太空越来越拥挤！经济学家：与其费心打捞太空碎片 不如收取轨道使用费

太空越来越拥挤，老化的卫星和太空碎片挤满了近地轨道，这为发射新的卫星增加了碰撞风险。根据一项新的研究，解决太空垃圾问题最有效的方法不是费尽心思去捕获碎片或使旧卫星脱离轨道，而是向运营商收取每颗送入轨道的卫星的“轨道使用费”，达成一项国际协议。

这篇新论文的作者之一、CIRES的经济学家马修·伯吉斯(Matthew Burgess)说，轨道使用费还将提高航天工业的长期价值。伯吉斯和他的同事5月25日发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中得出结论，通过降低未来的卫星和碎片碰撞风险，每颗卫星的年费上升到23.5万美元左右，到2040年将使卫星产业的价值增加三倍。 

伯吉斯说:“太空是一种共同的资源，但公司在决定是否发射卫星时，并没有考虑到他们的卫星给其它运营商带来的成本。”“我们需要一项政策，让卫星运营商直接将发射成本计入其他运营商的成本。” 

目前，包括卫星和太空垃圾在内的大约2万件物体正拥挤在近地轨道上。研究人员说，这是最新的公共悲剧：每个运营商发射越来越多的卫星，直到他们私人的碰撞风险与轨道卫星价值划上等号。

根据Space X向美国联邦通信委员会（FCC）提交的文件，马斯克的“星链”计划将在2027年之前部署1.2万颗卫星，分三层坐落在近地轨道中——7500颗、1584颗、2825颗卫星分别位于距地面340千米、550千米和1150千米的轨道上。

2019年10月，Space X提交了新一批卫星的频率申请，计划再增加3万颗卫星运行在328~580千米之间，使得总卫星数达到4.2万颗。

对于太空垃圾问题，SpaceX表示，每颗星链卫星都将能够追踪在轨碎片并自动规避碰撞，并在到达寿命后自动脱离轨道，推向大气中燃烧殆尽。但在2019年5月发射的第一批星链中，就有3颗卫星失去了联系，无法进行主动控制，从而形成了太空垃圾。

米德尔伯里学院(Middlebury College)经济学助理教授、论文第一作者Akhil Rao说，到目前为止，提出的解决方案主要是技术或管理方面的。技术上的改进包括用网、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脱离轨道是一种管理上的修正。

最终，像这样的工程或管理解决方案不会解决太空碎片问题，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，导致低地球轨道更拥挤，增加碰撞风险，并提高成本。“这是一个激励问题，而不是一个工程问题。关键是正确的激励机制。”

Rao和他的同事发现，解决太空碎片问题的一个更好的办法是对轨道卫星征收轨道使用费。“这和发射费不一样。”Rao说，“发射费本身并不能诱使运营商在必要时让卫星脱离轨道，造成损害的不是发射，而是轨道卫星。”

轨道使用费可以是直接费用或交易许可，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，每颗卫星的费用将反映出将另一颗卫星送入轨道的行业成本，包括预计产生额外碰撞风险和空间碎片的当前和未来成本——运营商目前没有将这些成本计入发射成本。

“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。”科罗拉多大学博尔德分校经济学教授、RASEI研究员丹尼尔·卡芬(Daniel Kaffine)说，他也是这篇论文的作者之一。

而且这些费用会随着时间的推移而增加，以解释干净轨道的价值在不断上升。在研究人员的模型中，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。

研究人员发现，如果采用轨道使用费的方法，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，超过30个国家使用自己的卫星。

此外，尽管每个国家可以单独收取费用，但每个国家都需要为进入轨道的每颗卫星收取每单位碰撞风险相同的费用。 各国已经在碳税和渔业管理中使用了类似的方法。

在这项研究中，Rao和他的同事们将轨道使用费与常规业务(即开放进入太空)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。在其他情况下，运营商仍有动力竞相进入太空，希望在太空变得拥挤之前获得一些价值。

研究人员发现，在收取卫星使用费的情况下，卫星产业的长期价值将从通常情况下的6000亿美元左右增加到3万亿美元左右。增加的价值来自减少碰撞和碰撞相关的成本，如发射替代卫星。

轨道使用费也可以帮助卫星运营商解决太空垃圾问题。“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。但是，相对年轻的航天工业可以在这些成本升级之前避免这些成本。”伯吉斯说。

早在2018年，经济合作与发展组织(OECD)发布了第一份关于太空垃圾经济成本的报告。报告利用了包括欧洲航天局空间碎片办公室的数据和分析在内的多种来源的研究，概述了如果我们不采取行动将面临的危险，以及为确保我们在太空的未来可以做些什么。

空间的机构和商业利用正在以越来越快的速度增长。随着卫星宽带“巨型星座”的发射，在轨卫星的数量将进一步增加，其中一些星座包括数千颗卫星，碰撞和更多空间碎片的风险也会随之增加。

在太空中，仅仅一次碰撞或爆炸就会产生成千上万个快速移动的小碎片，这些碎片能够破坏或摧毁一颗正常运转的卫星。关于太空碎片的成本，报告指出:“太空碎片的保护和缓解措施对卫星运营商来说已经很昂贵，但主要的风险和成本在于未来，如果碎片的产生失去控制，使某些轨道无法用于人类活动。”

保护卫星不受空间碎片的损害是昂贵的，首先要从设计措施、监视和跟踪的需要、将运行中的卫星移到安全的地方，甚至完全替换任务开始。OECD报告称，对于地球静止轨道上的卫星而言，这类费用估计占整个任务费用的5-10%，可能高达数亿美元。在近地轨道，每次任务的相对成本甚至可能高于5-10%。

然而，不采取行动的代价要大得多。轨道上有碎片过多，最终可能导致“凯斯勒综合征”，即碰撞级联，导致越来越多的自生碰撞，经合组织称其为“一个生态临界点，可能导致某些轨道无法使用”。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源：

https://phys.org/news/2020-05-space-junk-problem.html

https://phys.org/news/2020-05-space-debris-in-space-collisions-increasingly.html