链”卫星“打包”送入太空,之后还将有1584颗卫星将部署在地球上空550千米处的近地轨道。

美国一网公司也提出在第一阶段部署约650颗互联网卫星,并与去年2月已发射6颗卫星。

有研究认为,大量卫星的涌入,让轨道开始不堪重负,也增加了碰撞风险。因此小卫星一旦完成使命,应立即脱离轨道。

正是因为出于减少太空垃圾的考虑,太空探索技术公司不得不将原定在地球上方1150千米高度运行的1600颗卫星减少到1584颗,轨道高度则降低至550千米。因为当卫星燃料不足或无法正常运行时,在较低轨道更容易清理——在这里,地球大气粒子能更快地撞击卫星,将其推离原有轨道并拖向地球,终结在大气层里。

即便如此,研究人员认为,随着每个运营商发射越来越多的卫星,最终它们的碰撞风险仍会飙升,最终等于轨道卫星的价值。

“炸掉”还是“拖走”?

自2000年以来,太空垃圾协调委员会等国际组织相继制定了实现空间可持续性的准则。例如卫星寿命结束后使其失活,或将卫星降到足够低以便坠毁在大气层。

南京航空航天大学航天学院教授闻新在接受《中国科学报》采访时曾表示,一般按照国际要求,航天器寿命结束后,要变轨,最终飞入南太平洋的“太空垃圾场”。

但是,火箭残骸或其他较大的卫星碎片,因技术难题会最终形成太空垃圾。而人们提出的太空垃圾解决办法五花八门,甚至成立专门作战队,进行太空“交通管制”。

近日,日本首支“太空作战队”在东京都府中基地成立。日本防卫省称,太空作战队的主要任务是监控太空垃圾、陨石及不明卫星。

2019年升空的金牛座纳星,正是为了验证“离轨帆”技术,以减少太空垃圾。 针对近地700公里以内的低轨微小卫星,采用薄膜“离轨帆”标配装置,能在卫星寿命末期在轨展开,以增大气动阻尼的方式实现其“被动离轨”。

美国米德伯理学院经济学助理教授Akhil Rao告诉《中国科学报》,到目前为止,人们提出的天空垃圾解决方案主要是技术或管理方面的。技术方案主要包括用网、鱼叉或激光清除轨道上的太空碎片。“在卫星寿命结束时将其拖离轨道是管理上的修正。”他说。

但Burgess表示,像这样的工程或管理解决方案难以解决太空碎片问题,因为它们不会改变运营商的动机。例如,清除太空碎片可能会促使运营商发射更多卫星,反过来又让低地球轨道进一步拥挤,增加碰撞风险,最终提高成本。

“这是一个激励问题,而不是一个工程问题。关键是建立正确的激励机制。”Rao说。

“罚单”贴到太空去

Rao、Burgess和同事发现,解决太空碎片问题的一个更好办法可能是实行轨道使用费——对轨道卫星征税。“这和发射费不一样,发射费本身并不能使运营商在必要时让卫星脱离轨道,而会造成损害的不是发射行为,而是轨道卫星本身。”Rao说。

研究人员将轨道使用费与常规业务(即进入太空)和技术手段(如清除太空垃圾)进行了比较。他们发现,轨道使用费能迫使运营商直接衡量其卫星的预期寿命价值,以及将另一颗卫星送入轨道的成本和制造额外风险的成本。

研究人员发现,在收取使用费的情况下,卫星产业的长期价值将从通常情况下的6000亿美元增加到3万亿美元,增加的价值主要来自减少碰撞相关的成本。

轨道使用费可以是直接费用或可交易许可,也可以是特定于轨道的费用,因为不同轨道的卫星会产生不同的碰撞风险。最重要的是,每颗卫星的费用将根据行业将另一颗卫星送入轨道的成本进行计算,其中包括当前和未来额外碰撞风险和空间碎片生产的预期成本。

“在我们的模型中,重要的是卫星运营商为其他运营商承担的碰撞风险买单。”参与了该研究的科罗拉多大学博尔德分校经济学教授Daniel Kaffine告诉记者。而且,这些费用会随着时间的推移而增加,以覆盖更清洁轨道的价值上升。模型显示最优费用将以每年14%的速度增长,到2040年达到每颗卫星约23.5万美元。

但研究人员表示,为了实现相关目标,所有发射卫星的国家都需要参与其中——大约12个国家使用自己的运载火箭发射卫星,30多个国家使用自己的卫星。实际上,这与各国在碳税和渔业管理方面采取的措施相似。

“在其他领域,解决公地悲剧往往是一场需要付出巨大社会成本的‘追赶游戏’。但相对年轻的航天工业可以在这些成本升级之前就避免它们。”Burgess说。

相关论文信息:http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1921260117

 
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