Что лучше, ракеты или солнечные паруса для добычи ресурсов на астероидах
Если и когда мы когда-нибудь запустим горнодобывающую промышленность на астероидах, одним из самых важных решений, которое необходимо будет принять в структуре любой миссии по добыче астероидов, будет вопрос о том, как вернуть ресурсы туда, где находится вся остальная наша инфраструктура. Это решение, как правило, будет сосредоточено на одной из двух методологий движения — химических ракетах, таких как те, которые мы уже используем, чтобы доставить нас в космос в первую очередь, или солнечных парусах, которые, хотя и медленнее и не могут вывести нас на орбиту, не требуют любого топлива. Итак, какая методология движения лучше для этих будущих миссий? Исследование, проведенное учеными из Университета Глазго, рассмотрело эти два сценария и дало четкий ответ — солнечные паруса.
Отвечая на теоретические вопросы такого типа, важно налагать ограничения на ответы. Например, в Солнечной системе существуют миллиарды астероидов, поэтому более реалистично рассматривать только те из них, которые известны как околоземные астероиды (АСЗ). Но даже в этом случае известно более 30 000 АСЗ. Это было бы невозможно для ведущего автора Мерел Вергаайдж, в то время доктора философии. студентка университета и ее коллеги для расчета оптимизированных траекторий для каждой из них. Поэтому они разбили область вокруг Земли на обобщенные параметры орбиты — расстояние по большой полуоси, эксцентриситет и наклонение. С этими тремя параметрами легче понять, как будет выглядеть общая переходная орбита для данного астероида в этой области космоса, некоторые из которых будут находиться довольно близко к Земле на своем орбитальном пути.
Были необходимы и другие ограничения, такие как расчет только затрат и выгод от переноса материала с астероида, а не добычи самого астероида. Доставка оборудования для майнинга и его настройка выходят за рамки этой статьи. Более того, на самом астероиде должно было быть время ожидания, чтобы у возвращающейся миссии было время запастись материалом, который он будет нести. Этот материал, в этом расчете, был летучим. Летучие вещества, такие как вода, были в центре внимания дискуссий по добыче полезных ископаемых на астероидах, поскольку они составляют основу ракетного топлива, которое потребуется для дальнейшего исследования Солнечной системы, а его доставка с самой Земли стоит больших денег. Более того, химические ракеты могут затем использовать некоторые из этих летучих веществ в качестве собственного топлива, чтобы вернуться в систему Земли.
Встали на свои места еще несколько ограничений, в том числе отправка летучих веществ обратно на геостационарную орбиту (GEO), некоторые предположения о стоимости запуска, основанные на прогнозируемых затратах Starship, и определение этого важнейшего показателя экономических исследований — чистой приведенной стоимости (NPV). NPV — это результат, на основании которого будут оцениваться решения и который будет основан на различных расчетных факторах. Они будут включать различные затраты, такие как стоимость запуска, стоимость разработки, стоимость производства и эксплуатационные расходы. Доход будет рассчитываться на основе ожидаемой стоимости летучих веществ, доставленных на орбиту. Когда доход превышает стоимость миссии, NPV становится положительной, что в данном случае указывает, будет ли стоить миссия к астероиду в этом районе.
Чтобы сделать это определение, авторы использовали технику, называемую генетическим алгоритмом, для решения задачи оптимизации. По сути, они дали алгоритму набор параметров, таких как орбитальная механика, масса космического корабля и количество возвращаемых летучих веществ, и сказали алгоритму оптимизировать важнейшее значение NPV. Результат работы алгоритма был предельно ясен — солнечные паруса имеют положительную NPV для более широкого круга областей, расположенных в околоземном пространстве.
В первую очередь это было связано с некоторыми недостатками химических ракет. Им пришлось использовать часть доставленного материала, чтобы вернуться в GEO. И, хотя время их перехода по орбите было короче, другой фактор NPV, ставка дисконтирования, которая снижает сумму ожидаемой стоимости ресурса по мере того, как дальше в будущем он продается, не берет достаточного количества из стоимости. из того, что солнечный парус может вернуть, это сделало бы его наравне с химической ракетой.
В околоземном пространстве все еще существовали области, в которых даже солнечные паруса не приносили прибыли, поэтому авторы предлагают будущим добытчикам астероидов рассматривать астероиды в конкретных регионах, которые они называют потенциально прибыльными, если они ищут свое первое крупное место добычи. . Кроме того, исследователи внесли некоторые изменения в свою первоначальную базовую структуру миссий, такие как остановка у лунных врат, добавление второго полета и запуск серии переменных симуляций, известных как симуляции Монте-Карло, которые должны были проверить, в какой степени эти разные схемы были прибыльными.
И добавление второй поездки, и остановка у Лунных ворот, а не у ГЕО, добавили значительную ценность каждому типу архитектуры миссии. Моделирование по методу Монте-Карло также показало, что их прибыльность согласуется с небольшими колебаниями входных затрат и выходных доходов. В целом, несмотря на то, что для каждого типа силовой установки есть потенциально выгодные цели, кажется, что солнечные паруса явно выигрывают между ними. Теперь дело за теми, кто надеется построить первую империю по добыче астероидов. Исследование опубликовано в журнале Advances in Space Research.
