Sind chemische Raketen oder Sonnensegel besser, um Ressourcen von Asteroiden zurückzubringen?

Wenn wir jemals eine Asteroiden-Bergbauindustrie in Gang bringen, wäre eine der wichtigsten Entscheidungen, die bei der Struktur jeder Asteroiden-Bergbaumission getroffen werden muss, wie wir die Ressourcen dorthin zurückbringen können, wo sich unsere gesamte andere Infrastruktur befindet – irgendwo in der Nähe die Erde.

Diese Entscheidung konzentriert sich normalerweise auf eine von zwei Antriebsmethoden – chemische Raketen, wie wir sie bereits verwenden, um uns überhaupt erst in den Weltraum zu bringen, oder Sonnensegel, die zwar langsamer sind und uns nicht in die Umlaufbahn bringen können, dies aber nicht tun keinen Treibstoff benötigen. Welche Antriebsmethode ist also besser für diese zukünftigen Missionen? Eine Studie von Forschern der Universität Glasgow untersuchte diese beiden Szenarien und kam zu einer eindeutigen Antwort – Sonnensegel.

Bei der Beantwortung dieser Art von theoretischen Fragen ist es wichtig, den Antworten Grenzen zu setzen. Zum Beispiel existieren Milliarden von Asteroiden im Sonnensystem, daher ist es realistischer, nur die sogenannten erdnahen Asteroiden (NEAs) zu betrachten. Trotzdem gibt es über 30.000 bekannte NEAs. Für die Hauptautorin Merel Vergaaij, damals promovierte, wäre es unmöglich gewesen. Studentin an der Universität und ihren Kollegen, um für jeden von ihnen optimierte Trajektorien zu berechnen.

Also zerlegten sie das Gebiet um die Erde in verallgemeinerte Bahnparameter – Abstand der großen Halbachse, Exzentrizität und Neigung. Mit diesen drei Parametern ist es einfacher zu verstehen, wie eine allgemeine Transferbahn zu einem bestimmten Asteroiden in dieser Region des Weltraums aussehen würde, von denen einige auf ihrer Umlaufbahn ziemlich nahe an der Erde liegen würden.

Andere Einschränkungen waren ebenfalls notwendig – wie etwa die Berechnung nur der Kosten und des Nutzens des Rücktransfers von Material vom Asteroiden, nicht des Abbaus des Asteroiden selbst. Die Bergwerksausrüstung dorthin zu bringen und einzurichten, würde den Rahmen dieses Papiers sprengen. Außerdem musste am Asteroiden selbst eine Wartezeit eingehalten werden, damit die Rückmission Zeit hatte, sich mit dem Material zu versorgen, das sie tragen würde.

Bei diesem Material handelte es sich in dieser Berechnung um flüchtige Stoffe. Flüchtige Stoffe wie Wasser standen im Mittelpunkt der Diskussionen über den Abbau von Asteroiden, da sie die Grundlage für Raketentreibstoff bilden, der benötigt würde, um weiter in das Sonnensystem vorzudringen, und viel Geld kosten würden, um ihn von der Erde selbst nach oben zu bringen. Darüber hinaus können chemische Raketen dann einige dieser flüchtigen Stoffe als ihren eigenen Treibstoff verwenden, um ihren Weg zurück zum Erdsystem zu finden.

Ein paar weitere Einschränkungen kamen hinzu, darunter das Zurücksenden der flüchtigen Stoffe in die geostationäre Umlaufbahn (GEO), einige Annahmen zu den Startkosten auf der Grundlage der prognostizierten Kosten von Starship und die Bestimmung dieser überaus wichtigen Kennzahl wirtschaftlicher Studien – des Nettogegenwartswerts (NPV). ).

Der NPV ist das Ergebnis, anhand dessen die Lösungen beurteilt werden, und basiert auf verschiedenen berechneten Faktoren. Diese würden eine Vielzahl von Kosten beinhalten, wie zum Beispiel Einführungskosten, Entwicklungskosten, Herstellungskosten und Betriebskosten. Die Einnahmen würden auf der Grundlage des erwarteten Werts der in den Orbit gelieferten flüchtigen Stoffe berechnet. Wenn die Einnahmen die Kosten der Mission übersteigen, wird der NPV positiv, was in diesem Fall angibt, ob sich eine Mission zu einem Asteroiden in diesem Gebiet lohnen würde.

Um diese Bestimmung zu treffen, verwendeten die Autoren eine Technik, die als genetischer Algorithmus bezeichnet wird, um ein Optimierungsproblem zu lösen. Im Wesentlichen gaben sie dem Algorithmus eine Reihe von Parametern, wie die Orbitalmechanik, die Massen des Raumfahrzeugs und die Menge der zurückgegebenen flüchtigen Stoffe, und sagten dem Algorithmus, er solle den überaus wichtigen NPV-Wert optimieren. Das Ergebnis des Algorithmus war sehr klar – Sonnensegel haben positive NPVs für eine größere Vielfalt von Gebieten im erdnahen Weltraum.

Dies lag in erster Linie an einigen Schwächen chemischer Raketen. Sie mussten einen Teil ihres gelieferten Materials verwenden, um zu GEO zurückzukehren. Und während die Zeit für ihre Transferumlaufbahn kürzer war, nimmt ein weiterer Faktor des NPV, der Abzinsungssatz, der den erwarteten Wert einer Ressource senkt, je weiter in der Zukunft sie verkauft wird, nicht genug vom Wert ab von dem, was das Sonnensegel zurückbringen kann, das es der chemischen Rakete ebenbürtig machen würde.

Es gab immer noch einige Bereiche des erdnahen Weltraums, in denen selbst Sonnensegel nicht rentabel waren, daher schlagen die Autoren vor, dass zukünftige Asteroidenschürfer Asteroiden in den von ihnen als potenziell rentabel bezeichneten Regionen betrachten, wenn sie nach ihrem ersten großen Bergbaustandort suchen . Darüber hinaus nahmen die Forscher einige Änderungen an ihrer ursprünglichen Basismissionsstruktur vor, z. B. Stoppen an einem Lunar Gateway, Hinzufügen einer zweiten Reise und Ausführen einer Reihe variabler Simulationen, bekannt als Monte-Carlo-Simulationen, die das Ausmaß testen würden diese verschiedene Systeme waren profitabel.

Sowohl das Hinzufügen einer zweiten Reise als auch der Zwischenstopp am Lunar Gateway anstelle von GEO fügten jeder Art von Missionsarchitektur einen erheblichen Mehrwert hinzu. Die Monte-Carlo-Simulationen zeigten auch, dass ihre Rentabilität mit geringfügigen Eingangskosten und Schwankungen der Ausgangserlöse übereinstimmte. Obwohl es für jede Art von Antriebssystem potenziell profitable Ziele gibt, scheint es insgesamt, dass Sonnensegel eindeutig der Gewinner zwischen den beiden sind. Jetzt ist es an denen, die hoffen, das erste Asteroiden-Minenimperium aufzubauen, zuzuhören.

Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Fortschritte in der Weltraumforschung.