[논문 리뷰] Exploring Potential Environmental Benefits of Asteroid Mining

Andreas M. Hein, Michael Saidani외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 10.

Geochemistry and Elemental AnalysisEarth and Planetary Sciences참고 문헌 24인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 지구 기반과 외계 천체 기반 광물 채굴을 비교하는 1차 수준의 생애주기 평가를 수행하여 소행성 채굴의 환경적 이점을 평가한다. 수소와 platina에 대한 채굴을 대상으로 하며, 채굴된 물의 질량이 채굴 우주선의 질량을 초과할 경우 소행성에서의 물 채굴이 환경적으로 유리하며, 플라티나 채굴의 경우 0.3~7%의 우주선 질량이 지구로 반출될 경우 환경적 이점이 발생한다. 이는 플라티나의 원천에 따라 달라진다.

ABSTRACT

Asteroid mining has been proposed as an approach to complement Earth-based supplies of rare earth metals and supplying resources in space, such as water. Existing research on asteroid mining has mainly looked into its economic viability, technological feasibility, cartography of asteroids, and legal aspects. More recently, potential environmental benefits for asteroid mining have been considered. However, no quantitative estimate of these benefits has been given. This paper attempts to determine if and under which conditions asteroid mining would have environmental benefits, compared to either Earth-based mining or launching equipment and resources into space. We focus on two cases: Water supply to cis-lunar orbit and platinum mining. First, we conduct a state-of-the-art of current environmental life cycle assessment for the space domain and platinum mining. Second, a first order environmental life cycle assessment is conducted, including goal and scope definition, inventory analysis, and impact assessment. We compare water supply to cis-lunar orbit with and without asteroid mining and go on to compare terrestrial with space-based platinum mining. The results indicate that asteroid water mining would have environmental benefits, as soon as the amount of water supplied via mining is larger than the mass of the spacecraft used for mining. For platinum mining, we find that by comparing the operations phase of terrestrial and space mining, space mining would have a lower environmental impact, if the spacecraft is able to return between 0.3 to 7% of its mass in platinum to Earth, assuming 100% primary platinum or 100% secondary platinum, respectively. For future work, we propose a more detailed analysis, based on a more precise inventory and a larger system boundary, including the production of the launcher and spacecraft.

연구 동기 및 목표

• 지구 기반 채굴 및 외계 천체 발사와의 비교를 통해 소행성 채굴의 환경적 영향을 평가하기 위해.
• 지구 기반 채굴 대비 소행성 채굴이 물과 플라티나에 대해 더 낮은 환경 부담을 유발할 수 있는지 평가하기 위해.
• 소행성 채굴이 환경적으로 유리한 조건이 되는 임계 조건을 규명하기 위해.
• 우주 기반 자원 채굴을 위한 1차 수준의 생애주기 평가 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 우주 및 플라티나 채굴 분야에서의 기존 환경 생애주기 평가에 대한 최신 기술 리뷰를 수행하기 위해.
• 평가의 목표와 범위를 정의하며, 수소 및 플라티나 채굴 시나리오에 대한 시스템 경계를 설정하기 위해.
• 우주선, 발사체 및 채굴 운영에 필요한 자원 및 에너지 투입량의 재고 분석을 수행하기 위해.
• 표준화된 생애주기 영향 평가 방법을 사용하여 환경 영향을 평가하기 위해.
• 지구 기반 채굴 및 발사 전용 공급망과의 비교를 통해 소행성 채굴의 환경 성과를 평가하기 위해.
• 반환 질량 및 효율성에 기반한 환경적 이점의 기준점(균형점)을 도출하기 위해 민감도 분석을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구권 내 소행성에서의 물 채굴이 지구 기반 대안보다 낮은 환경 영향을 초래하는 조건은 무엇인가?
• RQ2 지구 기반 채굴보다 낮은 환경 영향을 유도하기 위해 소행성 채굴에서 얼마나 많은 플라티나 질량을 지구로 반출해야 하는가?
• RQ3 우주로 장비를 발사하는 것과 소행성 채굴을 통한 현지 자원 활용 간의 환경 영향는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 소행성 채굴이 환경적으로 유리해지기 위해 필요한 물의 채굴 질량과 우주선 질량의 비율 기준치는 얼마인가?
• RQ5 플라티나의 원천(주요 또는 재활용)이 우주 채굴의 환경적 타당성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 소행성에서의 물 채굴은 채굴된 물의 질량이 채굴 우주선의 질량을 초과할 경우 환경적 이점이 있다.
• 플라티나 채굴의 경우, 플라티나가 주요 자원인지 재활용 자원인지에 따라 우주선이 지구로 0.3%에서 7%의 질량을 반출할 경우 환경적 이점이 발생한다.
• 반환 효율성이 0.3~7%의 기준을 충족할 경우, 우주 기반 플라티나 채굴의 환경 영향은 지구 기반 채굴보다 낮다.
• 이 연구는 물 채굴의 임계 질량 기준치를 규명하여, 발사 및 궤도 내 운영의 영향을 상쇄하기 위해 채굴의 생산성이 충분히 높아야 한다고 밝혔다.
• 결과적으로, 실용적인 미션 성능 및 반출 비율 조건 하에서 소행성 채굴이 환경적으로 유리할 수 있음을 시사한다.
• 향후 연구에서는 더 정확한 환경 평가를 위해 발사체 및 우주선 제조 과정까지 시스템 경계를 확장해야 한다.