Ökonomie des Mondraketentreibstoffs: Analyse-Modell

Wirtschaftsmodell für die Herstellung von Raketentreibstoff aus Mondressourcen

Dieses Modell bewertet die langfristigen Kosten der Herstellung von Raketentreibstoff aus Mondwassereis im Vergleich zu erdgebundenem Treibstoff. Entscheidende Faktoren sind das Kostentransferverhältnis für den Transport von Kapitalausrüstung (G) und der Produktionsmassenkoeffizient (𝜙 = Produktmasse / Ausrüstungsmasse). Diese Parameter bestimmen, wann Mondtreibstoff günstiger wird als die Lieferung von der Erde in Umlaufbahnen wie LEO, GEO oder Lagrange-Punkte.

Die Zelt-Sublimationstechnologie erreicht 𝜙 > 100 und übertrifft damit die Rentabilitätsschwelle selbst für LEO. Tagebau liegt näher an der Schwelle, aber Verbesserungen und Betriebserfahrung werden ihn wettbewerbsfähig machen.

Wichtige Modellnotationen

| Symbol | Definition |

|--------|-------------|

| C_fin | Finanzierungskosten |

| C_K | Kapitalentwicklungs- und Herstellungskosten |

| C_ops | Betriebskosten über die Lebensdauer |

| c_R | Zuverlässigkeitskostenkoeffizient |

| C_tr | Kosten für den Transport von Kapital zum Mond |

| c_X | Kosten für 1 kg Mondtreibstoff am Punkt X |

| G | Kostentransferverhältnis für Mondkapital |

| 𝜙 | Produktionsmassenkoeffizient |

| ψ_X | Verhältnis von Mond- zu Erdtreibstoffkosten bei X |

Zusätzlich: Δv_{Y-X} — charakteristische Geschwindigkeit von Y nach X; IMF — inertes Massenverhältnis; I_sp — spezifischer Impuls.

Umlaufbahnen: LEO (160–2000 km), GEO (35.786 km), GTO (geostationäre Transferbahn), LS (Mondoberfläche), EML1 (Erd-Mond-Lagrange-Punkt 1), DRO (distanzretrograde Umlaufbahn um den Mond).

Analyse früherer TEA

Frühere techno-ökonomische Analysen variierten: Einige sagten Rentabilität voraus, andere ein negatives Ergebnis. Kritische Fehler umfassen:

• Wahl von Architekturen mit hohem G (teure Ausrüstungslieferung).
• Vernachlässigung von Kapital mit hohem 𝜙.

Beispielsweise bemerkten Charania und DePascuale die hohen Kosten der Lieferung von LS zu GEO, übersahen aber die langfristigen Effekte der Produktionsskalierung. Jones et al. schätzten ISRU als 97 % teurer als Erdtreibstoff ein und unterschätzten das Potenzial von 𝜙.

Dieses Modell führt ein:

• x = normalisierte Kosten pro Startausrüstung.
• τ = spezifische Kosten für den Kapitaltransport pro kg Produkt.
• χ = normalisierte Kapitalkosten.

Wettbewerbsbedingung: ψ_X < 1, wobei ψ_X = f(𝜙, G, andere Parameter).

Zuverlässigkeit und Betriebsfaktoren

Zuverlässigkeit R beeinflusst durch c_R = E_R * (1 - R) / R, wobei E_R der Aufwand ist, um R von R_0 auf R_max zu erhöhen.

Für Mondbedingungen:

• Niedrige Schwerkraft (1/6 g).
• Keine Atmosphäre.
• Extreme Temperaturen.

Technologien müssen diese Faktoren berücksichtigen. Zelt-Sublimation minimiert Ausrüstungsverschleiß und gewährleistet hohes 𝜙.

Berechnung für LEO: mit L_p = Kosten für den Start von Treibstoff von der Erde, gewinnt Mondtreibstoff, wenn c_{LEO} < L_p * Γ_{LEO}.

Anwendung in der Raumfahrtwirtschaft

Produktion auf LS für Kunden in GEO: Satellitenschlepper nutzen Treibstoff für Bahnzirkularisierung. Das Ausmaß der Verbrauchermärkte (z.B. Starlink-ähnliche Konstellationen) treibt die Nachfrage.

• ISRU-Vorteile: Reduziertes Δv für Missionen; Skalierbarkeit ähnlich wie auf der Erde.
• Risiken: Anfängliche Kapitalinvestitionen; Erreichen von R > 0,9.

Das Modell sagt Kostensenkungen für alle Raumfahrtaufgaben durch günstigeren Treibstoff voraus.

Wichtige Erkenntnisse

• Kostentransferverhältnis G und Koeffizient 𝜙 bestimmen die Rentabilität: Ziel G < 10, 𝜙 > 50 für LEO.
• Zelt-Sublimationstechnologie ist bereits wettbewerbsfähig; Tagebau wird es nach Optimierung sein.
• Zuverlässigkeit R beeinflusst c_R kritisch; erfordert E_R ~ 10–100 für Mondbedingungen.
• ISRU reduziert Kosten für GEO-, EML1-, DRO-Aufgaben.
• Langfristiger Effekt: Beschleunigte Weltraumforschung durch Skalierung.

— Editorial Team