Spacecraft trajectory optimisation for asteroid mining

Studer, Philipp

doi:10.21256/zhaw-29948

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Publication type:	Bachelor thesis
Title:	Spacecraft trajectory optimisation for asteroid mining
Authors:	Studer, Philipp
Advisors / Reviewers:	Scaramuzza, Maurizio
DOI:	10.21256/zhaw-29948
Extent:	87
Issue Date:	2023
Series:	Bachelorarbeiten ZHAW School of Engineering
Publisher / Ed. Institution:	ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Publisher / Ed. Institution:	Winterthur
Language:	English
Subject (DDC):	629: Aeronautical, automotive engineering
Abstract:	Mining asteroids could ensure the supply of depleting resources on Earth. Furthermore, the mined materials can be used in space either as supplies for long-term missions or to build infrastructure. Some studies have already been carried out on possible candidates, the mission architecture, the expected costs and an approximate mineable mass. However, more detailed mission planning has not yet been done. This thesis aims to determine the trajectory of some missions, and their costs, to selected asteroids. Four asteroids are selected based on a weighting. The spacecraft required for the missions are roughly characterised. A programme for determining the trajectory is written. The required manoeuvres and velocity changes during a mission can thus be identified. Subsequently, the mineable mass is determined and the required amount of propellant calculated. Based on this information, an approximate cost calculation can be made. The results show that depending on the asteroid, an investment of 3.7 billion dollars can yield more than 32 billion dollars in profit. Mining other asteroids promises profits of between 1.8 billion dollars and 6.1 billion dollars with investments of up to 6.6 billion dollars. It is shown that these missions are feasible with today's technology, provided an electrical propulsion system is used. Furthermore, it may be possible to carry out some of these missions with SpaceX's Starship, if this can be operated successfully. However, many of these calculations are based on assumptions. Furthermore, the exact composition of an asteroid must first be determined, otherwise the risk of loss is higher. Further simulations using low-thrust trajectories must be carried out first in order to be able to plan a more realistic mission. Der Abbau von Asteroiden könnte die Versorgung von schwindenden Ressourcen auf der Erde sicherstellen. Ausserdem können die abgebauten Materialien im All entweder als Nachschub für Langzeitmissionen oder zum Bau von Infrastruktur genutzt werden. Einige Studien zu möglichen Kandidaten, der Missionsarchitektur, den zu erwartenden Kosten und einer ungefähr abbaubaren Masse wurden bereits durchgeführt. Jedoch wurde eine genauere Missionsplanung noch nicht durchgeführt. Diese Thesis hat zum Ziel die Flugbahn einiger Missionen, sowie deren Kosten, zu ausgewählten Asteroiden zu bestimmen. Vier Asteroiden werden aufgrund einer Gewichtung ausgewählt. Die für die Missionen benötigten Raumfahrzeuge werden grob charakterisiert. Ein Programm zur Bestimmung der Flugbahn wird geschrieben. Die erforderlichen Manöver und Geschwindigkeitsänderungen während einer Mission können so identifiziert werden. Im Anschluss wird die abbaubare Masse bestimmt und daraus die benötigte Treibstoffmenge berechnet. Aufgrund dieser Angaben kann eine ungefähre Kostenberechnung durchgeführt werden. Die Resultate zeigen, dass je nach Asteroid, bei einer Investition von 3.7 Milliarden Dollar mehr als 32 Milliarden Dollar Gewinn erzielt werden kann. Der Abbau anderer Asteroiden verspricht Gewinne zwischen 1,8 und 6,1 Milliarden Dollar bei Investitionen von bis zu 6,6 Milliarden Dollar. Es wird gezeigt, dass diese Missionen mit heutiger Technik realisierbar sind, vorausgesetzt ein elektrisches Antriebssystem wird verwendet. Ausserdem könnte es möglich sein, einige der Missionen mit dem Starship von SpaceX durchzuführen, sofern dieses erfolgreich betrieben werden kann. Viele dieser Berechnungen beruhen allerdings auf Annahmen. Des Weiteren muss zuerst die genaue Zusammensetzung eines Asteroiden bestimmt werden, da sonst das Risiko eines Verlustes höher ist. Weitere Simulationen, welche Niedrigschub- Flugbahnen verwenden, müssen zuerst durchgeführt werden, um eine realistischere Mission planen zu können.
URI:	https://digitalcollection.zhaw.ch/handle/11475/29948
License (according to publishing contract):	CC BY 4.0: Attribution 4.0 International
Departement:	School of Engineering
Appears in collections:	Bachelorarbeiten ZHAW School of Engineering

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Studer, P. (2023). Spacecraft trajectory optimisation for asteroid mining [Bachelor’s thesis, ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften]. https://doi.org/10.21256/zhaw-29948

Studer, P. (2023) Spacecraft trajectory optimisation for asteroid mining. Bachelor’s thesis. ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften. Available at: https://doi.org/10.21256/zhaw-29948.

P. Studer, “Spacecraft trajectory optimisation for asteroid mining,” Bachelor’s thesis, ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, Winterthur, 2023. doi: 10.21256/zhaw-29948.

STUDER, Philipp, 2023. Spacecraft trajectory optimisation for asteroid mining. Bachelor’s thesis. Winterthur: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften

Studer, Philipp. 2023. “Spacecraft Trajectory Optimisation for Asteroid Mining.” Bachelor’s thesis, Winterthur: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften. https://doi.org/10.21256/zhaw-29948.

Studer, Philipp. Spacecraft Trajectory Optimisation for Asteroid Mining. ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, 2023, https://doi.org/10.21256/zhaw-29948.