Czy rakiety chemiczne lub żagle słoneczne są lepsze do zwracania zasobów niż asteroidy?

Jeśli i kiedy uruchomimy przemysł wydobywczy na asteroidach poza Ziemią, jedną z najważniejszych decyzji, które należy podjąć w ramach każdej misji wydobywczej na asteroidach, będzie sposób sprowadzenia zasobów z powrotem tam, gdzie znajduje się cała nasza pozostała infrastruktura – gdzieś wokół Ziemi. Decyzja ta zwykle będzie koncentrować się na jednej z dwóch metod napędu — rakietach chemicznych, takich jak te, których już używamy, aby dostać się w kosmos, lub żaglach słonecznych, które chociaż są wolniejsze i nie są w stanie wynieść nas na orbitę, nie. nie wymagają paliwa. Jaka jest więc najlepsza metodologia napędu dla tych przyszłych misji? Badanie przeprowadzone przez naukowców z University of Glasgow przyjrzało się obu tym scenariuszom i dało jasną odpowiedź – żagle słoneczne.

Odpowiadając na tego typu pytania teoretyczne, konieczne jest nałożenie ograniczeń na odpowiedzi. Na przykład w Układzie Słonecznym znajdują się miliardy asteroid, więc realistyczne jest patrzenie tylko na te znane jako asteroidy bliskie Ziemi (NEA). Ale mimo to istnieje ponad 30 000 znanych NEA. Było to niemożliwe dla głównego autora Merrilla Vergiga, który miał wówczas doktorat. Studentka i jej współpracownicy obliczają optymalne ścieżki dla każdego z nich.

Podzielili więc obszar wokół Ziemi na ogólne parametry orbity — odległość półosi wielkiej, ekscentryczność i nachylenie. Dzięki tym trzem parametrom łatwiej jest zorientować się, jak wyglądałaby orbita tranzytowa danej asteroidy w tym obszarze przestrzeni, z których część będzie bardzo blisko Ziemi na swojej ścieżce orbitalnej.

Konieczne były również inne ograniczenia, takie jak obliczenie tylko kosztów i korzyści zwrotu materiałów z asteroidy, a nie wydobycie samej asteroidy. Nabycie i instalacja sprzętu górniczego została omówiona poza zakresem tego artykułu. Co więcej, na samej asteroidzie musi być czas oczekiwania, aby misja powrotna miała czas na zaopatrzenie się w materiał, który będzie przewozić.

Substancja ta była z tego powodu lotna. Substancje lotne, takie jak woda, były centralnym punktem dyskusji na temat wydobycia planetoid, ponieważ stanowią podstawę paliwa rakietowego, które byłoby potrzebne do eksploracji daleko w głąb Układu Słonecznego i kosztowało dużo pieniędzy, aby wydobyć z samej Ziemi. Co więcej, rakiety chemiczne mogą następnie wykorzystać niektóre z tych substancji lotnych jako własne paliwo, aby przedostać się z powrotem do systemu Ziemi.

Wprowadzono kilka ograniczeń, w tym powrót substancji lotnych na orbitę geostacjonarną (GEO), pewne założenia dotyczące kosztów wystrzelenia w oparciu o przewidywane koszty statku kosmicznego oraz określenie miary, która jest tak ważna w badaniach ekonomicznych — wartości bieżącej netto (NPV). NPV to punktacja, według której rozwiązania będą oceniane i na podstawie różnych obliczonych czynników. Obejmują one różne koszty, takie jak koszt uruchomienia, koszt rozwoju, koszt produkcji i koszt operacyjny. Przychody będą obliczane na podstawie przewidywanej wartości materiałów lotnych dostarczonych na orbitę. Kiedy przychód przekracza koszt misji, wartość NPV staje się dodatnia, co w tym przypadku wskazuje, czy misja na asteroidę w tym regionie jest opłacalna.

Aby to ustalić, autorzy wykorzystali technikę zwaną algorytmem genetycznym do rozwiązania problemu optymalizacji. Zasadniczo dali algorytmowi zestaw parametrów, takich jak mechanika orbity, masy statków kosmicznych i ilość zwracanych substancji lotnych, i poprosili algorytm o optymalizację pod kątem tej niezwykle ważnej wartości NPV. Wynik algorytmu był bardzo jasny – żagle słoneczne mają dodatnie wartości NPV dla różnych regionów w przestrzeni bliskiej Ziemi.

Wynikało to głównie z niektórych słabości pocisków chemicznych. Musieli użyć niektórych materiałów, które zostały oddane, aby wrócić do GEO. I chociaż czas ich orbity transferowej był krótszy, inny czynnik NPV, stopa dyskontowa, która obniża oczekiwaną wartość zasobu, im więcej jest sprzedawany w przyszłości, nie ujmuje z tego tyle wartości, że fotowoltaika żagiel może wrócić. Ustaw go na równi z pociskiem chemicznym.

Nadal istnieją obszary w pobliżu Ziemi, w których nawet żagle słoneczne nie były opłacalne, więc autorzy sugerują, że przyszli górnicy z planetoid przyjrzą się asteroidom w określonych obszarach, które opisują jako opłacalne, jeśli szukają pierwszego dużego miejsca wydobycia. Ponadto naukowcy dokonali pewnych modyfikacji pierwotnej podstawowej struktury misji, takich jak zatrzymanie się przy Księżycowej Bramie, dodanie drugiego lotu i przeprowadzenie serii zmiennych symulacji, znanych jako symulacje Monte Carlo, które przetestowałyby zakres tych operacji . Różne programy były opłacalne.

Dodanie drugiego lotu i zatrzymanie się w Lunar Gateway zamiast GEO dodało znaczącą wartość do każdego rodzaju inżynierii misji. Symulacja Monte Carlo wykazała również, że jej rentowność była zgodna z niewielkimi kosztami nakładów i zmianami przychodów z produkcji. Ogólnie rzecz biorąc, chociaż istnieją potencjalne lukratywne cele dla każdego typu układu napędowego, żagle słoneczne wydają się być wyraźnym zwycięzcą między nimi. Teraz słuchanie należy do tych, którzy mają nadzieję zbudować pierwsze imperium górnicze na asteroidach.

Ucz się więcej:
Virgig i wsp. Ocena ekonomiczna napędu o dużej mocy i żagla słonecznego do wydobywania asteroid w pobliżu Ziemi
Utah – Co to jest żagiel słoneczny?
Utah – Jak utrzymać stabilność żagla słonecznego?
Utah – Nowy typ żagla słonecznego może pozwolić nam badać trudno dostępne miejsca w Układzie Słonecznym

główny obraz:
Artystyczna wizja pola asteroid.
Źródło: NASA/JPL/Caltech