2021年3月22日，哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场发射了一枚日本Astroscale公司的太空垃圾清除技术实证卫星ELSA-d，并进入预定轨道。
Astroscale 公司创始人兼CEO冈田光信表示，ELSA-d实证实验获得成功，将对太空的可持续利用起到重要作用。
太空垃圾正成为威胁
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如今，太空中漂浮着无数的废弃卫星和火箭残骸，这些太空垃圾的处理是人类共同的话题。自人类首次进入太空以来至今，全世界进行了4000次以上的发射。虽然大多数太空垃圾都落入大气层燃烧殆尽，但据称目前在地球周围轨道上仍有4500吨以上的太空垃圾存在。
在地球周围轨道上飞行的太空垃圾，在人类进入太空后的近70年里数量大增。
据JAXA称，目前太空中的“垃圾”数量达到1亿以上，其中10厘米以上的约有2万个，1厘米以上的约有75万个。这些太空垃圾在轨道上的飞行速度达每秒7公里，相当于子弹的10倍多。而在太空轨道上高速飞行的物体，即便小如一颗螺丝钉，也有可能对卫星造成严重破坏。
虽然在广阔的宇宙空间里，太空垃圾与航天器碰撞的可能性也非常小，而且对于10厘米以上的大块太空垃圾，也可以从地面获知其轨道，事先采取防撞措施。但是令人担心的是，今后太空垃圾数量可能会陡增。实际上，2009年美国通信卫星与俄罗斯废弃的卫星发生碰撞后，人们就已经发现太空轨道上的垃圾在大幅增加。东京都立大学教授小岛广久表示，结束使命的人造卫星和发射后的火箭第二级推进器如果在距离地球2000公里以上的高轨道飞行，由于没有空气阻力，它们不会回归地球，而是会成为绕地飞行的太空垃圾。而且，因飞行器故障或导弹破坏实验等导致的数量巨大、大小各异的碎片，很可能会与气象卫星、通信卫星和GPS定位卫星等发生碰撞。另外，人类发射的卫星因接近使用寿命和事故等原因失去作用后，也将成为垃圾漂浮于太空，它们相互碰撞，使太空中出现更多、更小的垃圾。
冈田光信称，目前正在服役的人造卫星约有4300颗，到2030年将增至4.6万颗。随着太空垃圾的增加和卫星星座通信系统（constellation，多个人造卫星相互协作的系统）的发展，今后的太空轨道将变得更混杂，航天器与太空垃圾碰撞的风险也将进一步加大。
如果卫星与太空垃圾碰撞发生故障，将对我们的日常生活造成巨大影响。因为，气象、导航、灾害监视、卫星广播和金融等领域几乎都要依靠卫星。由于卫星有使用寿命（如气象卫星的寿命是15年），所以必须定期发射新的卫星。如果太空垃圾不断增加，将来与人造卫星碰撞的频率会大大增加，并对卫星的发射带来巨大风险。
太空垃圾捕捉实验
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Astroscale公司的最终目标就是为清除太空垃圾提供相关服务。该公司开发的ELSA-d就是一个太空垃圾清除航天器。ELSA-d将在飞行轨道上跟踪、接近并从背后捕捉太空垃圾。
ELSA-d由捕捉器（180公斤）和模拟太空垃圾（20公斤）组成，在卫星进入预定轨道并相互分离后进行实证实验。模拟垃圾从一开始就安装了由磁铁制成的“对接板”，通过与捕捉器上的磁铁对接被回收。太空垃圾是“非合作物体”，而且自身还不断旋转，非常难接近。此次实证实验的目的，就是要检验ELSA-d卫星对于这些漂浮不定的太空垃圾的应对和处置能力。
上图：捕捉卫星和模拟太空垃圾的卫星在太空中分离。下图：捕捉卫星和模拟卫星再次对接。
ELSA-d的最大特征就是采用了RPO（Relative Path Overwrite）技术。在分为3个阶段的实证实验中，ELSA-d将通过GPS导航系统接近太空垃圾，并利用感应器和雷达系统将其捕捉。实证实验的第一阶段的难度不大，是将模拟垃圾分离，然后在其几乎没有旋转的情况下予以回收。第二阶段，则是捕捉器对旋转着的模拟垃圾进行检测，与之在运动当中对接。第三阶段是最接近真实的实验，捕捉器与模拟垃圾相隔很远，在寻找到合适的时机后与之对接。捕捉器与模拟太空垃圾成功对接后，将在大气层燃烧殆尽，不会再次产生太空垃圾。
此次实证实验有3个亮点。第一，两个物体相互无法通信。与飞船和空间站的会合和对接不同，太空垃圾由于无法通信，ELSA-d只能在不知道太空垃圾状态的情况下接近它。其二，捕捉旋转的物体。与姿态能够进行控制的正常卫星不同，太空垃圾处于不断旋转状态。因此ELSA-d要对太空垃圾的旋转状态进行判断和分析，让自己处于捕捉器能够捕捉到太空垃圾的位置。其三，由于卫星是在断断续续的通信环境下自律航行，难免出现与地面通信中断的状况，因此，ELSA-d还具备了主动靠近太空垃圾的功能。
分离后正在对接的捕捉卫星和模拟卫星
Astroscale公司将地球轨道视为“高速公路”，提供太空公路服务的“太空轨道服务”计划，目的是消除已经被废弃的卫星和对正在消除大型太空垃圾的卫星等进行观测和检查。另外，该公司还计划提供延长卫星使用寿命等的服务。同时，还将在东京都墨田区建立卫星工厂，完善太空垃圾清除卫星的量产体制。Astroscale公司计划在2030年前普及“太空公路服务”，实现“可持续太空环境”（Space Sustainability）的目标。
民营企业的艰难创业
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目前，以NASA为首的世界各国航天机构都致力于消除太空垃圾，但却没有谁真正地掌握了根本的解决技术。冈田于2013年创立的世界首个太空垃圾清除公司，志在取得太空开发和环境保护的平衡。
创业之初，由于“没有技术”而且“没有市场”，冈田遭到了周围人的强烈反对。但是，敏锐的商业头脑激发着冈田的本能，他决心要在逆境中崛起。作为一个“门外汉”，冈田从互联网上寻找制造卫星的方法，频繁参加宇宙相关学术会议，熟读了数百本论文集，并逐渐能与宇宙工程师们进行简单的对话。同时，冈田还带着自己个人的想法到世界各地拜访研究太空垃圾问题的专家。但是，专家们在约见冈田这个“门外汉”时，都表现出惊讶的神情，并且也没给他什么建议。直到第3周，在得到一位研究人员“要消除这样大的太空垃圾，应该具备如此规模”的意见后，冈田信心倍增，决定要募集资金，组建自己的研发团队。
公司成立8年来，共募集到210亿日元资金。投资者们对冈田描绘的太空商业模式非常感兴趣，并慷慨解囊。不过，资金相继到位，人才却严重缺乏。“当时，日本国内只有在JAXA、IHI、三菱重工等大型企业、大学和研究所等单位才能从事宇宙相关工作，很少人会对一个名不见经传的小企业感兴趣。”冈田将目光放在了那些从大型宇宙相关企业退休的研究人员和年轻人身上，吸纳了一些经验丰富的研究者和大学里年轻的研究人员，开启了Astroscale的腾飞之路。
出师不利，令投入所有热情和大把时间并满怀期待的冈田非常沮丧。尽管如此，冈田和他的研发团队没有气馁，继续展开研发。冈田的行动，令社会和许多优秀人才产生共鸣，各界纷纷为他的研发团队提供资金支持。可喜的是，不懈的努力没有白费，冈田的研发团队终于获得了成功的回报。
除了Astroscale公司，传统的太空开发企业川崎重工业也正着手太空垃圾清除业务。该公司清除的对象是火箭的星箭适配器（PAF）。PAF不仅强度高，而且是圆形，所以很适合作为捕捉的标记。
三菱重工计划用伸展吊杆来捕捉太空垃圾。在接近火箭最前端后，吊杆会伸入PAF内部，在到达PAF中心时，吊杆四个方向上的驱动杆自动伸展，将PAF牢牢固定。之后，利用导电绳使PAF高度下降。为此，三菱重工计划今年内发射60厘米的超小型四方体卫星“DRUMS”进行捕捉模拟太空垃圾的实证实验。同时，该企业还将与东京海上日动火灾保险和三井物产展开合作，计划在2025年推出清除太空垃圾服务业务。
另外，日本卫星通信巨头SKY Perfect JSAT公司也在2020年6月11日宣布，将与日本理化学研究所、JAXA、名古屋大学和九州大学合作，着手设计和开发清除太空垃圾的人造卫星，计划于2026年提供相关服务。
SKY Perfect JSAT公司考虑通过卫星装置发射激光，使太空垃圾在大气层中完全烧尽。这种方法主要针对废弃的卫星，由于不需要与废弃卫星直接接触，安全性高，而且不需要燃料。不过，要让废弃卫星完全停止旋转并减速，需要长时间进行激光照射，经济成本上面临考验。另外，在技术上或许存在激光控制方面的问题。
亟待制定统一规范
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2021年6月，G7成员国发表了将碎片问题视为宇宙业界面临的全球性课题之一，致力于安全及可持续利用宇宙的联合声明。联合声明称，为了保持太空环境，欢迎与消除太空垃圾和轨道服务相关的官民合作，以及推进此类服务的进一步研发。而要确保太空环境的安全性和可持续性，就必须建立与之相关的国际规范。
全世界一直都在共同推进清除太空垃圾相关规范的制定。Astroscale也频繁在国际会议上积极倡言。冈田说，制定规范和确立技术就像两个轮子。过去臭氧层被破坏的时候，替代氟技术使世界达成了弃用氟气的共识。如今由于尚未掌握消除太空垃圾的技术，因此难以达成共识。
冈田说，不仅如此，卫星的维护检查和延长使用寿命的技术革新也在不断推进。仅在数年前，这几乎是无人讨论的话题，但如今各国都在以积极的姿态想办法解决问题。在战后经济发展时期，“汽车化现象”扩大至全日本。虽然随着高速公路的不断延伸，交通事故和汽车故障等麻烦不断增加，但并没有人说要停止驾驶汽车。这是因为政府完善了公路设施，充实了维修故障和拖车等服务。太空开发也是同样的道理。
冈田认为，我们的目标是，通过检查卫星状况、延长使用寿命和消除太空垃圾来提供维持太空环境的“轨道服务”。不过，这一目标的实现，也需要各国联起手来。“我设想的目标是在2030年，这也是联合国提出的SDGs目标的最后一年。在此之前，必须实现太空轨道上的‘公路服务’，不然的话，地球上的可持续开发目标就难以完成。希望再过9年，清除太空垃圾、检查卫星状况和延长卫星使用寿命都能成为惯例，让太空首次进入可持续状态。”冈田说。
不过，对现存太空垃圾的清除问题，除了技术方面，还有其他方面的问题，比如清除费用由谁出。有人认为，费用应该由直接产生太空垃圾的国家承担。在太空轨道上的物体数量按国别来看，俄罗斯、美国和中国的数量超过9成。但以GPS等为例，它被各国作为基础设施来使用，并从中获益。因此也有人认为，让直接产生太空垃圾的国家来负担费用略显不公。目前，在消除太空垃圾费用的问题上，尚未达成世界统一的意见。今后，要想使清除太空垃圾服务形成市场，需要各国共同商定具体框架。
文/彭永清