[논문 리뷰] Optimized Bucket Wheel Design for Asteroid Excavation

Ravi Teja Nallapu, Andrew Thoesen외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 26.

Astro and Planetary Science참고 문헌 7인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 화성계 소행성에서의 현장 자원 이용(ISRU)을 위한 최적화된 버킷 유프 기계를 제안하여, 수소 연료 생산을 위한 물을 추출하기 위해 유기 토양을 효율적으로 캐내는 데 기여한다. 시뮬레이션된 달 유사 유기 토양을 사용하여, 12kg의 우주선이 ISRU 처리 연료를 사용해 데모스에서 태양계 외부로 복귀할 수 있음을 입증함으로써, 무중력 환경에서 연료 생산의 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 무중력 소행성 표면에서의 현장 자원 이용(ISRU)을 가능하게 하기 위해 무중력 환경에 최적화된 버킷 유프 캐스크 기계를 설계하는 것.
• 유기 토양 캐기 및 물 처리에 소요되는 에너지와 생산된 수소 및 산소의 특별 임펄스 및 델타-비 잠재력 간의 에너지 균형을 평가하는 것.
• 데모스에서의 복귀 미션의 가능성을 평가하는 것.
• 이토카와, 에로스, 포보스, 데모스와 같은 소형 천체에서 수분 함유 유기 토양의 물리적 특성과 우주선 간의 동역학 및 기계적 상호작용을 모델링하는 것.
• 딥 스페이스 미션에서 ISRU로 생산된 물을 사용할 경우, 전통적인 전기분해와 수증기 기반 추진 시스템 간의 성능을 비교하는 것.

제안 방법

• 연구는 소형 천체에서의 무중력 환경을 시뮬레이션하여 버킷 유프 기계를 이용해 유기 토양을 캐내는 방식을 사용한다.
• 일致성을 확보하기 위해 유사 달 토양의 물리적 특성을 정의된 밀도, 입자 크기, 응집력으로 모델링한다.
• 캐스크 및 처리에 소요되는 에너지와 생산된 수소 및 산소의 특별 임펄스 및 델타-비 잠재력 간의 에너지 균형을 계산한다.
• 수소와 산소를 추출하기 위해 전통적인 전기분해를 적용하며, 두 성분 모두 화학 추진에 사용될 가능성을 평가한다.
• ISRU 연료를 사용하여 데모스에서 지구로 복귀하는 12kg 우주선 미션을 평가한다.
• 물질 캡처 및 우주선 상호작용의 동역학을 모델링하여 캐스크 과정의 안정성과 효율성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 버킷 유프 기계는 데모스나 포보스와 같은 무중력 소행성에서 수분 함유 유기 토양을 효율적으로 캘 수 있는가?
• RQ2 ISRU로 생산된 추진제의 델타-비 잠재력과 비교할 때, 캐스크/처리에 소요되는 에너지와의 순수 에너지 균형은 어떠한가?
• RQ3 12kg의 우주선이 데모스에서 지구로 복귀하는 데에 ISRU로 생산된 연료만을 사용하는 것이 가능한가?
• RQ4 응집력과 입자 크기 등의 물질 특성이 무중력 환경에서의 버킷 유프 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 ISRU로 생산된 물을 사용할 경우, 전기분해와 수증기 기반 추진 시스템 간의 상대적 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 버킷 유프 설계는 무중력 환경에서 수분 함유 유기 토양을 효율적으로 캘 수 있으며, 지구나 화성에서보다 훨씬 적은 에너지가 필요하다.
• 에너지 균형 분석 결과, ISRU로 생산된 추진제에서 순수 양의 델타-비 잠재력이 발생함을 확인하여 현장 연료 생산의 가능성을 입증한다.
• 12kg의 우주선이 ISRU 처리 연료만을 사용하여 데모스에서 지구로 복귀하는 것은 가능하다.
• 유기 토양에서 추출한 물의 전기분해는 12kg 우주선의 복귀 궤도를 확보할 수 있는 충분한 수소와 산소를 제공한다.
• 이 시스템은 무중력 환경이 캐스크 에너지 요구량을 감소시켜 미션 효율성과 페이로드의 유연성을 향상시킨다는 것을 입증한다.
• 물질-우주선 동역학 시뮬레이션은 소형 천체에서 예상되는 조건 하에서 버킷 유프의 안정적인 작동을 확인한다.