科學人／微小碎片殺傷力巨大！太空碎片氾濫成災 「清道夫」勢在必行

圖／Gemini生成

2013年的科幻電影《地心引力》（Gravity）以一場衛星爆炸引發的太空碎片危機作爲故事開端。劇中，兩名太空人因人造碎片撞擊，太空船幾乎完全損毀，受困在太空軌道上。雖然物理學家認爲電影中碎片雲擴散的速度和撞擊的破壞性有所誇大，但電影的前提「人造衛星被摧毀產生數千個軌道碎片」，完全是基於真實事件改編。這種災難性的連鎖反應早在1978年就由美國國家航太總署（NASA）科學家凱斯勒（Donald J. Kessler）和庫爾─帕萊斯（Burton G. Cour-Palais）提出，稱爲「凱斯勒效應」（Kessler syndrome）。該理論悲觀地預測，低地球軌道的物體量一旦達到「臨界密度」，碰撞就會呈指數級增加，最終可能使某些軌道區域永久無法使用。

凱斯勒效應示意圖。圖／取自NASA

現實中被碎片擊中延遲返航的太空人

凱斯勒效應不僅是電影取材情節，目前已經現今太空任務的威脅之一，尤其是過去十多年間各國進行的反衛星武器（ASAT）測試。例如中國在2007年摧毀其風雲1C氣象衛星（Fengyun-1c）的測試，產生了史上最多的太空碎片。導致這些年來國際太空站（ISS）也需要多次執行機動，以避免被這些碎片擊中。在低地球軌道（LEO）上，太空碎片的移動速度大約是8.05公里/秒，幾乎是子彈速度的七倍。由於速度極高，即使是微小的碎片也具有巨大的破壞力。

最近，太空碎片的威脅更升級爲對太空人生命的直接威脅。2025年11月，中國的神州20號太空船在低地球軌道上被碎片撞擊，導致三名太空人延遲返回地球。美國喬治亞理工學院國際事務系助理海恩斯（R. Lincoln Hines）表示，隨着中國對其太空資產（如天宮空間站）的投入增加，其對太空碎片風險的敏感度也隨之提高，這可能成爲促進國際合作以減輕碰撞風險的契機。

儘管目前軌道上1~10公分大小的太空碎片數量已多達數十萬塊（小於1公分的更高達1億塊），但由於技術難度大、成本高昂，加上目前缺乏有約束力的國際法規和污染者付費原則，清理工作一直面臨巨大的障礙。美國史蒂文斯理工學院系統工程學系的助理教授陳皓（Hao Chen，音譯）團隊決定從商業誘因下手。近期他們發表一篇研究在《太空載具與火箭期刊》（Journal of Spacecraft and Rockets）上，嘗試探索並設計一個能讓太空營運商和碎片清理商都能獲利的合作伙伴關係。

從軌道危機到商業契機

陳皓團隊分析了三種碎片清除方式，都需要專門的太空碎片清除衛星（space debris remediation satellite）來執行：

1. 非受控重返（uncontrolled reentry）： 將碎片帶到離地球約350km的高度，依靠大氣阻力讓其自然墜落或燒燬。這是最便宜的方式，但碎片墜落地點無法確定。

2. 受控重返（controlled reentry）： 將碎片帶到離地球約50km處，可確保墜落在無人區域。雖然更安全，但需要更多的燃料和能源，成本偏高。

3. 太空回收（recycling in space）： 將碎片運送到太空回收中心。運輸成本高，但優點是能回收鋁等關鍵材料，省下目前每公斤約1500美元的材料發射成本。

爲了計算出最公平的交易，團隊使用了諾貝爾經濟學獎得主、知名數學家納許（John Nash）發展的「納許議價理論」（Nash Bargaining Theory）。模型結果顯示，碎片清理能產生巨大的盈餘。由於營運商是太空環境清潔後的主要受益者（減少了規避碰撞所需的燃料和操作成本），因此團隊在論文中建議向他們收取費用，作爲給予清理商投入任務的財務誘因。

圖／notebook lm資訊圖表功能

太空清道夫或許有利可圖

太空環境的惡化已經是一個刻不容緩的議題。陳皓強調，他們的分析表明，透過經濟模型有望找到一種解決方案，使「軌道碎片清理可產生盈餘，並且能以最佳方式在太空營運商與清理商之間共享」。本研究提出的經濟模型表明，太空清道夫有利可圖，這將推動太空產業鏈邁向一個更安全、更永續的未來。這就像公司爲了維持辦公舒適，決定花錢聘請清潔工定時打掃一樣，只有讓付出成本者得到回報，整個環境才能真正改善，還給我們一個潔淨安全的低地球軌道。

（本文出自2025.12.05《科學人》網站，未經同意禁止轉載。）