浅述卫星互联网可持续性发展面临的挑战

11月12日，SpaceX成功发射了商业服务所需的最后一对O3b mPower卫星，这是其于2023年执行的第84次轨道任务。O3b通信卫星互联网由卢森堡公司SESSA运营，一旦六颗卫星部署完成，SES提供的初始商业服务将在2024年第二季度覆盖全球96%的人口，为全球提供更广泛的通信服务。

卫星互联网时代始于2019年5月，当时埃隆·马斯克（Elon Musk）的公司SpaceX发射了Starlink中的首批60颗卫星。Starlink是SpaceX的一项合资项目，旨在通过在近地轨道建立和维护12000多颗通信卫星的网络，实现全球高速宽带互联网覆盖。目前，Starlink的卫星数量已增至5000多颗，占据太空中所有活跃卫星的一半。其他公司如亚马逊和OneWeb等也相继发射了数千颗类似卫星。

目前，围绕地球轨道运行的卫星约有9800颗，其中约7200颗仍在运行。据欧洲南方天文台称，到2030年，近地轨道上的卫星数量可能会增加到75000颗。仅SpaceX就计划为其Starlink互联网服务发射42000颗卫星。卫星互联网能为全球尤其是偏远地区提供通信服务，其传输速度比光纤电缆快47%，已成为全球互联网发展的显著趋势。

然而，据法国新闻社（Relaxnews）报道，有研究指出，卫星互联网接入引发的环境污染明显超过传统的地面互联网接入。在地球表面几乎被卫星覆盖的情况下，还有谁能享有夜空？

卫星互联网的迅速发展为全球网络连接带来了便利，然而，根据德克萨斯大学圣安东尼奥分校天体物理学教授克里斯·帕克汉姆（Chris Packham）的观点，随之而来的是一系列令人担忧的问题：“如果我们不谨慎处理，最终将面临大量的污染难题。”

第一种说法是卫星互联网的卫星加剧了光污染。

英国皇家天文学会关于卫星互联网的最新研究显示，这些卫星导致夜空可见度下降了60%，全球有三分之一的人无法欣赏到深邃的夜空。

在SpaceX于2019年发射了首批60颗Starlink卫星后，天文学家就表达了担忧。他们对此进行了相关研究，研究表明，这些卫星和航天器的残片会反射和散射阳光，导致夜空变得更为明亮。不同于地球上光污染主要集中在繁华城市周围的情况，太空中的光污染会影响地球对宇宙的观测。在2022年10月发布的报告中，美国天文学会（ASS）指出，由于航天器对阳光的漫反射，天空可能会变亮两到三倍。

2022年1月，根据加拿大天体物理学家团队的模拟，夜空中可见的光源中，将有十五分之一来自卫星。不列颠哥伦比亚大学的行星天文学家、外层空间研究所的联合主任亚伦·博利指出：“你或许可以远离城市光污染，享受夜空的宁静，却无法摆脱卫星光污染，你将无处可逃。”在未来，人们可能找不到一个能够凝视夜空的地方。

第二种说法是卫星互联网污染了高层大气。

美国和英国科学家的研究发现，SpaceX（Starlink）、Eutelsat（OneWeb）和Amazon（Kuiper）等公司提供的卫星互联网服务的碳足迹明显高于陆基替代服务，可能造成巨大的环境负担。相较于移动互联网和地面服务的排放量，每个卫星互联网的每个互联网用户碳足迹可能高出14至21倍。高碳足迹主要来源于卫星发射过程中产生的大量二氧化碳和甲烷排放。研究还指出，在考虑到火箭发射期间产生的额外颗粒物排放（如黑碳、氧化铝和水蒸气）的情况下，卫星互联网服务的潜在污染可能比先前估计的更为严重。

每颗卫星的预期寿命只有几年，且无法回收。在寿命结束时，它们要么会在落回大气层时解体，要么会在轨道上无休止地徘徊。此外，需要用新的可运行的卫星取代它们。如此多污染物和潜在的太空碎片会对太空造成重大损害。卫星使用的铝在燃烧过程中会产生氧化铝，消耗臭氧，并可能改变大气对热量的反射能力。

加利福尼亚州航天航空公司的马丁·罗斯（Martin Rosse）指出，未来几年卫星的排放影响将进一步加剧，卫星互联网可能会改变高层大气的化学成分。他强调，航天工业此前未充分关注卫星互联网对环境的影响，这是一个相对年轻且不受监管的行业。

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第三种说法是卫星互联网增加了太空碎片与碰撞威胁。

美国国家航空航天局（NASA）表示，卫星互联网会产生空间碎片并增加碰撞风险。衡量太空碎片的风险相当困难，因为并非每个轨道上的物体都能被追踪。据欧洲航天局（ESA）称，目前地球上的雷达系统正在追踪大约34600个太空碎片，另外1.3亿个碎片可能由于太小而无法被准确检测或追踪。

英国南安普顿大学航天研究组组长、空间碎片专家休·刘易斯（Hugh Lewis）认为，卫星互联网的卫星群是近地轨道碰撞风险的主要来源。根据计算机模型，这些卫星每周与距离小于1公里的其它航天器相遇约1600次，占此类事件的50%。随着每一批新卫星的发射，这一数字还将增加。当Starlink的卫星全部部署后，相遇概率可能达到90%，碰撞风险也将大大提升。

第四种说法是卫星互联网干扰了天文学研究。

首先，国际天文学联合会指出，卫星的亮度可能干扰对天空中微弱物体的探测。天文学家也担心卫星可能影响对小行星和彗星等移动目标的观测能力。

其次，卫星互联网导致天文图像中频繁出现卫星轨迹。2002年至2021年间，哈勃望远镜拍摄的图像中，有2.7%出现了卫星轨迹。预计到2030年，这一比例或升至50%。若SpaceX将42000颗卫星都送入太空，维拉鲁宾天文台拍摄的图像中可能有30%都包含卫星轨迹。这些轨迹明显影响图像质量，干扰科学研究。

此外，这些卫星可能会无意中产生电磁噪声，为天文学家带来额外的干扰源。马克斯·普朗克射电天文学研究所（MPIR）的本杰明·温克尔（Benjamin Winkel）表示：“卫星群越大，所有卫星辐射的加和效应就愈为显著。”

针对卫星互联网可能导致的光污染问题，SpaceX承诺通过技术手段降低卫星在地球上的可见度，如采用遮阳帘、低反射率涂层和改进的卫星方向控制等技术，以最大程度地减少光污染。为缓解光污染问题，SpaceX测试了一颗名为“Darksat”的Starlink卫星，在包括天线在内的一侧涂上了实验性的变暗涂层，以降低反射亮度。测试结果显示，反射亮度成功降至55%。

不列颠哥伦比亚大学的行星天文学家、外层空间研究所的联合主任亚伦·博利表示：“我希望整个卫星的设计都能考虑到亮度减弱的问题。”

针对高层大气污染和太空碎片的问题，卫星运营商应该使用可再生能源并关注卫星的可持续性。

首先，卫星互联网服务的运行，包括地面站和数据中心的建设，都需要大量能源。所用能源不同可能导致各异的环境影响，具体取决于能源的可持续性。在部署卫星互联网基础设施之前，应进行彻底的环境影响评估，以识别当地生态系统的潜在风险。同时，使用可再生能源为地面基础设施供电，能够显著减少卫星互联网运营的碳足迹。

其次，卫星运营商在设计航天器时考虑到了可持续性。包括规划脱轨程序以减少空间碎片，并采用高效的推进系统延长卫星寿命。SpaceX承诺减少卫星使用的能源，并保证发射新卫星时只使用无毒推进剂。因此，在火箭和卫星设计以及它们所携带的燃料成分方面，需要开发更可持续的技术。

此外，还要限制太空废物的存在，如通过发送一颗卫星回收其他几颗卫星，并在其重返大气层时引爆。或提供在轨卫星加油服务，以延长卫星的预期寿命。一支瑞士团队正在开发ClearSpace-1卫星，旨在回收轨道上的太空碎片，并通过受控重返大气层将其烧毁，首次全面测试计划于2025年进行。

根据西弗吉尼亚大学空间系统操作研究实验室主任李行云（Hang WoonLee）所带团队的最新研究表明，天基激光器网络可以帮助将碎片推离国际空间站的碰撞路线。2023年3月，美国宇航局的报告显示，与地面激光器相比，天基激光器更有优势，因为它们无需穿越地球大气层，避免了光束可能会变形的问题。在太空中，光束可以更容易地将目标物体脉冲到有利轨道。

针对卫星互联网对天文学造成的干扰，联邦通信委员会要求卫星互联网运营商与天文学家合作，以最大程度降低卫星对地面天文观测的影响。这些公司每年需向联邦通信委员会报告是否与美国国家科学基金会达成协调协议，以及它们采取了何种措施以减轻卫星对天文观测的影响。

SpaceX公司承诺将持续努力将卫星调暗至不超过7级，以使其难以被肉眼察觉，并减少其对敏感天文仪器的影响。此外，SpaceX同意在其卫星经过主要无线电天文台时暂停传输。

亚马逊的代表表示，公司已意识到潜在的光污染问题，“在设计和开发过程中，反射率是我们考虑的关键因素之一。此外，我们已在设计和运营方面做出决策，减少卫星对天文观测的影响。同时，我们正与社区成员合作，深入了解他们的担忧，再确定进一步措施。”

OneWeb企业事务总监凯蒂·多德（Katie Dowd）提到，公司正与包括英国皇家天文学会和美国天文学会在内的组织进行谈判，以了解卫星对观测的影响，“我们还在进行亮度测量，并将根据这些数据寻求解决方案。”

尽管卫星互联网领域发展速度迅猛，但仍存在诸多亟待解决的问题。在这个过程中，我们既要抓住卫星互联网带来的巨大机遇，也要勇于面对各种挑战。随着人类太空活动的增多，太空环境的复杂性要求我们拥有更精准的太空数据以指导火箭发射、探月、探火、太空科研等太空探索活动。

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