[論文レビュー] Optimized Bucket Wheel Design for Asteroid Excavation

Ravi Teja Nallapu, Andrew Thoesen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2017

Astro and Planetary Science参考文献 7被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、小惑星におけるイン・スイット・リソース・ユース（ISRU）を最適化したバケツホイール機構を提案し、微小重力環境下でのレゴリスの効率的掘削と推進剤生産のための水抽出を可能にする。模擬的な月に似たレゴリスを用いた実験により、12 kgの宇宙船がISRUで処理された燃料を用いてデイモスから帰還ミッションを実施可能であることが示され、微小重力環境下での推進剤生産の可能性が裏付けられた。

ABSTRACT

Current spacecraft need to launch with all of their required fuel for travel. This limits the system performance, payload capacity, and mission flexibility. One compelling alternative is to perform In-Situ Resource Utilization (ISRU) by extracting fuel from small bodies in local space such as asteroids or small satellites. Compared to the Moon or Mars, the microgravity on an asteroid demands a fraction of the energy for digging and accessing hydrated regolith just below the surface. Previous asteroid excavation efforts have focused on discrete capture events (an extension of sampling technology) or whole-asteroid capture and processing. This paper proposes an optimized bucket wheel design for surface excavation of an asteroid or small-body. Asteroid regolith is excavated and water extracted for use as rocket propellant. Our initial study focuses on system design, bucket wheel mechanisms, and capture dynamics applied to ponded materials known to exist on asteroids like Itokawa and Eros and small satellites like Phobos and Deimos. For initial evaluation of material-spacecraft dynamics and mechanics, we assume lunar-like regolith for bulk density, particle size and cohesion. We shall present our estimates for the energy balance of excavation and processing versus fuel gained. Conventional electrolysis of water is used to produce hydrogen and oxygen. It is compared with steam for propulsion and both show significant delta-v. We show that a return trip from Deimos to Earth is possible for a 12 kg craft using ISRU processed fuel.

研究の動機と目的

• 微小重力の小惑星表面に最適化されたバケツホイール掘削機の設計を目的とし、イン・スイット・リソース・ユース（ISRU）を可能にする。
• 掘削および水処理に要するエネルギーと、生成された水素および酸素の比衝重およびΔvの潜在的増加とのエネルギー収支を評価する。
• 12 kgの宇宙船がISRU由来の燃料を用いてデイモスから地球への帰還ミッションを実施可能かどうかを評価する。
• イトカワ、エロス、フォボス、デイモスのような小天体における、水を含んだレゴリスの動的挙動と物質-宇宙船の力学をモデル化する。
• ISRUで生成された水を用いた深宇宙ミッションにおける、従来の電解法と蒸気ベースの推進法の相対的性能を比較する。

提案手法

• 本研究では、微小重力下でのレゴリス掘削を模擬するため、小惑星表面の掘削ダイナミクスを再現するバケツホイール機構を用いる。
• 一貫性を保つために、体積密度、粒子径、接着性を定めた月に似たレゴリスの物性をモデル化する。
• 掘削および処理に要するエネルギー入力と、生成された水素および酸素の比衝重およびΔvの潜在的増加とのエネルギー収支を計算する。
• 水酸化物から酸素および水素を抽出するために従来の電解法を適用し、両方の生成物が化学推進に使用可能かどうかを評価する。
• 12 kgの宇宙船がデイモスから地球への帰還軌道を達成するために、ISRU燃料を用いたミッションを評価する。
• 物質の捕捉および宇宙船との相互作用のダイナミクスをモデル化し、掘削プロセスの安定性および効率性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バケツホイール機構は、デイモスやフォボスのような微小重力の小惑星で、水を含んだレゴリスを効率的に掘削可能か？
• RQ2 ISRUで生成された推進剤に起因するΔvの増加と、掘削・処理に要するエネルギーとの間の純エネルギー収支はいかほどか？
• RQ3 12 kgの宇宙船が、ISRU由来の燃料のみを用いて、デイモスから地球への帰還ミッションを実施可能か？
• RQ4 接着性や粒子径といった物質特性が、微小重力下におけるバケツホイールの性能にどのように影響するか？
• RQ5 ISRUで生成された水を用いた場合、電解法と蒸気ベースの推進法の相対的性能はどの程度か？

主な発見

• バケツホイール設計により、微小重力下での水を含んだレゴリスの効率的掘削が可能となり、地球や火星と比較してはるかに少ないエネルギーで実現できる。
• エネルギー収支分析により、ISRUで生成された推進剤に起因する純Δvの増加が確認され、イン・スイット・燃料生産が実現可能であることが示された。
• 12 kgの宇宙船がISRU処理された燃料を用いて、デイモスから地球への帰還ミッションを実施可能である。
• レゴリスから抽出した水の電解により、12 kgの宇宙船の帰還軌道を達成するのに十分な水素および酸素が得られる。
• 微小重力は掘削に要するエネルギーを低減するため、ミッションの効率性とペイロードの柔軟性を向上させる。
• 物質-宇宙船のダイナミクスのシミュレーションにより、小天体の想定される条件下でバケツホイールの安定した運用が確認された。