第 4.7b 節 - 軌道採礦（第 2 頁）
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礦石是一種具有經濟價值的原材料。在地球上，我們通常將那些在其一種成分中特別高的源巖分類為礦石。在太空中，幾乎所有東西的當前成本都比地球上高出數千倍，因此幾乎任何型別的質量都具有經濟價值。未經加工的原始岩石可用於輻射遮蔽，因此即使它也具有相當大的價值。因此，我們認為所有近地小行星都是礦石，但它們仍然具有不同的成分，這使得它們適合不同的用途。如第 1 頁所述，我們還沒有關於大多數近地小行星的材料總體組成和分佈的非常好的資料，但我們可以根據對較大的主帶小行星、隕石以及一小部分具有觀測光譜的近地小行星的觀測結果列出一般類別。廣泛使用的 Tholen 小行星光譜型別 中的主要類別進一步細分為不同的亞型。主要型別是
它們代表了 75% 的小行星，以及近地小行星中一個未確定但可能類似的比例。它們的成分與太陽和形成太陽系的原始太陽星雲相似，除了氫、氦和一些揮發性化合物。缺少的成分是近地小行星溫度和壓力下的氣體，因此已經蒸發掉了。與氣態巨行星不同，近地小行星沒有引力阱來捕獲這些輕質成分。這些天體的光譜類似於 碳質球粒隕石 型別的隕石，據推測它們來自相同的母體。C 類內部的特定型別在特定成分方面富集或貧乏。通常，它們由不同成分的顆粒的物理混合物組成，包括重要的鐵鎳成分（取決於亞型，3-20%）、礦物矽酸鹽和氧化物、硫化物、水（高達 22%）以及該組得名的有機（碳）化合物。C 類天體非常暗，反照率（在陽光下的反射率）為 0.03 到 0.10，因此它們最初很難發現。初始尺寸估計往往會低估其尺寸，因為這些估計是基於平均反照率，而平均反照率被假定為 0.10。
這代表了大約 17% 的小行星，並以其 石質 成分命名。它們主要包含鐵和鎂矽酸鹽，但不包含 C 型別的碳。它們起源於內部主帶小行星，在那裡它們在 <2.2 AU 處占主導地位，在 <3 AU 處很常見，而在更遠的地方很少見。
這些包括高金屬含量的小行星，金屬含量從 50% 到 100% 不等，其餘部分為石質夾雜物。其中一些是鎳鐵合金，被認為來自後來被摧毀的較大小行星的金屬核。其餘的被認為在沒有從較小的星體中分離出來或暴露在高溫下的情況下結晶。因此，金屬部分的成分不同。
還有一些其他類別，即 A 類、D 類、T 類、Q 類、R 類和 V 類，它們的數量很少，但沒有形成一個由成分構成的一致的大類別。
在整個太陽系中，大約有 600,000 個已知的各種型別的小行星。近地小行星 (NEO) 是大約 9,300 個已知的小行星的子集，這些小行星靠近地球，距離太陽 1.3 個天文單位（AU）。這比火星軌道（1.52 AU）和主帶小行星（主要在 2.1-3.3 AU 處）要近得多，因此從地球更容易到達。
新發現的小行星按年份和當年的序號來識別，例如 2011 AG5。當它們的軌道確定得更好時，它們會得到一個永久序號，並可能得到一個名稱，例如 穀神星（1 號） 或 灶神星（4 號）。噴氣推進實驗室的 Landau 和 Strange 在 2011 年進行的一項研究 (人類探測可達的近地小行星 AAS 11-446) 列出了許多軌道特別容易到達的小行星。它們的估計質量範圍從 50 噸到 60 億噸（對於 (175706) 1996 FG3），因此在大多數情況下，對於早期的採礦任務來說，將整個天體帶回來是不切實際的。相反，我們將考察幾種採礦任務型別，這些任務型別有不同的難度和時間範圍，你將在這些時間範圍考慮執行這些任務。
- 開採地球的碎片帶
- 返回整個小型 (~500 噸) 近地小行星，
- 從較大天體的表面收集 1000 噸未經加工的表土，
- 現場提取燃料並將整個天體推向地球，以及
- 提取成品材料，只將這些材料返回地球。
這將既是採礦技術的演示，例如捕獲不合作的目標，而且也有助於消除地球軌道上的危險。碎片帶 是來自意外爆炸和碰撞的報廢航天器和航天器碎片的累積。透過將大氣採礦用於燃料，以及電力推進，將擁有足夠的速度能力，與分散的天體相遇，並將它們送回組裝平臺進行回收，或者送回一個足夠低的軌道，在那裡阻力將很快導致它們再入大氣層。為了提高效率，將在一趟旅行中收集多個具有相似軌道的物體，並使用幾種不同尺寸的收集船。用一艘大型飛船去追趕一個小物體是不高效的。碎片帶目前的危險程度大約是自然隕石的十倍，因此清理這些垃圾將大大減少對功能性航天器的危險，對於這些航天器，運營商（或他們的保險公司）應該願意付費。
一些非功能性航天器只有一個部件故障，或者燃料耗盡，可以重新投入使用。在這種情況下，可以修復它們並重新投入使用。其他可以被拆解用於零件，或者回收它們的材料。任何不可用的東西都會透過再入大氣層進行處置。這樣的回收和維修業務可以自負盈虧。
目的 - 將整個小型小行星返回地球附近，作為演示，用於科學檢查，以及用於對加工方法進行原型設計。
描述 - 卡內基梅隆大學空間研究學院在 2011-2012 年對將整個小型近地小行星返回地球附近進行了詳細研究，該小行星直徑約為 7 米，質量為 250-1300 噸（參見 小行星迴收可行性研究 或 其他來源）。該近地小行星將被一個可充氣結構完全包裹起來，然後收緊以進行運輸。由於這樣一個小型天體引力很小，這種方法將防止其表面任何灰塵和岩石損失。小物體很難從地球上進行表徵，這導致了質量估計範圍很大。如果提前傳送一個小型飛越或軌道飛行器任務，則可以更好地確定質量和其他特徵。在進行採礦拖船的詳細設計之前，這將很可能需要這樣做。
假設 - 對於任何技術研究，所做的假設都會影響結果。主要假設包括
- 起點是近地軌道，目的地是近月軌道，用於返回近地小行星，之後將對其進行科學研究並加工提取材料。該任務在兩個方向上都使用了月球引力彈弓輔助。該任務需要總共 9.56 公里/秒的速度，這取決於選定的特定近地小行星，用於設計模型。
- 該任務使用一枚阿特拉斯 V 551 級運載火箭和一艘宇宙飛船一次發射完成。這限制了發射時宇宙飛船的總質量，包括所有推進劑預裝。它還限制了太陽能電池板的尺寸，只能從單個有效載荷體積中自動展開。
- 推進系統使用 40 千瓦淨功率（壽命結束時，外加 1.2 千瓦用於其他電力需求），估計質量不包括推進劑罐為 1370 公斤，因此功率/質量比為 33.25 公斤/千瓦。電力系統效率為 60%，假設太陽能電池板在從地球輻射帶向外行駛時損失 20% 的初始效率。它使用 5 個 10 千瓦離子推進器，排氣速度為 30 公里/秒。氙氣推進劑的儲罐質量分數比推進劑質量高 4.25%。
結果 - 宇宙飛船的總初始質量估計為 14.7 到 18.8 噸，用於返回 250 到 1300 噸，因此提供了 17 到 69 的近地小行星返回質量/宇宙飛船質量比。消耗的燃料從 8.8 到 12.9 噸不等，近地小行星質量/燃料質量比為 28 到 101。該任務設計為一次性返回任務，但如果可以從近地小行星中提取足夠的推進劑，範圍為其質量的 1% 到 4%，未來的任務可以依靠燃料自給自足。使用 40 千瓦推進動力，總任務時間範圍為 4.0 到 10.2 年，具體取決於小行星的質量。近地小行星質量的返回率為每年 62.5 到 127.5 噸。如果需要更高的返回率，則需要更大的太陽能電池板和更高功率的推進器，與質量返回率大致呈線性關係。在某個功率水平下，太陽能電池板會變得過大，需要多艘宇宙飛船。如果用現代電池替換目前的國際空間站陣列尺寸，則功率將達到 300 千瓦，而帶有多個陣列和推進器的桁架的實際限制可能為 2 兆瓦。大型陣列將打破一次發射且無需軌道組裝的假設。對於比太陽能實際功率水平更高的功率水平，核反應堆將是可能的能源。
目的 - 每次返回最多 1000 噸散裝近地小行星表面物質（月壤）到高地球軌道 (HEO) 上的加工廠。
描述 - HEO 的高度從 10 個地球半徑（高於輻射帶）到地球-月球系統的邊界。由於重力隨距離平方反比下降，所有 HEO 位置的所需速度都相似，並且接近地球逃逸速度。HEO 位置將每個小行星任務的總往返速度降到最低。假設採礦拖船使用上次任務中提取的一部分推進劑進行重複航行以補充燃料。假設採礦拖船的主要部件，如太陽能電池板和推進器，在加工廠按需維修或更換，以確保拖船正常執行。因此，拖船的設計考慮了軌道組裝和加油，這既可以減少從地球發射的初始元件質量，又能實現維護/升級。
假設
- 使用抗輻射太陽能電池板穿過範艾倫輻射帶進入高地球軌道。輻射防護使用覆蓋在太陽能電池上的蓋板玻璃，它可以吸收輻射，防止輻射損壞電池中的活性層。蓋板玻璃會增加質量，並透過吸收和反射部分陽光而略微降低效率。從加工廠到近地小行星及其返回的航行中，使用質量更輕、效率更高的電池板。高效率電池板在運送到 HEO 時會摺疊起來並受到輻射遮蔽的保護。未受保護的電池板在自身動力下穿過輻射帶時會損失 20% 的效率，因此使用加固的電池板進行這項工作會有很大的區別。
- 小型近地小行星返回任務以最小的擾動捕獲了整個小型近地小行星，以保護科學研究。此任務假設從較大的近地小行星收集 1000 噸表層岩石和塵埃，以便返回後更容易加工。較大的近地小行星更容易從地球上探測到並確定其屬性，從而提供更多工候選物件。這將透過提供更多選擇來稍微降低任務速度，併為以後的任務提供更好的時間安排。
- 使用更高的排氣速度節省推進劑，並使用更高的功率縮短航行時間。對於生產性採礦作業，效率和年度交付質量至關重要。假設推進劑為氧氣，因為除了金屬型近地小行星外，其他型別的近地小行星中都可以大量提取氧氣。這使得采礦作業在燃料方面能夠自給自足。我們假設 Ad Astra VASIMR 等離子推進器和太陽能電池板的組合質量為 10 公斤/千瓦，排氣速度為 50 公里/秒，氧氣推進劑儲罐質量分數為 10%。 (來源：Ad Astra Rocket Company 使用 VASIMR 進行靈活太空探索的調查，2010 年)。
- 第一次旅行可能會運送較小的貨物，例如 200 噸，以減少從地球上所需的初始燃料質量，並使第二次旅行更早開始，以啟動燃料生產。這些質量中有一半以上是提取難度不同的氧氣，這足以滿足以後旅行的滿載燃料需求。
計算
- 軌跡
對於一般任務規劃，我們從目的地開始反向工作，以找出我們需要從哪裡開始。我們假設您可以在兩個方向上使用月球引力彈弓來幫助離開和返回地球軌道。此任務不需要返回近地軌道 (LEO)，但某些最終產品將返回。透過高層大氣進行的制動可以透過空氣制動的方式用於將較小的貨物返回 LEO 並節省燃料。有幾個詳細的軌跡模擬程式可以計算到達已知目的地並返回的精確軌跡。目前，我們不知道我們將要去哪個近地小行星，也不知道什麼時候去。事實上，它可能還沒有被發現。目前，推進將根據所需的 4 公里/秒的通用推力速度進行計算， outbound 和 1 公里/秒 inbound。
大約 1% 的已知近地小行星具有從 LEO 抵達的理想速度，該速度為 4.5 公里/秒或更低（見上一頁）。假設未來發現將保持低速度候選者的比例。在這些候選者中，一部分將具有合適的大小、成分和軌道時間。從 HEO（> 64,000 公里半徑）開始，到達月球飛越的所需速度約為 1.2 公里/秒，而到達近地小行星的太陽軌道變化約為 2.8 公里/秒。我們選擇一個近地小行星，它將在我們想要從它返回時，與地球進行近距離飛越。這樣，我們可以進行相對較小的速度變化，以建立地球或月球引力彈弓，幫助我們返航。由於返程的質量將大得多，因此針對這部分進行最佳化將減少所需的總推進劑量。返回速度估計為 1 公里/秒。
- 推進劑
一個 200 千瓦的等離子推進器正在研發中，因此，如果我們擁有 5 個這樣的推進器，外加一個 1 兆瓦的太陽能電池板，那麼估計的硬體質量為 10 噸。等離子推進器具有 50 公里/秒的排氣速度，因此，根據火箭方程，我們可以計算出質量比為 1.02，從而在返程中產生 1 公里/秒的速度變化。質量值將分別針對 200 噸和 1000 噸的返回貨物給出，並用括號表示，如（200，1000）噸。考慮到末端質量為 (210,1010) 噸（車輛硬體加上返回的月壤），這部分任務的燃料為 (4.24,20.4) 噸。在任務的出程中，我們假設需要 4 公里/秒。因此，質量比為 1.083，相對於 10 噸的空車質量，外加 (4.24,20.4) 噸的返程燃料，因此這部分需要 (1.19,2.5) 噸的燃料。因此，總共需要的燃料為 (5.43, 22.9) 噸。
總的返回率是 200 或 1000 噸的月壤對 5.43 或 22.9 噸的燃料，即 37 到 43:1。只要我們能夠從月壤中提取出合理的比例的有效產品，這是一個非常有吸引力的比例。特別是，如果我們能夠提取至少 23 噸氧氣，即第一次旅行中返回質量的 11.5%，那麼以後的全部採礦任務就能在燃料方面實現自給自足，並且採礦車輛使用壽命內的返回率會大幅提升。如果車輛能夠在主要硬體更換之前進行 5 到 10 次旅行，那麼在使用燃料後的淨返回質量將為 4100 到 9000 噸，而發射質量為 15.5 噸，總的返回率為 264 到 580。
上面的特定數字會根據您選擇哪個近地小行星，以及使用哪個開始和結束日期來確定任務而發生變化。目前，已知的近地小行星數量每年增長 10%，預計隨著更大望遠鏡投入使用，這一增長速度將加快，因此隨著時間的推移，我們有更多選擇。近地小行星始終在其各自的軌道上移動，因此它們與地球的距離不斷變化，從而也影響任務路徑。每個推進器每天使用 9.85 公斤燃料。5 個推進器以全功率執行時，每天消耗 49.25 公斤燃料。根據總燃料使用量，我們可以計算出發動機執行時間為 110 天和 465 天，總行程時間將是這個數字加上由於軌道位置而需要的任何滑行時間，以及在近地小行星上進行採礦的時間。粗略估計，我們允許 200 天的滑行時間和 100 天的採礦時間，因此總行程時間為 1.125 到 2.1 年。
最初假設返回 1000 噸並不是一個固定要求。在合理的範圍內，這個數字可以更大或更小，只要採礦船的主要部件能夠線性縮放。等離子推進器在較低功率水平下的效率並不高，因此，當功率水平低於約 80 千瓦時，使用離子推進器將更有意義。為了確保可靠性，應在推進所需的推進器數量基礎上增加一到兩個備用推進器。大型太陽能電池板由於其自身的結構，包含足夠多的重複部件，因此具有可靠性。
目的 - 將整個大型近地小行星返回地球軌道，以便以後進行採礦。這將是第二代採礦，需要大量的市場和基礎設施。
描述 - 我們將以2011 AG5 為例，這是一個預計在 2040 年經過地球 300,000 公里以內的近地小行星。目標是足夠改變其軌道，以便在 2040 年進行引力飛越，為以後捕獲到地球-月球系統做好準備。一旦捕獲，它將被開採用於提取材料。考慮到估計質量為 400 萬噸，使用太陽能電池板的電力推進器似乎不可行。有幾種方法可以實現：
- 使用強大的核反應堆或太陽聚光熱電發電機為更大的等離子推進器提供動力。燃料來自小行星本身，這需要在現場建立一個提取工廠。如此大規模的作業可能需要在小行星上建立一個居住區和人員，以進行操作和控制。對於 500 米/秒的推力變化，需要 40,000 噸燃料。如果我們允許 5 年時間完成速度變化，那麼每年需要 8,000 噸燃料。
- 在 NEO 周圍放置一個容器，以防止材料丟失，新增或建造一個由小行星材料製成的推板/減震器裝置，並使用一個或多個小型核裝置來改變速度。將小行星速度改變 500 米/秒所需的能量為 125 千焦/千克，因此總能量需求為 500 太焦耳。這相當於 120 千噸 TNT 的能量，加上一個效率因子。如果推板在捕獲爆炸能量方面效率為 25%，則需要 500 千噸裝置，這些裝置應根據減震器和容器的強度進行劃分。核裝置的使用存在明顯的危險，任何小行星材料的返回也存在危險，因為當物體接近地球時的撞擊能量是其質量的 15 倍的 TNT。
目的 - 在 NEO 上建立一個加工廠，只返回成品，而不是散裝的岩屑。
描述 - 終端使用者離地球越遠，從附近的小行星加工 NEO 材料就越有意義，而不是先返回地球軌道，然後再發送到最終位置。對於多個目的地，這意味著多個加工廠，因此它們需要比位於地球附近的中心化工廠更小、更高效。
(本節為初步內容)
小行星通常是旋轉的。因此，採礦的概念是進入天體周圍的同步軌道，並使用某種方法，例如在電纜上向下傳送剷鬥，將材料向上運送到拖船。這避免了試圖降落在移動目標上的問題，以及滿載拖船的相對較低的推力與質量比，這可能難以從一個小行星上起飛。另一個避免著陸的原因是由於處於小行星的夜側而導致電力損失。理論上，降落在小行星的極點可以簡化移動目標問題，但會限制採礦地點的選擇。
足夠小的物體不會有太大的旋轉速度，但如果著陸，則會面臨保持連線的問題。我們目前還不知道表面粘合力，無法設計錨定系統。可能需要在整個物體周圍執行電纜才能保持固定。