[論文レビュー] Asteroid mining with small spacecraft and its economic feasibility

Pablo Calla, Dan Fries+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2018

Astro and Planetary Science参考文献 19被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、500 kg未満の小型宇宙船を用いた低コストな小惑星採掘アーキテクチャを提案し、マイクロ波加熱を用いて水を抽出することで、1ミッションあたり100 kgの回収を達成する。宇宙船1機あたりの総費用は1億1360万ドルで、5年間にわたり100台を超える艦隊を運用する必要があるが、本研究では、収益性の実現は高水準の運用量と好都合な市場条件に依存するとして結論づけている。

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.

研究の動機と目的

• 近地小惑星（NEA）における水抽出を近い将来の応用として焦点に、小型宇宙船（≤500 kg）を用いた小惑星採掘の可能性を評価すること。
• 小型宇宙船ベースの採掘アーキテクチャの経済的妥当性を評価し、費用見積もりと損益分岐分析を実施すること。
• 地上外資源利用（ISRU）を目的とした小型採掘宇宙船スワームの展開における主な技術的・運用的課題を特定すること。
• コスト、リスク、スケーラビリティの観点から、提案された小型宇宙船アプローチと従来のモノリシック採掘アーキテクチャを比較すること。
• 現実的な費用と収益仮定のもとで、財務的損益分岐を達成するために必要な最小の宇宙船数とミッション期間を特定すること。

提案手法

• ミッションアーキテクチャは、地球軌道から約0.03 AU以内の近地小惑星（NEA）に到達するためのホーマン軌道を採用し、合計ΔVは437 m/sを要する。
• 水抽出は2 Wh/gの効率でマイクロ波加熱を用い、マグネトロン、波導、コールドトラップ、および表面接触用のマイクロスポイングリッパーを備えた専用ペイロードを搭載する。
• 意思決定マトリクスにより水抽出技術を評価し、効率性、低質量（12 kg）、および電力要件（200 W）の観点からマイクロ波加熱が最も適していると判断された。
• 宇宙船システムは標準的な宇宙システム工学的手法を用いて設計され、推進、電源、熱制御、ADCS、アビオニクスの各システムは、質量とTRL 5の仮定に基づいてサイズ決定された。
• 費用見積もりには費用推定関係（CER）法を用い、非再発費用（NRE）は質量ベースのスケーリングと歴史的データから導出された。
• 損益分岐分析では、累積費用と水の回収による予想収益をモデル化し、財務的ニュートラル状態に到達するには100台を超える宇宙船と5年間の運用が必要であると結論づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小型宇宙船（≤500 kg）は、とりわけ水抽出を目的とした実用的な小惑星採掘に必要な性能を達成可能か？
• RQ2 提案された設計および技術的仮定のもとで、宇宙船1機あたりの総費用はどの程度か？
• RQ3 小惑星採掘運用における財務的損益分岐を達成するために、必要な宇宙船数とミッション期間は何か？
• RQ4 小型宇宙船スワームの使用は、従来のモノリシック採掘アーキテクチャと比較して、経済的および技術的にどのように異なるか？
• RQ5 小型宇宙船ベースの小惑星採掘の経済的妥当性に影響を与える主な費用および収益の不確実性は何か？

主な発見

• 提案された小型宇宙船の設計は、主要サブシステムの詳細な費用推定関係（CER）分析に基づき、1機あたり1億1360万ドルの総費用に達する。
• 宇宙船はホーマン軌道を用いて、地球軌道から0.03 AU以内のNEAに到達するためのΔV 437 m/sを達成可能であり、実現可能なミッションプロファイルを提供する。
• マイクロ波加熱は、2 Wh/gの効率を有する最も適した水抽出方法と特定され、ドリル、貯蔵、グリッパーを含む総ペイロード質量は44 kgである。
• 財務的損益分岐には100台を超える宇宙船が5年間以上にわたり正常に運用される必要があり、経済的妥当性は高いスケーラビリティとボリューム依存性に依存している。
• 本研究では、宇宙空間ビジネスモデルにおける大きな不確実性、特に打ち上げコスト、地上外資源処理効率、宇宙由来揮発性物質の市場価格について強調している。
• 小型宇宙船スワームの使用はミッションリスクを低減し、段階的展開を可能にするが、堅牢な自律システムおよび軌道内運用能力が求められる。