太空垃圾清除計劃

2024年11月19日，停靠在國際空間站的俄羅斯“進步89號”貨運飛船推進器持續點火約5.5分鐘，讓國際空間站避開了一塊2015年解體的報廢國防氣象衛星的碎片。

6天后，“進步89號”又啟動推進器約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。

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

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。但這個看似廣闊的空間正在變得越來越擁擠。根據歐洲航天局2024年9月的統計，自1957年太空時代開始以來，人類已成功發射火箭約6740次，把近2萬個衛星送入地球軌道，其中超過1萬個衛星仍在運行中。近10年里，全球發射進入太空的物體數量激增，其中絕大多數來自SpaceX、藍色起源等私人公司的商業發射。

空間日益擁擠無疑增加了風險，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廢的人造衛星、因事故和故障而失控的人造衛星、發射航天器時使用的火箭及其零件、大塊碎片碰撞產生的小碎片等。

1957年以來，在太空發生分解、爆炸、碰撞等導致碎片化的事件超過650次。2009年，運行中的美國衛星“銥星33”與俄羅斯的廢棄衛星“宇宙2251”發生碰撞，是有史以來首次發生在近地軌道的人造衛星意外碰撞事件。這次事件產生了1800多塊超過10厘米的碎片，還有約20萬個大小在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估，2024年在軌的碎片物體數量已經超過1.3億個。

事實上，美國科學家唐納德·凱斯勒早在1978年就關注到這一風險，提出了“凱斯勒綜合征”理論，他指出，當地球軌道上的太空碎片密度達到一定臨界值，碰撞事件的發生頻率會顯著增加，從而觸發連鎖反應，產生更多的碎片，這些碎片不斷累積可能導致特定軌道變得無法使用—本質上是一種太空碎片的惡性循環。

但風險里也蘊藏著商機。過去十多年里，一些專注于太空垃圾清理的創業公司出現，通過創新技術提供相應的解決方案，試圖在這個新興領域建立一個可持續的商業模式。

太空清潔工

2013年，日本企業家岡田光信創立了Astroscale，這家公司的主要業務就是清理太空垃圾。《紐約時報》記者2016年探訪Astrosacle的總部時，岡田光信身著藍色的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，兒時的夢想是成為一名宇航員。15歲時，岡田光信參加了美國太空和火箭中心組織的太空訓練營，在那里見到了日本首位航天員毛利衛，后來他還曾就讀普渡大學商學院—“登月第一人”阿姆斯特朗的母校。大學畢業后，在做了一系列和太空毫無關聯的工作后，接近40歲時，岡田光信重新想起了自己的太空夢。

為了了解太空領域的熱門話題，岡田光信參加了幾次與太空相關的國際會議，太空垃圾的問題被反復提及。然而，岡田光信發現，這些討論常常只是抽象的概念，并沒有實際的解決方案，有演講者稱，需要5年甚至更久時間才能開發出相應的解決方案。岡田光信認為，一個受商業利潤驅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業公司。

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

Astroscale的項目也是以失敗開始的。2017年，Astroscale發射了首個示范任務衛星“IDEAOSG1”，該小型衛星重25千克，計劃在600至800千米高度的軌道運行，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，負責運載它的俄羅斯“聯盟-2.1b”號火箭在抵達預定軌道前與地面失聯，事故原因后來被認定為程序設置錯誤，與IDEAOSG1一同荷載于該火箭的共19顆衛星均未能進入預定軌道，原本旨在監測太空垃圾的IDEAOSG1很有可能也成了太空垃圾的一部分。

4年后，Astroscale終于成功發射了ELSA-d，該項目旨在驗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，這是Astroscale向衛星運營商提供的壽命終止服務（End-of-LifeServeice），也是全球太空垃圾清理領域的首個商業任務。

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

在此基礎上，Astroscale開始嘗試清除太空垃圾這一核心任務。ADRAS-J是基于ELSA-d的技術、與日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）合作的商業項目，第一階段的目標是安全接近軌道中客戶指定的碎片物體，提供關于該物體的圖像等觀測信息，以更好了解其所處的環境，第二階段的目標就是捕獲和清除太空碎片。

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

ADRAS-J的目標物體是已經存在于太空軌道中的物體，這意味著它面臨的技術難度和風險更大，但這是Astroscale驗證其核心技術的實際可行性的必經之路。該公司目前還在籌備ELSA-M和COSMIC兩個類似性質的任務，歐洲通信衛星制造商OneWeb、歐洲航天局和英國航天局是這兩個項目的合作伙伴。

憑借在太空垃圾清理領域的率先嘗試和相應技術的突破，Astroscale已成長為行業內最大的公司。除了日本總部，它還在英國、美國、法國、以色列等7個國家成立了子公司或辦事處。截至2023年2月，Astroscale的全球團隊已有超過400名員工。

創立11年來，Astroscale完成了10輪融資，累計獲得3.97億美元，投資者包括由日本政府與19家民營企業合資成立的投資公司INCJ、東京大學旗下的創投機構UTokyoIPC、全日空控股公司、三菱電機等。2024年6月，Astroscale在東京證券交易所上市，IPO發行價為850日元（約合39.2元人民幣），上市首日股價最高飆升86%，公司市值一度達到1724億日元（約合79.6億元人民幣）。

機械臂、雷達、加油站

Astroscale采用的主要技術是主動捕獲與清除（ADR），也就是通過物理設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路線。

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

許多創業公司也在探索激光清除、被動緩解、地面監測與管理及其他在軌服務等技術路線。其中，ADR和激光清除是直接捕獲和清理已有的太空垃圾，其他技術則更多是通過監測、預警等前期手段和延長衛星壽命等在軌服務，降低太空垃圾產生的概率，屬于“防患于未然”。

2016年創立的硅谷公司LeoLabs便是通過地面雷達網絡追蹤近地軌道的太空碎片和運行中的衛星，提供太空態勢感知、軌道碰撞預警等服務。截至2024年2月，LeoLabs已在全球建設6個雷達站點和10個雷達，監控超過2萬個太空物體，包括7000多顆近地軌道衛星。

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星活動，每周生成相應的報告，列出異常情況排名前50位的衛星。基于創立8年來廣泛建設的雷達網絡及數據積累，LeoLabs有充足的數據來訓練算法。LeoLabs表示，未來它還將對自己的雷達網絡編程，以便在發現異常活動后自主跟蹤衛星。

美國公司OrbitFab則提出了“太空加油站”的概念，計劃在軌道上建立燃料補給設施，為衛星提供加注服務以延長其運行壽命。2019年，OrbitFab曾試驗在國際空間站內的不同“貯箱”之間輸送水，以測試微重力環境下的推進劑轉輸能力。2024年3月，OrbitFab宣布其衛星加油接口RAFTI已通過飛行資格認證并投入商用。

NASA在2024年5月發布的一份報告將處理太空垃圾的技術路線分為清除、減緩和追蹤三大類，并比較分析了不同技術路線的收益成本。報告指出，減緩和追蹤技術與直接清除碎片同樣具有成本效益，其中，及時避免碰撞是最具成本效益的，可以避免產生更多碎片。在最理想的情況下，及時避免碰撞的收益可達到成本的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，在航天器任務結束后的25年內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更突出。另一個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NASA模型的計算，這一措施在30年內能產生的收益將是成本的1000倍。

能盡早攻克技術難關的創業公司的收益率無疑將更高。要知道，不論采用哪種技術路線，通常都需要較長的開發時間，而且還需要面對隨時可能發生的意外情況。

ClearSpace-1就因為一次碰撞事件更改了任務目標。它最初的清除目標是一個名為Vespa的有效載荷適配器—火箭發射系統中的重要組件，主要作用是連接運載火箭和搭載的衛星，發射任務結束、衛星與運載火箭完成分離后，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，相當于一顆小型衛星，在2013年的織女星火箭發射任務完成后被廢棄，歐洲航天局原計劃在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不得不暫時放棄這一任務，將清除目標改為2001年發射升空的PROBA-1衛星。

在太空的復雜環境中，類似的意外情況并不罕見，能否靈活應對，也是對創業公司的重要考驗。

誰來買單

目前，全球范圍內以清理太空垃圾為主要業務的公司并不多，主要集中在美國和歐洲。高昂的研發成本和服務價格、市場需求尚不完全明確，以及回報周期較長，是這些公司商業化的最大障礙。

所幸，有資本愿意為其買單。除了Astroscale，該領域其他創業公司同樣獲得了資本的青睞。LeoLabs已經完成7輪融資，累計獲得1.11億美元；成立6年的ClearSpace和OrbitFab，則已分別獲得累計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射更多火箭和衛星的商業航天公司，大多數暫時更愿意將錢花在自己的技術研發上，而不是以高昂的價格購買處理太空垃圾的服務。因此，太空垃圾清除公司的客戶目前仍以相關政府部門或組織機構為主。

Astroscale已經與JAXA、歐洲航天局、英國航天局等達成了合作。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項目最后階段的工作簽署了價值1395萬歐元的合同。8月，Astroscale又宣布與JAXA簽署一份價值132億日元（約合6.4億元人民幣）的合同，以完成JAXA商業清除碎片示范計劃的第二階段。

模型估計2024年在軌碎片物體數量

2020年，剛剛創立兩年的ClearSpace就獲得了歐洲航天局的訂單，得以開發ClearSpace-1。一年后，它又獲得了英國航天局的訂單，目標是清除近地軌道上的兩個英國廢棄衛星。與英國航天局的合作分為可行性研究、設計、落地執行三個階段，針對設計和落地執行階段，雙方分別簽署了價值220萬英鎊（注：按當時匯率約合1660萬元人民幣）和235萬英鎊（注：按當時匯率約合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出了較強的積極性，除了與創業公司合作，2022年，英國航天局還宣布了一項新的“賦能技術計劃”（ETP），投入高達1500萬英鎊（注：按當時匯率約合1.1億元人民幣）支持創新性太空研究和開發新興太空技術。ETP資金申請中的第一類項目就包括在軌服務和制造技術，這類技術涉及延長衛星使用壽命、增強防御能力、減少太空碎片等。英國航天局還承諾將在3年內投入1.02億英鎊（注：按當時匯率約合7.7億元人民幣），支持建設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服務并非完全出于太空可持續發展的考慮，而是出于國防安全的目的。雷達追蹤、監控太空中的物體等處理太空垃圾的技術手段，事實上也符合國防需求。

LeoLabs首席執行官TonyFrazier在接受媒體采訪時曾表示，公司對政府、私人企業等各類客戶均開放商業業務，但目前主要客戶群為國防客戶。2024年上半年，LeoLabs簽訂了累計2000萬美元的新合同，創下公司紀錄，其中大部分為軍方客戶。據他透露，LeoLabs合作時間最長的客戶是日本，公司提供基礎技術支持以協助其作戰計劃、追蹤高價值資產和其他物體等，此外，LeoLabs還與美國空軍研究實驗室簽訂了合同。美國聯邦政府支出信息網站USAspending顯示，美國國防部與LeoLabs的合同金額高達1290萬美元。

近10年太空垃圾清理領域涌現多家代表性創業公司，且都獲得政府和資本青睞

盡管如此，這些創業公司仍然很難賺到錢。作為該領域最大的公司，已在全球范圍內擁有廣泛業務的Astroscale就仍處于虧損狀態。截至2024年4月30日的2024財年，Astroscale的項目收入（包含來自客戶的收入和特定項目的政府補貼收入）達到46.67億日元（約合2.13億元人民幣），但虧損高達91.81億日元（約合4.18億元人民幣），毛利率為-78.7%。高額虧損也在考驗著資本的耐心。截至2024年12月23日，Astroscale的股價已跌至797日元（約合37元人民幣），已低于發行價。

清理太空垃圾還涉及主權和政治問題，需要各國之間的跨國協作，相關公司在執行碎片清除任務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意外事故，還可能引發國際爭端。

目前，專門針對太空可持續發展的國際條約尚未建立，但一些國家和國際組織已經提出了相關指導意見。2019年，聯合國外層空間委員會通過了《外空活動長期可持續性準則》，其中提出了21條準則框架，包括推動收集、分享和傳播空間碎片監測信息等。

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

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