Industrial processes critical analysis for asteroids in situ resource extraction : preliminary design of a parametrized chemical plant for silicon production on S-type asteroids

Asteroids mining is a challenging and a still littl explored topic. Until know, it was sufficiently studied especially from its economical point of view, in order to assess its feasibility. Recently, research centres and space agencies have started to employ some efforts on this field, to achieve for the first time a new goal for space exploration missions. However, the state of the research is at its beginning and asteroids sampling and capturing represent the actual goals. This thesis firstly addresses the topic from an high level point of view, taking into account several peculiar aspects of asteroids mining. The goal is to develop a multicriteria analysis exploiting the Analytic Hierarchy Process (AHP), giving the opportunity of easier evaluating the feasibility of mining asteroids through chemical extraction processes. The modelling of the problem is developed based on a preliminary mineralogical distribution among the Near-Earth Asteroid (NEA) and Main Belt Asteroid (MBA) environments and on the description of the chemical processes related to the chosen resources. Thus, the statement of some selection criteria, focused on relevant mission parameters, and the consequent application of the AHP method allow to find the ”best” extraction process, without favouring one criterion respect to another one. The proposed methodology offers a new approach and a promising step forward the assessment of an asteroid mining mission. Moreover, the chance of updating and improving the model, by adding new chemical species of interest or new selection criteria, give a high degree of adaptability to the work. The result shows that silicon extraction from S-type asteroids, characterized by the presence of forsterite mineral on their surface, is the best solution. Thus, a preliminary parametrized sizing of the related chemical plant, composed by a forsterite carbonation plant and a silica magnesiothermic reduction one, is proposed. The design process is addressed in a systematic way, by firstly identifying the plants functional blocks and their following trade-off analysis, fundamental to suggest suitable technological solutions. Moreover, the design parameter is represented by the initial amount of available forsterite mineral. Results show a first iteration of the plants, together with their parametrized mass and power budgets and a rough time-line of the operations. However, the addressed analysis shows some limits of the plants implementation and the need of further developments required to evaluate the interaction between the plants and the environmental and technological constraints.

L’estrazione mineraria sugli asteroidi è un tema stimolante e ancora poco esplorato. Fino ad oggi, è stato sufficientemente studiato specialmente dal punto di vista economico, al fine di valutare la sua fattibilità. Recentemente, i centri di ricerca e le agenzie spaziali hanno iniziato ad impegnarsi in questo campo, per raggiungere per la prima volta un nuovo obiettivo nelle missioni dedicate all'esplorazione spaziale. Tuttavia, lo stato della ricerca è agli inizi e il campionamento e la cattura di asteroidi rappresentano gli attuali obiettivi. Questa tesi affronta l’argomento in primo luogo da un punto di vista ad alto livello, tenendo conto di diversi aspetti peculiari dell’estrazione mineraria sugli asteroidi. L’obiettivo è di sviluppare un’analisi multicriterio sfruttando il metodo AHP, offrendo l'opportunità di valutare più facilmente la fattibilità dell’estrazione mineraria sugli asteroidi attraverso processi chimici. La modellazione del problema è sviluppata basandosi su una analisi preliminare della distribuzione mineralogica tra i NEAs e i MBAs e sulla descrizione dei processi di estrazione chimici relativi alle risorse scelte. Pertanto, la dichiarazione di alcuni criteri di selezione, focalizzati su rilevanti parametri di missione, e la conseguente applicazione del metodo AHP, consentono di trovare il ”migliore” processo di estrazione, senza favorire un criterio rispetto ad un altro. La metodologia proposta offre un nuovo approccio e un promettente passo avanti nella valutazione di una missione di estrazione mineraria sugli asteroidi. Inoltre, la possibilità di aggiornare e migliorare il modello, aggiungendo nuove specie chimiche di interesse o nuovi criteri di selezione, fornisce al lavoro un alto grado di adattabilità. Il risultato mostra che l’estrazione di silicio da asteroidi di tipo S, caratterizzati dalla presenza del minerale forsterite sulla loro superficie, è la soluzione migliore. Pertanto, è proposto il dimensionamento preliminare parametrico del relativo impianto chimico, composto da un impianto di carbonatazione della forsterite e da uno di riduzione magnesiotermica della silice. Il processo di design è affrontato in modo sistematico, identificando in primo luogo i blocchi funzionali degli impianti e la loro successiva analisi di trade-off, fondamentale per suggerire adeguate soluzioni tecnologiche. Inoltre, il parametro di progettazione è rappresentato dalla quantità iniziale disponibile di forsterite. I risultati mostrano una prima iterazioni degli impianti, insieme ai relativi budget di massa e potenza e una stima approssimativa della sequenza temporale delle operazioni. Tuttavia, l’analisi affrontata mostra alcuni limiti di implementazione degli impianti e la necessità di ulteriori sviluppi, essenziali per valutare l’interazione tra gli impianti e i vincoli ambientali e tecnologici.