• 報告
打造太空永續-太空垃圾清理產業的機會與挑戰觀察
  • 959
  • 出版日期
    03月11日, 2024
  • 作者
前言

大量的衛星布建、退役和意外損壞的衛星本體、火箭發射殘骸、與碎片等太空垃圾問題已越來越多,不僅影響衛星的正常運行,也正對衛星通訊、導航、和太空安全構成嚴重威脅及隱憂。部分先進國家已將太空垃圾清理納入政策推動相關解決措施;而國際企業也將太空垃圾清除做為實現企業社會責任的方式,以維護太空的永續性發展。

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低軌衛星產業高速發展,也帶來環境問題
近期隨著衛星產業的高速發展,衛星的發射數量不斷增加,根據美國研究單位憂思科學家聯盟(UCS)統計目前已發射10,590顆衛星。若將各國際營運商如SpaceX 35,000顆、OneWeb 7,000顆、Amazon 7,700顆、Telesat 188顆、中國衛通集團13,000顆預計部署的低軌衛星數量納入,整體低軌衛星規模將超過60,000顆,以目前僅部署1/6的衛星規模來看,可預期未來低軌衛星規模仍有很大成長空間。另從衛星發射的角度觀察更為明顯,由聯合國外太空事務廳(UNOOSA)發布的2023全球衛星發射數量達2,478次,且依每架衛星火箭的規模不同約可攜帶數十到數百顆衛星,發射的衛星數量在未來幾年將有爆發性成長。
但隨著衛星產業的發展與大量衛星的布建,退役和意外損壞的衛星本體、火箭發射殘骸、與碎片等太空垃圾(space debris)問題也隨之越來越多。這些太空垃圾不僅會影響衛星的正常運行,還可能造成嚴重的安全隱患。以衛星生命週期來說,中軌衛星壽命約15年;低軌衛星則因離地球較近,容易偏移軌道需使用燃料推進調整,因此約4-5年就因推進燃料用盡而被汰換;體積更小的立方衛星因推進燃料更少,壽命甚至僅6個月。大多數衛星在完成任務後,平均會在軌道上停留25年,通常在太空中持續飄移碰撞而裂解為更微小的碎片。這些退役衛星將掉入大氣層,而遺留的殘骸最高可能在太空中以時速4.8萬公里的速度在地球軌道上高速運行,並與正在執行任務之太空站或衛星碰撞造成損害,或穿越大氣層形成人造隕石。當太空垃圾與運行中的衛星碰撞並引發連串撞擊,導致衛星運行軌道整體污染,即「凱斯勒效應」,將造成損害不可估計,並讓軌道難以復原的重大威脅。另外,持續裂解形成的微小金屬顆粒,也會造成反光影響天文觀測。因此,太空垃圾對衛星通訊、導航、和太空安全已構成了嚴重威脅。
先進國家已將太空垃圾清理納入政策
太空垃圾的數量不斷增加,已是全球關注的問題,例如英國公布「國家太空戰略」,為促進太空永續,已將太空垃圾清除列為產業重點發展技術。美國也宣布推出「軌道可持續性法案」以推動碎片清除技術的開發和示範,並為這些服務創造市場。甚至近期美國聯邦通信委員會(FCC)也開出罰單給衛星商 Dish Network,因其未正確使退役衛星脫離軌道形成太空垃圾,造成地球通訊的威脅,可見美國對於太空永續的重視。日本則是呼應全球太空永續的趨勢,推動「商業太空垃圾清除示範計畫」發展從軌道中清除大型太空垃圾的先進技術。由上可知,先進國家已將太空垃圾視為重要經濟與社會問題,並推動相關政策解決。
國際企業競相投入發展太空垃圾清理技術
此外,企業也將垃圾清除做為實現企業社會責任的手段,積極研究和開發太空垃圾清理技術,以保障太空安全和可持續發展,例如瑞士新創ClearSpace使用地面雷達和光學望遠鏡設備,對軌道上的太空垃圾碎片進行識別和追蹤,接著根據目標碎片的軌道參數,設計捕獲軌道和飛行軌跡,並以火箭發射捕獲衛星接近目標碎片,使用四臂機械手臂將衛星碎片捕獲。最後捕獲衛星將與所捕獲的垃圾碎片一起進入地球大氣層燒毀清除。
英國衛星商OneWeb攜手日本新創公司 Astroscale與歐洲太空總署(ESA)合作共同啟動太空垃圾處理ELSA-M計畫發展磁性捕獲機制,利用發射捕獲衛星上的磁吸對接系統,進而捕獲地球軌道上的廢棄衛星並加以移除。
除運用機器手臂與磁吸技術外,美國新創TransAstra 在美國太空總署(NASA)的資金補助下,發展衛星捕獲袋技術,用以捕獲軌道上的廢棄立方衛星、廢棄火箭、甚至大型的同步衛星,帶入地球大氣層進行燒毀。英國新創Surrey Satellite Technology也採用與TransAstra 類似的原理,以利用拖曳網子將垃圾帶入地球大氣層燃燒清除。
太空垃圾清理的機會與挑戰
從市場角度觀察,整體太空垃圾清除產業在2030年產值將達到4.5億美元,從2022年至2030年的年複合成長率(CAGR)為23.9%,具有巨大的市場機會,但仍有部分挑戰有待克服。例如各業者太空垃圾清理技術尚處於發展初期,尚未形成成熟的產業鏈;部分技術還在實驗室階段,尚未經過太空驗證。太空垃圾清理需要克服許多技術難題,例如如何精準捕捉高速運行的太空垃圾、如何在太空中進行回收利用等。因此,太空垃圾產業的發展需要許多關聯技術的不斷突破,例如衛星本體製造技術、材料科學、與人工智慧分析與機器人技術。
在ESG永續發展趨勢下,太空垃圾是一項全球性問題,需要各國共同努力才能解決,衛星的清理是一項長期而艱巨的任務,需要各國政府、企業和研究機構的共同努力。只有透過加強國際合作、完善法律法規、研發新技術,才能有效解決太空垃圾問題,並保障太空安全和朝向可持續發展。政府對我國太空發展高度重視,可以投入更多資源加大對太空垃圾清理技術研發的投入,並為企業提供政策支持,加快太空垃圾清理相關技術如衛星製造、材料科學、與人工智慧應用研發和成果轉化。
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