[논문 리뷰] Asteroid mining with small spacecraft and its economic feasibility

Pablo Calla, Dan Fries외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 15.

Astro and Planetary Science참고 문헌 19인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 500kg 이하의 소형 우주선을 사용하여 마이크로파 가열을 통해 수소를 추출하고, 임무당 100kg의 수소를 반환하는 비용 효율적인 tiểu행성 채굴 아키텍처를 제안한다. 우주선 1대당 총 비용은 1억 1,360만 달러이며, 5년간 100대 이상의 편대가 운영되어야 재무적 손익분기점에 도달할 수 있으며, 이는 고용량 운영과 유리한 시장 조건이 필요하다는 결론을 이끌어낸다.

ABSTRACT

Asteroid mining offers the possibility to revolutionize supply of resources vital for human civilization. Preliminary analysis suggests that Near-Earth Asteroids (NEA) contain enough volatile and high value minerals to make the mining process economically feasible. Considering possible applications, specifically the mining of water in space has become a major focus for near-term options. Most proposed projects for asteroid mining involve spacecraft based on traditional designs resulting in large, monolithic and expensive systems. An alternative approach is presented in this paper, basing the asteroid mining process on multiple small spacecraft. To the best knowledge of the authors, only limited analysis of the asteroid mining capability of small spacecraft has been conducted. This paper explores the possibility to perform asteroid mining operations with spacecraft that have a mass under 500 kg and deliver 100 kg of water per trip. The mining process considers water extraction through microwave heating with an efficiency of 2 Wh/g.The proposed, small spacecraft can reach NEAs within a range of $\sim 0.03$ AU relative to earth's orbit, offering a delta V of 437 m/s per one-way trip. A high-level systems engineering and economic analysis provides a closed spacecraft design as a baseline and puts the cost of the proposed spacecraft at $ 113.6 million/unit. The results indicate that more than one hundred spacecraft and their successful operation for over five years are required to achieve a financial break-even point. Pros and cons of using small spacecraft swarms are highlighted and the uncertainties associated with cost and profit of space related business ventures are analyzed.

연구 동기 및 목표

• 소형 우주선(≤500 kg)이 근지구 소행성 채굴에 활용 가능한지 평가하고, 수소 추출을 근시일 내 응용 가능 사례로 집중 분석한다.
• 소형 우주선 기반 채굴 아키텍처의 경제적 타당성을 평가하며, 비용 추정 및 손익분기점 분석을 포함한다.
• 지구상 자원 이용을 위한 소형 채굴 우주선 군집의 배치에 있어 핵심 기술적 및 운영적 과제를 규명한다.
• 비용, 위험, 확장성 측면에서 기존의 단일 구조 채굴 아키텍처와 비교하여 제안된 소형 우주선 접근법의 특성을 분석한다.
• 실제 비용 및 수익 가정 조건 하에 재무적 손익분기점에 도달하기 위해 필요한 최소 우주선 수와 임무 기간을 규명한다.

제안 방법

• 임무 아키텍처는 지구 궤도에서 약 0.03 AU 이내의 근지구 소행성(Near-Earth Asteroids, NEAs)에 도달하기 위해 호만 전이 궤도를 활용하며, 총 ΔV는 437 m/s가 필요하다.
• 수소 추출은 2 Wh/g의 효율성으로 마이크로파 가열을 통해 수행되며, 마그네트론, 웨이브가이드, 냉각 트랩, 마이크로스핀 기구 등 표면 접촉을 위한 전용 페이로드를 포함한다.
• 결정 행렬을 통해 수소 추출 기술을 평가하여, 효율성, 낮은 질량(12 kg), 전력 요구량(200 W) 등으로 인해 마이크로파 가열이 가장 유리한 것으로 판단된다.
• 우주선 시스템은 표준 항공우주 시스템 공학 원칙에 따라 설계되었으며, 추진, 전원, 열 제어, 자율비행제어시스템(ADCS), 항법 및 전자기기 등 주요 시스템은 질량과 TRL 5 수준의 가정에 기반해 규모를 설정하였다.
• 비용 추정은 비용 추정관계(Cost Estimating Relationship, CER) 방법을 사용하였으며, 비재현 비용(NRE)은 질량 기반 스케일링과 역사적 데이터를 기반으로 유도되었다.
• 손익분기점 분석은 누적 비용과 수소 반환 예상 수익을 모델링하여 수행되었으며, 재무적 중립 상태에 도달하기 위해 100대 이상의 우주선과 5년 이상의 운영이 필요하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소형 우주선(≤500 kg)이 소행성 채굴에 있어 필수 성능을 확보할 수 있는가, 특히 수소 추출에 대해 그렇다면 어떻게 되는가?
• RQ2 제안된 설계 및 기술 가정 조건 하에서 우주선 1대당 총 비용은 얼마인가?
• RQ3 소행성 채굴 운영에서 재무적 손익분기점에 도달하기 위해 필요한 우주선 수와 임무 기간은 무엇인가?
• RQ4 소형 우주선 군집의 사용은 기존의 단일 구조 채굴 아키텍처와 비교해 경제적·기술적으로 어떻게 다른가?
• RQ5 소형 우주선 기반 소행성 채굴의 경제적 타당성에 영향을 미치는 주요 불확실성 요소는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 소형 우주선 설계는 주요 하위시스템에 대한 상세한 비용 추정관계(Cost Estimating Relationship, CER) 분석에 기반해 1대당 총 비용이 1억 1,360만 달러로 산정되었다.
• 우주선은 호만 전이 궤도를 통해 지구 궤도에서 약 0.03 AU 이내의 근지구 소행성에 도달할 수 있는 ΔV 437 m/s를 확보하여 실현 가능한 임무 프로파일을 구현할 수 있다.
• 마이크로파 가열은 가장 적합한 수소 추출 방법으로 규명되었으며, 2 Wh/g의 효율성과 함께 드릴링, 저장, 기구 등 포함 총 페이로드 질량 44 kg을 차지한다.
• 재무적 손익분기점 도달에는 100대 이상의 우주선이 5년 이상 성공적으로 운영되어야 하며, 이는 경제적 타당성에 있어 높은 확장성과 볼륨 의존도가 필수적임을 시사한다.
• 이 연구는 우주 기반 비즈니스 모델에 있어 상당한 불확실성이 존재함을 지적하며, 특히 발사 비용, 지구상 자원 처리 효율성, 우주 유래 비타민 시장 가격에 대한 불확실성이 경제적 타당성에 영향을 미친다.
• 소형 우주선 군집의 사용은 임무 위험을 감소시키고 점진적 배치를 가능하게 하지만, 강력한 자율 시스템과 궤도 내 운영 능력이 필요하다.