home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ The Unsorted BBS Collection / thegreatunsorted.tar / thegreatunsorted / texts / term_papers / mine-sp.txt < prev    next >
Text File  |  1995-03-31  |  15KB  |  240 lines

  1.                                  Mining
  2.                                    in 
  3.                                  Space 
  4.                                    --
  5.                   AIAA and New York Academy of Sciences
  6.  
  7.  
  8.           On December 10,  1986 the Greater New York Section  of  the
  9.     American Institute of Aeronautics  and  Astronautics  (AIAA)  and
  10.     the engineering section of  the  New  York  Academy  of  Sciences
  11.     jointly presented a program on mining the planets.  Speakers were
  12.     Greg Maryniak of the Space Studies Institute (SSI) and Dr.   Carl
  13.     Peterson of the  Mining  and  Excavation  Research  Institute  of
  14.     M.I.T.
  15.  
  16.           Maryniak spoke first  and  began  by  commenting  that  the
  17.     quintessential predicament of space  flight  is  that  everything
  18.     launched from Earth must  be  accelerated  to  orbital  velocity.
  19.     Related to this is that the traditional way to create  things  in
  20.     space has been to manufacture them on Earth and then launch  them
  21.     into orbit  aboard  large  rockets.   The  difficulty  with  this
  22.     approach is the huge cost-per-pound of boosting anything  out  of
  23.     this planet's gravity well.  Furthermore,  Maryniak noted,  since
  24.     (at least in the near to medium  term)  the  space  program  must
  25.     depend upon the government for most of  its  funding,   for  this
  26.     economic  drawback  necessarily  translates  into   a   political
  27.     problem.
  28.  
  29.           Maryniak continued by noting that  the  early  settlers  in
  30.     North America did not attempt to transport  across  the  Atlantic
  31.     everything then needed to sustain them in the New World.   Rather
  32.     they  brought  their  tools  with  them  and  constructed   their
  33.     habitats from local materials.  Hence,   he  suggested  that  the
  34.     solution to the dilemma to which  he  referred  required  not  so
  35.     much a shift in technology as a shift in  thinking.   Space,   he
  36.     argued,  should be considered not as a vacuum,  totally devoid of
  37.     everything.  Rather, it should be regarded as an ocean,  that is,
  38.     a hostile  environment  but  one  having  resources.   Among  the
  39.     resources of space,  he suggested,  are readily  available  solar
  40.     power and potential surface mines on the  Moon  and  later  other
  41.     celestial bodies as well.
  42.  
  43.           The Moon, Maryniak stated,  contains many useful materials.
  44.     Moreover,  it is twenty-two times easier to accelerate a  payload
  45.     to lunar escape velocity than it is to accelerate  the  identical
  46.     mass out of the EarthUs gravity well.  As a practical matter  the
  47.     advantage in  terms  of  the  energy  required  is  even  greater
  48.     because of the absence of a lunar atmosphere.  Among other things
  49.     this  permits  the  use  of  devices  such   as   electromagnetic
  50.     accelerators (mass drivers) to launch payloads  from  the  MoonUs
  51.     surface.
  52.  
  53.           Even raw Lunar  soil  is  useful  as  shielding  for  space
  54.     stations and  other  space  habitats.   At  present,   he  noted,
  55.     exposure to radiation will prevent anyone for  spending  a  total
  56.     of more than six months out of his or her entire lifetime on  the
  57.     space station.  At the other end of the scale,  Lunar soil can be
  58.     processed into its constituent materials.  In between  steps  are
  59.     also of great interest.  For example,  the MoonUs soil is rich in
  60.     oxygen,  which makes up most of the  mass  of  water  and  rocket
  61.     propellant.  This oxygen could be RcookedS out of the Lunar soil.
  62.     Since most of the mass of the equipment which would be  necessary
  63.     to accomplish this would consist  of  relatively  low  technology
  64.     hardware,  Maryniak suggested the possibility that  at  least  in
  65.     the  longer  term  the   extraction   plant   itself   could   be
  66.     manufactured largely on the Moon.  Another possibility  currently
  67.     being examined is the manufacture of glass from  Lunar  soil  and
  68.     using it as  construction  material.   The  techniques  involved,
  69.     according to Maryniak,  are crude but effective.  (In answer to a
  70.     question posed by a member  of  the  audience  after  the  formal
  71.     presentation,  Maryniak  stated  that  he  believed  the  brittle
  72.     properties of  glass  could  be  overcome  by  using  glass-glass
  73.     composites.  He also suggested yet another possibility,  that  of
  74.     using Lunar soil as a basis of concrete.)
  75.  
  76.           One possible application of such Moon-made glass  would  be
  77.     in glass-glass composite beams.  Among other things,  these could
  78.     be employed as structural elements in  a  solar  power  satellite
  79.     (SPS).  While interest in the SPS has waned in this country,   at
  80.     least temporarily,  it is a  major  focus  of  attention  in  the
  81.     U.S.S. R. , Western Europe and Japan.  In particular, the Soviets
  82.     have stated that  they  will  build  an  SPS  by  the  year  2000
  83.     (although they plan on using Earth launched materials.  Similarly
  84.     the Japanese are conducting SPS related  sounding  rocket  tests.
  85.     SSI studies have suggested that more than 90%,   and  perhaps  as
  86.     much as 99% of the mass of an  SPS  can  be  constructed  out  of
  87.     Lunar materials.
  88.  
  89.           According to Maryniak,  a fair amount of work  has  already
  90.     been performed on the layout of Lunar mines and how  to  separate
  91.     materials on the Moon.  Different techniques from those  employed
  92.     on Earth must be used because of the  absence  of  water  on  the
  93.     Moon.  On the other hand,  Lunar materials processing can involve
  94.     the use of self-replicating factories.  Such a procedure  may  be
  95.     able to produce a so-called Rmass payback ratioS  of  500  to  1.
  96.     That is,  the mass of the manufactories which can be  established
  97.     by this method will equal 500 times  the  mass  of  the  original
  98.     RseedS plant emplaced on the Moon.
  99.  
  100.           Maryniak also  discussed  the  mining  of  asteroids  using
  101.     mass-driver engines,  a technique which SSI has  long  advocated.
  102.     Essentially this would entail a  spacecraft  capturing  either  a
  103.     sizable fragment of a large  asteroid  or  preferably  an  entire
  104.     small asteroid.  The spacecraft would be equipped with  machinery
  105.     to  extract  minerals  and  other  useful  materials   from   the
  106.     asteroidal mass.  The slag or other waste products  generated  in
  107.     this process would be  reduced  to  finely  pulverized  form  and
  108.     accelerated by a mass driver in  order  to  propel  the  captured
  109.     asteroid into an orbit around Earth.  If the Earth has  so-called
  110.     Trojan asteroids,  as does Jupiter,  the energy required to bring
  111.     materials from them to low Earth orbit (LEO) would be only 1%  as
  112.     great as that required to launch the same  amount  of  mass  from
  113.     Earth.  (Once again,  moreover,  the fact  that  more  economical
  114.     means of propulsion can be used for orbital  transfers  than  for
  115.     accelerating material to orbital velocity would likely  make  the
  116.     practical advantages even greater. ) However, Maryniak noted that
  117.     observations already performed have ruled  out  any  Earth-Trojan
  118.     bodies larger than one mile in diameter.
  119.  
  120.           In addition  to  the  previously  mentioned  SPS,   another
  121.     possible use for materials mined from planets  would  be  in  the
  122.     construction of space  colonies.   In  this  connection  Maryniak
  123.     noted that a so-called biosphere was presently being  constructed
  124.     outside of Tucson,  Arizona.  When it is completed  eight  people
  125.     will inhabit it for  two  years  entirely  sealed  off  from  the
  126.     outside world.  One of the objectives of this experiment will  be
  127.     to prove the concept of long-duration closed cycle  life  support
  128.     systems.
  129.  
  130.           As the foregoing illustrates,  MaryniakUs primary focus was
  131.     upon mining the planets as a  source  for  materials  to  use  in
  132.     space. Dr.  PetersonUs principal interest, on the other hand, was
  133.     the potential application of techniques and  equipment  developed
  134.     for use on the Moon and the  asteroids  to  the  mining  industry
  135.     here on Earth.  Dr Peterson began his presentation by noting that
  136.     the U. S.  mining  industry  was  in  very  poor  condition.   In
  137.     particular,  it has been  criticized  for  using  what  has  been
  138.     described as Rneanderthal technology.  S  Dr.   Peterson  clearly
  139.     implied that such criticism is justified,  noting that the sooner
  140.     or later the philosophy of not doing what you  canUt  make  money
  141.     on today will come back to haunt people.  A possible solution  to
  142.     this problem,  Dr.  Peterson,  suggested,  is a marriage  between
  143.     mining and aerospace.
  144.  
  145.           (As an aside, Dr.  PetersonUs admonition would appear to be
  146.     as applicable to the  space  program  as  it  is  to  the  mining
  147.     industry,   and  especially  to  the  reluctance  of   both   the
  148.     government and the private sector to fund  long-lead  time  space
  149.     projects.  The current problems NASA is  having  getting  funding
  150.     for the space station approved by Congress and the failure  begin
  151.     now to implement the recommendations of the  National  Commission
  152.     on Space particularly come to mind.)
  153.  
  154.           Part of the mining industryUs difficulty,  according to Dr.
  155.     Peterson is that is represents a rather small market.  This tends
  156.     to discourage long range research.  The result is to  produce  on
  157.     the  one  hand  brilliant  solutions  to  individual,   immediate
  158.     problems,  but on the other hand overall  systems  of  incredible
  159.     complexity. This complexity, which according to Dr.  Peterson has
  160.     now reached intolerable  levels,   results  from  the  fact  that
  161.     mining machinery evolves one step at a time and thus  is  subject
  162.     to the restriction that each new subsystem has to  be  compatible
  163.     with all of the other parts of the system that have not  changed.
  164.     Using slides to illustrate his point,  Dr.  Peterson  noted  that
  165.     so-called RcontinuousS coal mining machines can in  fact  operate
  166.     only 50% of the time.  The machine must  stop  when  the  shuttle
  167.     car,  which removes  the  coal,   is  full.   The  shuttle  cars,
  168.     moreover, have to stay out of each others way.  Furthermore,  not
  169.     only are Earthbound  mining  machines  too  heavy  to  take  into
  170.     space,  they are rapidly becoming too heavy to take into mines on
  171.     Earth.
  172.  
  173.           When humanity begins to colonize the Moon,   Dr.   Peterson
  174.     asserted,  it will eventually prove necessary  to  go  below  the
  175.     surface for the construction of habitats,  even if the extraction
  176.     of  Lunar  materials  can  be  restricted   to   surface   mining
  177.     operations.  As a result,  the same problems  currently  plaguing
  178.     Earthbound mining will be encountered.  This is where  Earth  and
  179.     Moon mining can converge.  Since  Moon  mining  will  start  from
  180.     square one,  Dr.  Peterson implied,  systems can be designed as a
  181.     whole rather than piecemeal.  By the same token,  for the reasons
  182.     mentioned there is a  need  in  the  case  of  Earthbound  mining
  183.     machinery to back up and look at systems as  a  whole.   What  is
  184.     required,  therefore,  is a research program aimed at  developing
  185.     technology  that  will  be  useful  on  the  Moon   but   pending
  186.     development of Lunar mining operations  can  also  be  used  down
  187.     here on Earth.
  188.  
  189.           In particular,  the mining industry on Earth  is  inhibited
  190.     by overly complex equipment unsuited to todayUs opportunities  in
  191.     remote control and automation.  It needs machines  simple  enough
  192.     to take advantage of tele-operation  and  automation.   The  same
  193.     needs exist with respect  to  the  Moon.   Therefore  the  mining
  194.     institute hopes to raise enough funds for sustained  research  in
  195.     mining techniques useful both on Earth  and  on  other  celestial
  196.     bodies as well. In this last connection, Dr.  Peterson noted that
  197.     the mining industry  is  subject  to  the  same  problem  as  the
  198.     aerospace industry:  Congress is reluctant  to  fund  long  range
  199.     research.  In addition,  the mining industry has a problem of its
  200.     own in that because individual companies are  highly  competitive
  201.     research results are generally not shared.
  202.  
  203.           Dr.   Peterson  acknowledged,   however,   that  there  are
  204.     differences  between  mining  on  Earth  and  mining   on   other
  205.     planetary  bodies.   The  most  important  is  the  one   already
  206.     mentioned-heavy equipment cannot be used  in  space.   This  will
  207.     mean additional problems for space miners.  Unlike space  vacuum,
  208.     rock does not provide a  predictable  environment.   Furthermore,
  209.     the constraint in mining is not energy requirements,   but  force
  210.     requirements.  Rock requires heavy  forces  to  move.   In  other
  211.     words,  one reason earthbound mining equipment is heavy  is  that
  212.     it breaks.  This brute force method,  however,  cannot be used in
  213.     space.  Entirely aside from  weight  limitations,   heavy  forces
  214.     cannot be generated on the  Moon  and  especially  on  asteroids,
  215.     because lower gravity means less traction.  NASA  has  done  some
  216.     research on certain details of this problem,  but there is a need
  217.     for fundamental thinking about how to avoid using big forces.
  218.  
  219.           One solution,  although it  would  be  limited  to  surface
  220.     mining,  is the slusher-scoop.  This device scoops up material in
  221.     a bucket dragged across the surface by cables and a  winch.   One
  222.     obvious advantage of  this  method  is  that  it  by  passes  low
  223.     gravity traction problems.  Slushers are already in use  here  on
  224.     Earth.  According to Peterson,  the  device  was  invented  by  a
  225.     person named Pat Farell.  Farell was,  Peterson stated,   a  very
  226.     innovative mining engineer  partly  because  be  did  not  attend
  227.     college and therefore did not learn what couldnUt be done.
  228.  
  229.           Some possible alternatives to the use of  big  forces  were
  230.     discussed during the question period  that  followed  the  formal
  231.     presentations.  One  was  the  so  called  laser  cutter.   This,
  232.     Peterson indicated,  is a potential solution  if  power  problems
  233.     can be overcome.   It  does  a  good  job  and  leaves  behind  a
  234.     vitrified tube  in  the  rock.   Another  possibility  is  fusion
  235.     pellets,  which create shock waves by impact.  On the other hand,
  236.     nuclear charges are not  practical.   Aside  from  considerations
  237.     generated by treaties banning the presence of nuclear weapons  in
  238.     space,  they would throw  material  too  far  in  a  low  gravity
  239.     environment.
  240.