Zijn chemische raketten of zonnezeilen beter voor het retourneren van hulpbronnen dan asteroïden?

Als en wanneer we de asteroïde mijnbouwindustrie buiten de aarde lanceren, zal een van de belangrijkste beslissingen die moeten worden genomen in de structuur van elke asteroïde mijnbouwmissie zijn hoe we de middelen terug kunnen krijgen naar waar al onze andere infrastructuur is – ergens rond de aarde. Die beslissing zal zich meestal richten op een van de twee voortstuwingsmethoden: chemische raketten, zoals degene die we al gebruiken om ons in de ruimte te krijgen, of zonnezeilen, die, hoewel langzamer en niet in staat om ons in een baan om de aarde te brengen, niet t. geen brandstof nodig. Dus, wat is de beste voortstuwingsmethode voor deze toekomstige missies? Een studie door onderzoekers van de Universiteit van Glasgow keek naar beide scenario’s en kwam met een duidelijk antwoord: zonnezeilen.

Bij het beantwoorden van dit soort theoretische vragen is het noodzakelijk om beperkingen op te leggen aan de antwoorden. Er zijn bijvoorbeeld miljarden asteroïden in het zonnestelsel, dus het is realistisch om alleen te kijken naar de zogenaamde near-earth asteroïden (NEA’s). Maar toch zijn er meer dan 30.000 bekende NEA’s. Het was onmogelijk voor hoofdauteur Merrill Vergig, die destijds gepromoveerd was. Een universiteitsstudente en haar collega’s berekenen voor elk van hen de optimale paden.

Dus verdeelden ze het gebied rond de aarde in algemene orbitale parameters – afstand van de halve hoofdas, excentriciteit en helling. Met deze drie parameters is het gemakkelijker om grip te krijgen op hoe de transitbaan van een bepaalde asteroïde eruit zou zien in dat deel van de ruimte, waarvan sommige zich heel dicht bij de aarde zullen bevinden in zijn baan.

Er waren ook andere beperkingen nodig, zoals het berekenen van alleen de kosten en baten van het retourneren van materialen van de asteroïde, niet het ontginnen van de asteroïde zelf. De aanschaf en installatie van mijnbouwapparatuur daar viel buiten het bestek van dit document. Bovendien moet er een wachttijd zijn bij de asteroïde zelf, zodat de terugkeermissie tijd heeft om de materialen in te slaan die hij zal vervoeren.

Die stof was daarom vluchtig. Vluchtige stoffen, zoals water, zijn een belangrijk punt geweest in discussies over asteroïde mijnbouw, omdat ze de basis vormen voor raketbrandstof die nodig zou zijn voor verkenning verder in het zonnestelsel en veel geld zou kosten om uit de aarde zelf te halen. Bovendien kunnen chemische raketten sommige van deze vluchtige stoffen dan als hun eigen brandstof gebruiken om hun weg terug naar het aardsysteem te vinden.

Er worden enkele beperkingen opgelegd, waaronder het terugbrengen van vluchtige stoffen naar een geostationaire baan (GEO), enkele aannames over lanceringskosten op basis van verwachte kosten voor het ruimteschip, en het bepalen van een maatstaf die zo belangrijk is voor economische studies: de netto contante waarde (NPV). NPV is de score waartegen oplossingen worden beoordeeld en op basis van verschillende berekende factoren. Deze omvatten een verscheidenheid aan kosten, zoals lanceringskosten, ontwikkelingskosten, productiekosten en operationele kosten. De inkomsten worden berekend op basis van de verwachte waarde van vluchtige materialen die in een baan om de aarde worden gebracht. Wanneer de inkomsten hoger zijn dan de kosten van de missie, wordt de NPV positief, wat in dit geval aangeeft of een missie naar een asteroïde in die regio de moeite waard is.

Om deze bepaling te maken, gebruikten de auteurs een techniek die een genetisch algoritme wordt genoemd om een ​​optimalisatieprobleem op te lossen. In wezen gaven ze het algoritme een reeks parameters, zoals orbitale mechanica, ruimtevaartuigmassa’s en de hoeveelheid teruggestuurde vluchtige stoffen, en vroegen ze het algoritme om te optimaliseren voor die allerbelangrijkste NPV. Het resultaat van het algoritme was heel duidelijk: zonnezeilen hebben positieve NPV’s voor verschillende regio’s in de ruimte nabij de aarde.

Dit was voornamelijk te wijten aan enkele van de zwakke punten van de chemische raketten. Ze moesten een deel van de ingeleverde materialen gebruiken om terug te gaan naar GEO. En hoewel hun omlooptijd korter was, haalt een andere factor van de NPV, de discontovoet, die de verwachte waarde van een hulpbron verlaagt naarmate deze in de toekomst meer wordt verkocht, niet genoeg van de waarde van een zonnezeil. kan het terug halen, vergelijkbaar met de chemische raket.

Er zijn nog steeds enkele gebieden in de buurt van de aarde waar zelfs zonnezeilen niet winstgevend waren, dus stellen de auteurs voor dat toekomstige asteroïde mijnwerkers naar asteroïden kijken in de specifieke gebieden die zij als winstgevend beschrijven als ze op zoek zijn naar hun eerste grote mijnsite. Bovendien hebben de onderzoekers enkele wijzigingen aangebracht in de oorspronkelijke basismissiestructuur, zoals stoppen bij Moon Gate, een tweede vlucht toevoegen en een reeks variabele simulaties uitvoeren, bekend als Monte Carlo-simulaties, die de omvang van deze operaties zouden testen. Verschillende regelingen waren winstgevend.

Het toevoegen van een tweede vlucht en stoppen bij Lunar Gateway in plaats van GEO voegde aanzienlijke waarde toe aan elk type missie-engineering. De Monte Carlo-simulatie toonde ook aan dat de winstgevendheid consistent was met lage inputkosten en veranderingen in outputopbrengsten. Hoewel er potentiële lucratieve doelen zijn voor elk type voortstuwingssysteem, lijken zonnezeilen over het algemeen de duidelijke winnaar tussen de twee. Nu is het aan degenen die hopen het eerste asteroïde mijnbouwimperium te bouwen om te luisteren.

Leer meer:
Virgig et al – Economische evaluatie van een voortstuwing met hoge voortstuwing en zonnezeil voor asteroïdemijnbouw in de buurt van de aarde
Utah – Wat is een zonnezeil?
Utah – Hoe houd je het zonnezeil stabiel?
Utah – Met een nieuw type zonnezeil kunnen we moeilijk bereikbare plekken in het zonnestelsel verkennen

hoofdafbeelding:
Artistieke weergave van een asteroïdeveld.
Credits: NASA/JPL/Caltech