Idea (8. Crowdfunding): "US Space Orbiter Transporter Cargo"

Polityka, USA

Koszt uspołeczniony metodą crowdfunding

W idei profuturo: ustawy Senatu US o wspieraniu rozwoju narodowych kompetencji kosmicznych poprzez realizację budowy międzyorbitalnych "Ziemia - Księżyc" kosmolotów transportowych cargo z napędem jonowym oraz projektów misji bezzałogowych eksportu maszyn i robotów na Księżyc wraz z metodą zdalnej koordynacji ich pracy na nim w ramach amerykańskiego systemu telemechaniki i telepracy kosmicznej, finansowanych metodą funduszy społecznościowych (crowdfunding w domenie Stanów Zjednoczonych).

Notka ułożona jest w oparciu o rakiety firmy SpaceX i możliwości zamówienia dostaw na orbitę LEO środków technicznych o masie 20 ton i 60 ton.

Założenie: Jest możliwe zastosowanie kilku silników jonowych NEXT w tandemie, np. napęd jonowy złożony z 5 silników NEXT, ułożonych "krzyżowo", tj. jeden w środku i cztery wokoło niego, aby taki układ napędowy stanowił zintegrowany moduł napędu jonowego, który składałby się z trzech takich współdziałający układów i w całości był dostarczony do budowy kosmolotu towarowego cargo, wahadłowca międzyorbitalnego przemieszczającego się pomiędzy orbitą LEO (wokołoziemska) i LLO (wokołoksiężycowa).

W tej idei jest próba opisu szkicu złożenia kosztów:

• ~ $1,12 mld - budowa na orbicie LEO kosmolotu towarowego cargo w tym 3 napędy jonowe, każdy mający 5 silników jonowych, panele PV o powierzchni 750 m², dostawy elementów na orbitę LEO, montaż pojazdu (3 x po 20 ton /napęd i inne podukłady/, 1 x 60 ton /ładunek, księżycowy lądowniki jego paliwo)
  
• ~ $311 mln - konstrukcja nowego łazika do dostarczania ładunku z orbity LEO na powierzchnię Księżyca
  
• ~ $80 mln - 20 ton ciekłego ksenonu do napędu jonowego
• ~ $2,95 mld  - budowa infrastruktury amerykańskiego systemu telemechaniki i telepracy kosmicznej
  

Łącznie: ~ $4,46 mld. Najbardziej niemożliwym zagadnieniem w idei jest ilość (masa) ciekłego ksenonu. Najbardziej niedookreślonym zagadnieniem jest czas realizacji międzyorbitalnej LEO → LLO → LEO misji kosmolotu (ilustracja ChatGPT - "kotwica czasu"). Idea zawiera szczególne innowacje: konstrukcja trzech zintegrowanych modułów napędowych o łącznej liczbie 15-stu silników jonowych NEXT oraz po powrocie kosmolotu z orbity LLO, tankowanie na orbicie LEO ksenonu dla napędu jonowego i paliwa chemicznego dla księżycowego lądownika towarowego.

ChatGPT w rozważaniach określił w idei statystycznej wymaganą grupę darczyńców 10 mln Amerykanów, którzy co roku przekazują na uspołecznione metodą crowdfundingową projekty $100, aby pojawiły się kierunkowe efekty ich działania w ciągu 10 lat. Zatem powyższa idea ogólna kosztu ma wartość mniejszą nić $10 mld.

W tym ułożeniu budowa kosmolotu towarowego w ramach idei powyższej ustawy jest projektem podjętym pod auspicjami/patronatem (lider projektu) ośrodka naukowego i/lub badawczo-rozwojowego, w tym np. wraz z jego partnerami, którego koncepcja uzyskała rekomendację NASA.

W tym ułożeniu poglądowy koszt przedsięwzięcia budowy na orbicie LEO kosmolotu towaroego cargo z napędem jonowym i realizacja pierwszej wyprawy transportowej na Księżyc oraz realizacja pierwszego projektu koordynowania zdalnie pracy robotów na Księżycu w ramach amerykańskim systemie telemechaniki i telepracy kosmicznej (wraz z kosztem buowy tego systemu) jest w skali 5 mld dolarów.

Koszt samej budowy pojazdu kosmicznego, bezzałogowego raczej byłaby wyższy z uwagi na koszt opracowana jego projektu konstrukcyjnego, m.in. części konstrukcyjnej (w tym dodanie możliwości dokowania pojazdu serwisowego z astronautami) innej, niż napęd jonowy panele PV i moduł towarowy oraz w związku z pracami montażowymi na orbicie LEO, w tym z pomocą astronautów. ChatGPT: "Dla porównania, masa samej ISS wynosi około 420 ton, a jej budowa wymagała ponad 40 startów wahadłowców i rakiet. Łącznie wykonano około 42 starty wahadłowców kosmicznych (NASA), aby zbudować i dostarczyć moduły ISS. Dodatkowo, około 37 startów rakiet z różnych agencji kosmicznych (Roscosmos, ESA, JAXA, SpaceX) było konieczne do dostarczania zaopatrzenia, astronautów i dodatkowych modułów. Koszt budowy ISS jest bardzo wysoki i szacowany na 150 miliardów dolarów. " Jednak sama budowa na orbicie LEO kosmolotu bezzałogowego nie byłaby pierwszą.
*

1. ChatGPT:

Zadanie: Oszacuj ogólny koszt przedsięwzięcia:
1. Koszt: Konstrukcja trzech odrębnych modułów napędowych, z których każdy posiada zintegrowany układ 5 silników jonowych NEXT. Masa całkowita całego układu do 20 ton.
2. Koszt: Konstrukcja, dostarczenie i zamontowanie na orbicie LEO nowoczesnych paneli PV o powierzchni 750 m2.
3. Kosz: Kosz lotów dostawczych za pomocą rakiet firmy SpaceX. Dostarczenie osobno na orbitę LEO 4 elementów bezzałogowego kosmolotu towarowego cargo - masa każdego z 3 elementów do 20 ton. Dostarczenie na orbitę LEO jednego elementu o masie 60 ton.

// Trzy elementy dostawy to: masa 20 ton całego układ napędu jonowego, masa 20 ton ciekłego ksenonu, masa 20 ton pozostałych modułów konstrukcji kosmolotu. Jedna dostawa: 60 ton - układ kontenera z ładunkiem wraz z księżycowym lądownikiem i jego paliwem. Lub moduł towarowy podzielony na odrębne dostawy lądownika wraz z paliwem oraz kontenera z ładunkiem. W tej idei kosmolot ma robotyczne ramię w celu wspomagania montażu.

Rys:

[40 ton - napęd jonowy i ksenon]=[20 ton - pozostałe układy]=[60 - ton ładunek, lądownik i jego paliwo]

//

Odpowiedź: Oszacowanie kosztu takiego przedsięwzięcia wymaga wzięcia pod uwagę zarówno kosztów konstrukcji i montażu modułów, paneli fotowoltaicznych, jak i transportu na orbitę. Poniżej przedstawiamy szacunkowe wartości na podstawie aktualnych danych rynkowych oraz kosztów misji kosmicznych.

1. Koszt konstrukcji trzech modułów napędowych z silnikami jonowymi NEXT (masa całkowita układu do 20 ton)

Zakładamy, że moduły napędowe wyposażone są w po 5 silników jonowych NEXT każdy, wraz z układami sterowania, chłodzenia, zbiornikami ksenonu oraz innymi niezbędnymi komponentami.

Szacunek kosztów:

• Koszt jednego silnika NEXT: około 20–30 mln USD za sztukę (przybliżony koszt na podstawie misji NASA Dawn).
• Koszt dodatkowej infrastruktury modułów (konstrukcja, systemy kontroli, chłodzenie, zbiorniki paliwa): około 10-15 mln USD za każdy moduł.

Koszt jednego modułu:

• 5 silników NEXT: 5 × 25 mln USD = 125 mln USD
• Dodatkowe systemy: około 15 mln USD15mln USD

Zatem koszt jednego modułu wyniesie 140 mln USD.

Koszt trzech modułów:

• 3 × 140 mln USD = 420 mln USD

Koszt konstrukcji trzech modułów napędowych: około 420 mln USD.

2. Koszt konstrukcji, dostarczenia i montażu paneli PV o powierzchni 750 m² na orbicie LEO

a. Konstrukcja paneli PV
Nowoczesne panele fotowoltaiczne przeznaczone do zastosowań kosmicznych mają koszty zależne od technologii. Zaawansowane panele o wysokiej wydajności mogą kosztować od 1 do 2 mln USD na każdy kilowat mocy zainstalowanej w kosmosie. Zakładamy, że 750 m² paneli dostarczy około 150 kW mocy elektrycznej, bazując na 200 W/m².

Koszt paneli PV (konstrukcja):

• 150 kW mocy × 2 mln USD/kW = 300 mln USD

b. Transport i montaż paneli na orbicie
Koszt dostarczenia paneli na orbitę oraz ich montażu jest trudny do dokładnego oszacowania, ale przyjmując przykłady z wcześniejszych misji satelitarnych i ISS, koszty wynoszą:

• Transport paneli na LEO: 2,720 USD/kg za transport ładunków na orbitę (na podstawie ceny Falcon 9), przy szacunkowej masie paneli 750 m² × 3 kg/m² = 2,250 kg.
  Koszt wyniesie około 2,250 kg × 2,720 USD/kg = 6.12 mln USD.
• Montaż i operacje na orbicie: około 50–100 mln USD (zakładamy, że montaż wymaga specjalistycznych operacji, podobnych do instalacji komponentów ISS).

Łączny koszt paneli PV (konstrukcja, transport, montaż): około 350–400 mln USD.

3. Koszt lotów dostawczych przy użyciu rakiet SpaceX

a. Koszt dostarczenia 3 elementów bezzałogowego kosmolotu towarowego (do 20 ton każdy) na orbitę LEO
SpaceX oferuje usługi wynoszenia ładunków na orbitę LEO przy pomocy rakiety Falcon 9, która ma cenę wynoszącą 67 mln USD za start i umożliwia wyniesienie do 22,8 ton ładunku na LEO.

Zakładamy, że każdy moduł waży do 20 ton, co oznacza, że każdy z tych trzech modułów może być dostarczony na LEO za pomocą osobnej rakiety Falcon 9.

Koszt transportu jednego modułu:
Falcon 9: 67 mln USD

Koszt transportu trzech modułów:
3 × 67 mln USD= 201 mln USD

b. Koszt dostarczenia elementu o masie 60 ton na orbitę LEO
Element o masie 60 ton wymagałby rakiety Falcon Heavy, która może wynieść do 63,8 ton ładunku na orbitę LEO i kosztuje 97 mln USD za start.

Koszt transportu elementu o masie 60 ton: 97 mln USD.

Podsumowanie kosztów:

1. Koszt konstrukcji trzech modułów napędowych: około 420 mln USD.
2. Koszt konstrukcji, dostarczenia i montażu paneli PV (750 m²): około 350–400 mln USD.
3. Koszt lotów dostawczych:
   - Trzy moduły o masie do 20 ton: 201 mln USD.
   - Element o masie 60 ton: 97 mln USD.

Łączny koszt przedsięwzięcia:

Konstrukcja, panele, transport: około 1068–1118 mln USD (~1,12 mld USD).

*

2. ChatGPT:

Zadanie: Oszacuj koszt konstrukcji i produkcji lądownika księżycowego z napędem chemicznym, silniki firmy SpaceX, który z orbity LLO dostarcza na powierzchnię Księżyca ładunek o masie 20 ton. Masa lądownika 20 ton. Masa paliwa do lądownika 20 ton.

Odpowiedź: Oszacowanie kosztu konstrukcji i produkcji lądownika księżycowego z napędem chemicznym, bazując na silnikach firmy SpaceX oraz dostarczeniu ładunku o masie 20 ton na powierzchnię Księżyca, zależy od wielu zmiennych, takich jak technologia napędu, projekt lądownika, użyte materiały i systemy kontroli. Możemy jednak spróbować wykonać przybliżone oszacowanie na podstawie dostępnych danych o kosztach podobnych systemów.

Założenia:

1. Lądownik z napędem chemicznym:

• Masa lądownika (bez paliwa i ładunku): 20 ton.
• Masa ładunku: 20 ton.
• Masa paliwa: 20 ton.
• Napęd chemiczny bazujący na silnikach firmy SpaceX, prawdopodobnie silnikach Raptor (stosowanych w projektach takich jak Starship).

2. Misja: Lądownik operuje na orbicie LLO (Low Lunar Orbit) i jest zdolny do transportu ładunku na powierzchnię Księżyca oraz ponownego startu do LLO (zakładając użycie rezerwy paliwa).

Koszt konstrukcji i produkcji lądownika:

1. Koszt napędu chemicznego (silniki firmy SpaceX):

• Silniki Raptor: Raptor to zaawansowany silnik chemiczny (methalox – metan i tlen), używany przez SpaceX w Starship. Koszt jednego silnika Raptor szacowany jest na około 2–3 mln USD, z możliwością obniżenia kosztów w przyszłości przy większej produkcji seryjnej.
• Zakładamy, że lądownik będzie wyposażony w 2 silniki Raptor (dla przykładu, lądownik HLS Starship ma sześć silników, ale przy mniejszej misji mogą wystarczyć dwa).

Koszt dwóch silników Raptor:

• 2 × 3 mln USD = 6 mln USD

2. Struktura i systemy lądownika:

• Koszty struktury lądownika zależą od użytych materiałów (np. lekkich stopów aluminium, tytanu, włókien węglowych) oraz systemów nawigacji, komunikacji, lądowania i zarządzania ładunkiem.
• Dla uproszczenia, można porównać lądownik do elementów używanych w SpaceX Starship, choć projekt lądownika do transportu ładunków na Księżyc będzie prostszy niż w pełni funkcjonalny statek Starship.
• Szacunkowy koszt struktury, systemów i awioniki może wynosić od 100 do 200 mln USD na podstawie wcześniejszych projektów (np. lądowników Apollo i współczesnych projektów SpaceX).

Szacowany koszt struktury i systemów: około 150 mln USD.

3. Paliwo (metan i tlen):

• Zakładamy, że lądownik wykorzystuje paliwo w proporcji 20 ton (łącznie paliwo, w tym ciekły metan i ciekły tlen).
• Koszt produkcji i dostarczenia paliwa na orbitę LLO to głównie kwestia transportu go z Ziemi, ponieważ paliwo nie jest kosztowne w produkcji, ale transport jest kluczowym elementem.
• Zakładamy, że paliwo na orbicie LLO można dostarczyć z pomocą rakiet SpaceX (np. Falcon 9 lub Falcon Heavy), co może generować koszt od 3 000 USD do 5 000 USD za kilogram.

Koszt paliwa:

• 20 ton × 4,000 USD/kg = 80 mln USD

4. Koszt integracji i testów:

• Koszty integracji wszystkich systemów, testów naziemnych i ewentualnych testów orbitalnych mogą wynosić od 50 do 100 mln USD, w zależności od skomplikowania projektu i wymagań związanych z bezpieczeństwem.

Koszt testów: około 75 mln USD.

Podsumowanie kosztów:

• Napęd (silniki Raptor): 6 mln USD.
• Struktura i systemy lądownika: 150 mln USD.
• Paliwo: 80 mln USD.
• Integracja i testy: 75 mln USD.

Łączny koszt konstrukcji i produkcji lądownika księżycowego:

• Około 311 mln USD.

Warto podkreślić, że są to szacunkowe koszty, a ostateczne wartości mogą różnić się w zależności od wielu czynników, takich jak rozwój technologii, redukcja kosztów przy seryjnej produkcji, czy specyfikacje konkretnej misji.
*
3. ChatGPT:

Pytanie: Ile kosztowałoby 20 ton ciekłego ksenonu do zastosowania w napędzie jonowym?

Koszt 20 ton ciekłego ksenonu dla zastosowania w napędzie jonowym, na przykład w wahadłowcu lub kosmolocie towarowym cargo, zależy od kilku czynników, takich jak cena samego ksenonu oraz koszty związane z jego transportem na orbitę.

Cena ksenonu: Ksenon jest jednym z najdroższych gazów szlachetnych, ze względu na jego rzadkość i trudność w pozyskiwaniu. Ceny ksenonu mogą się wahać, ale dla zastosowań kosmicznych przyjmujemy przybliżoną wartość około 3000–5000 USD za kilogram. Dla prostego oszacowania użyjmy średniej ceny 4000 USD za kilogram.

• Koszt 1 kg ksenonu: 4000 USD.
• Koszt 20 ton (20 000 kg) ksenonu:  20.000 kg × 4000 USD/kg = 80 mln USD.

*
4. ChatGPT:

Zadanie: Oszacuj ogólnie jaki byłby koszt budowy infrastruktury technicznej amerykańskiego systemu telemechaniki i telepracy kosmicznej do koordynowania zdalnego pracy robotów na Księżycu, składający się z centrum - ośrodka w USA do obsługi inforstraty telekomunikacyjnej w przestrzeni kosmicznej, która składa się z trzech satelitów na orbicie wokołoziemskiej i trzech satelitów wokołoksiężycowych.

Odpowiedź: Oszacowanie kosztu budowy infrastruktury technicznej amerykańskiego systemu telemechaniki i telepracy kosmicznej, składającego się z centrum operacyjnego w USA oraz sieci satelitów na orbicie okołoziemskiej i wokół Księżyca, zależy od wielu czynników, w tym technologii satelitów, kosztów rakiet, systemów naziemnych, i kosztów operacyjnych. Przyjrzyjmy się kluczowym elementom i przybliżonym kosztom.

1. Koszt budowy centrum operacyjnego w USA
Centrum operacyjne do koordynowania zdalnej pracy robotów na Księżycu musi być wyposażone w zaawansowane systemy telekomunikacyjne, systemy monitorowania, analizowania danych oraz zarządzania łącznością z satelitami. Dodatkowo, powinno być wyposażone w oprogramowanie do kontroli robotów zdalnych oraz analizę danych w czasie rzeczywistym.

Koszt budowy centrum operacyjnego:

• Infrastruktura fizyczna (budynki, centra sterowania, serwery, systemy chłodzenia, zasilanie itp.): Koszt budowy takiego centrum może wynosić od 50 mln USD do 100 mln USD, zależnie od wielkości i złożoności systemów.

• Oprogramowanie do telemechaniki, kontroli robotów, symulacji i przetwarzania danych: Koszty licencji, integracji i rozwoju systemów mogą wynieść od 50 mln USD do 150 mln USD w zależności od złożoności i stopnia automatyzacji.

• Zarządzanie infrastrukturą telekomunikacyjną: Zakładając, że system telekomunikacyjny będzie obsługiwany z ziemi, koszt systemów komunikacyjnych, łączności, anten i satelitarnych stacji naziemnych może wynieść od 50 mln USD do 100 mln USD.

Łączny koszt centrum operacyjnego w USA: Szacunkowo 150–350 mln USD.

2. Koszt budowy trzech satelitów na orbicie okołoziemskiej (LEO)
Satelity na orbicie okołoziemskiej będą odpowiadały za przesyłanie danych między centrum operacyjnym a Księżycem. W takim przypadku możemy założyć użycie satelitów o dużej przepustowości, bazujących na istniejących technologiach komunikacyjnych.

Koszt satelity na orbicie LEO:

• Koszt budowy i uruchomienia pojedynczego satelity komunikacyjnego o wysokiej przepustowości na orbitę LEO może wynosić od 150 mln USD do 300 mln USD za satelitę.

• Koszt trzech satelitów na LEO: Szacujemy od 450 mln USD do 900 mln USD.

3. Koszt budowy trzech satelitów wokół Księżyca (LLO)
Satelity wokół Księżyca będą odpowiadały za bezpośrednią komunikację z robotami i urządzeniami pracującymi na powierzchni Księżyca. Koszty budowy i wystrzelenia satelitów na orbitę LLO (Low Lunar Orbit) są wyższe niż na LEO, ze względu na bardziej skomplikowane operacje wynoszenia i umieszczania satelitów w tej odległej lokalizacji.

Koszt satelity na orbicie LLO:

• Koszt budowy satelity komunikacyjnego na orbicie LLO może wynosić od 200 mln USD do 400 mln USD za satelitę.
• Koszt trzech satelitów na LLO: Szacujemy od 600 mln USD do 1,2 mld USD.

4. Koszt wyniesienia satelitów na orbity
Koszt wyniesienia satelitów na orbitę zależy od masy satelity i typu użytej rakiety. Przykładowe rakiety to Falcon 9 lub Falcon Heavy firmy SpaceX, które mogą wynosić satelity zarówno na orbitę LEO, jak i na LLO (w misjach trans-lunarnych).

Koszt wyniesienia satelitów:

• Koszt wyniesienia jednego satelity na LEO: Około 67 mln USD za misję przy użyciu Falcon 9.

• Koszt wyniesienia jednego satelity na LLO: Około 97 mln USD za misję przy użyciu Falcon Heavy.

Zakładamy, że każda misja wyniesie po jednym satelicie. Łącznie wyniesienie trzech satelitów na LEO i trzech na LLO będzie kosztowało:

• Wyniesienie satelitów na LEO: 3×67 mln USD=201 mln USD.

• Wyniesienie satelitów na LLO: 3×97 mln USD=291 mln USD.

Koszt wyniesienia wszystkich satelitów: 492 mln USD.

5. Koszt operacji i utrzymania
Koszty operacyjne związane z utrzymaniem satelitów, monitorowaniem ich działania, komunikacją i wsparciem technicznym mogą wynosić od 50 mln USD do 100 mln USD rocznie, w zależności od złożoności systemu i liczby operacji prowadzonych na Księżycu.

Podsumowanie kosztów:

• Centrum operacyjne w USA: 150–350 mln USD.
• Trzy satelity na orbicie LEO: 450–900 mln USD.
• Trzy satelity na orbicie LLO: 600 mln – 1,2 mld USD.
•  Wyniesienie satelitów na orbity (LEO i LLO): 492 mln USD.
• Koszty operacyjne (roczne): 50–100 mln USD rocznie.

Łączny koszt budowy infrastruktury (bez uwzględnienia kosztów operacyjnych):

• 1,692 mld – 2,942 mld USD.

Warto zauważyć, że jest to ogólne oszacowanie, a koszty mogą się różnić w zależności od wyboru technologii, efektywności integracji, dostępnych zasobów, oraz dalszych optymalizacji projektu.

Ilustracja ChatGPT