Journal of Space Science and Technology

Journal of Space Science and Technology

Economic Analysis of Exploitation of Lunar Resources

Document Type : Original Research Paper

Authors
1 M.Sc., Faculty of Aerospace Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
2 M.Sc., Physics Department, Zanjan University, Zanjan, Iran
3 Assistant Professor, Space Research Laboratory, Faculty of Aerospace Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
4 M.Sc., Satellite Systems Research Institute, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran
5 Assistant Professor, Satellite Systems Research Institute, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran
Abstract
An economic model generally describes the mechanisms used to generate revenue from a business. If it fails to generate income, its failure is inevitable. Therefore, decisions regarding missions are not based solely on technical specifications; economic profitability is also a crucial factor in decision-making and is a primary consideration for commercial investments. This consideration becomes particularly important in high-cost, long-duration projects, such as space missions, where the return on investment and economic justification are more complex. Lunar mining projects are no exception and require a comprehensive financial and technical feasibility assessment approach.To analyze the economic feasibility of any project, it is essential to evaluate its economic model. This paper conducts an economic valuation of lunar mining, focusing on materials available on the Moon, using fuzzy analysis and sensitivity analysis to identify suitable materials for exploitation. The materials are categorized into oxides, metals, and fuels. Using an appropriate economic model for space mining, the study evaluates the economic potential of selling these materials on Earth.Based on the economic feasibility analysis, each group identifies SiO₂, Mg, and helium-3 (3He) as high-priority materials. SiO₂ and Mg are expected to be profitable in conservative scenarios with increased mission duration and frequency. In optimistic scenarios, all three materials could be profitable. Ultimately, SiO₂ is selected as the target material for lunar mining.
Keywords
Subjects

Article Title Persian

تحلیل اقتصادی بهره‌برداری از منابع ماه

Authors Persian

ابراهیم امیری 1
معصومه خانی چمنی 2
مهدی جعفری ندوشن 3
سجاد غضنفری نیا 4
مسعود خوش سیما 5
1 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
2 کارشناسی ارشد، دانشکده فیزیک، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران
3 استادیار، آزمایشگاه تحقیقات فضایی، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
4 کارشناسی ارشد، پژوهشکده سامانه‌های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران
5 استادیار، پژوهشکده سامانه‌های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران
Abstract Persian

مدل اقتصادی به‌طورکلی بیانگر مکانیزم‌های مورد استفاده در کسب درآمد از یک تجارت است و در صورت عدم درآمدزایی، شکست آن قطعی خواهد بود؛ بنابراین تصمیم بر انجام یک مأموریت تنها بر اساس مشخصات فنی نبوده و در کنار آن سوددهی اقتصادی جز دیگری از تصمیم‌گیری است و یکی از عوامل اصلی برای سرمایه‌گذاری‌های تجاری خواهد بود. این مسئله به ویژه در پروژه‌های با هزینه‌های بسیار بالا و بازه زمانی طولانی‌مدت همچون پروژه‌های فضایی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، زیرا بازگشت سرمایه و توجیه اقتصادی در این پروژه‌ها بسیار پیچیده‌تر است. پروژه‌های معدن‌کاوی ماه نیز از این قاعده مستثنی نیستند و نیازمند رویکردی همه‌جانبه برای مقایسه امکان مالی و فنی می‌باشند. انجام تجزیه و تحلیل امکان‌پذیری اقتصادی هر پروژه می‌تواند به ارزیابی مدل اقتصادی آن خلاصه شود. در این راستا مدلی جهت مقایسه و رتبه‌بندی و تعیین گزینه‌های موجود در پروژه مورد نیاز است تا آن پروژه به لحاظ اقتصادی توجیه داشته باشد. در این مقاله، به ارزیابی اقتصادی معدن‌کاوی ماه بر اساس مواد موجود در آن پرداخته شده و با استفاده از تحلیل فازی و تحلیل حساسیت، مواد مناسب جهت بهره‌برداری شناسایی شده‌اند. بر همین اساس، مواد به سه دسته اکسیدها، فلزها و سوخت‌ها تقسیم شدند. با استفاده از مدل اقتصادی مناسب برای معدن‌کاوی فضایی، ارزیابی اقتصادی جهت فروش مواد بر روی سطح زمین انجام شده و با توجه به صرفه اقتصادی، از هر گروه به ترتیب مواد اکسید سیلیسیم، منیزیم و هلیوم-3 با اولویت بالا انتخاب شدند. در حالت‌های محافظه‌کارانه، مواد اکسید سیلیسیم و منیزیم با افزایش زمان مأموریت و تعداد مأموریت‌ها سودده خواهند بود، و در حالت‌های خوش‌بینانه هر سه ماده سودده خواهند بود. در نهایت، ماده اکسید سیلیسیم به عنوان ماده هدف معدن‌کاوی ماه انتخاب شد.

Keywords Persian

ماه: منابع ماه: معدن‌کاوی ماه : تحلیل اقتصادی: اقتصاد ماه: بهره‌برداری
[1] L. P. Keszthelyi, et al., "Assessment of Lunar Resource Exploration in 2022," no. 1507, U.S. Geological Survey , 2023, doi: https://doi.org/10.3133/cir1507.
[2] D. Hachez, A. de Lajarte, V. Vierge, and M. Udriot, "Space Mining - Value Proposition Design: Scouting capabilities for volatiles prospecting on the Moon," ResearchGate, 2020, doi: http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.27443.04642.
[3] G. Jamanca-Lino, "Space Resources on the Moon and Space Mining,"  in 21st LACCEI International Multiconference for Engineering, Education and Technology, the 4th Latin American Congress of Engineering, vol. 1, no. 8, 2023, doi: https://doi.org/10.18687/LACCEI2023.1.1.560.
[4] A. M. Hein, R. Matheson, and D. Fries,"A techno-economic analysis of asteroid mining," Acta Astronautica, vol. 168, pp. 104-115, 2020,doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.05.009.
[5] P. Calla, D. Fries, and C. Welch, "Asteroid mining with small spacecraft and its economic feasibility," arXiv preprint arXiv:1808.05099, 2018, doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.1808.05099.
[6] T. E. Graedel, E.M. Harper, N.T. Nassar, P. Nuss, and B.K. Reck, "Criticality of metals and metalloids," Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 112, no. 14, pp. 4257–4262, 2015, doi: https://doi.org/10.1073/pnas.1500415112.
[7] Dana G. Andrews, et al., "Defining a successful commercial asteroid mining program," Acta Astronaut, vol. 108, pp. 106–118, 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.10.034.
[8] A. Sommariva, L. Gori, B. Chizzolini, and M. Pianorsi,  "The economics of moon mining," Acta Astronautica, vol. 170, pp. 712-718, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.01.042.
[9] NASA, "Earth’s Moon – NASA Solar System Exploration," NASA, 2021, [Online], Available: https://solarsystem.nasa.gov/moons/earths-moon/by-the-numbers.
[10]S. Mighani, H. Wang, D. L. Shuster, C. S. Borlina, C. I. Nichols, and B. P. Weiss, "The end of the lunar dynamo," Science advances, vol. 6, no. 1, pp. eaax0883, 2020, doi: https://doi.org/10.1126/sciadv.aax0883.
[11] A. C. Schuerger, J. E. Moores, D. J. Smith, and G. Reitz, "A Lunar Microbial Survival Model for Predicting the Forward Contamination of the Moon," Astrobiology, vol. 19, no. 6, pp. 730-756, 2019, doi: https://doi.org/10.1089/ast.2018.1952.
[12] K. Pahlevan and D. J. Stevenson, "Equilibration in the aftermath of the lunar-forming giant impact," Earth and Planetary Science Letters, vol. 262, no. 3–4, p. 438–449, 2007, doi: https://doi.org/10.1016/j.epsl.2007.07.055.
[13] R. Tartèse, et al., "Constraining the Evolutionary History of the Moon and the Inner Solar System: A Case for New Returned Lunar Samples," Space Science Reviews, vol. 215, no. 8, 2019, doi: https://doi.org/10.1007/s11214-019-0622-x.
[14] S.I. Demidova, M. Nazarov, C. Lorenz, G. Kurat, F Brandstätter and Th. Ntaflos, "Chemical composition of lunar meteorites and the lunar crust," Petrology, vol. 15, no. 4, pp. 386-407, 2007, doi: https://doi.org/10.1134/S0869591107040042.
[15] T. H. Prettyman, et al., "Elemental composition of the lunar surface: Analysis of gamma ray spectroscopy data from Lunar Prospector," Journal of Geophysical Research, vol. 111, no. E12, pp. 1–41, 2006, doi: https://doi.org/10.1029/2005JE002656.
[16] D. J. Loftus, E. M. Tranfield, J. C. Rask, and C. McCrosssin, "The Chemical Reactivity of Lunar Dust Relevant to Human Exploration of the Moon," NASA Ames Research Center, 2008.
[17]W. K. Hartmann, C. Quantin, and N. Mangold "Possible long-term decline in impact rates. 2. Lunar impact-melt data regarding impact history," Icarus, vol. 186, no. 1, pp. 11-23, 2007, doi: https://doi.org/10.1016/j.icarus.2006.09.009.
[18] P. Lucey, et al., "Understanding the lunar surface and space-Moon interactions," Reviews in Mineralogy and Geochemistry, vol. 60, no. 1, pp. 83-19, 2006, doi: https://doi.org/10.2138/rmg.2006.60.2.
[19] M. A. Wieczorek et al., "The constitution and structure of the Lunar interior," Reviews in Mineralogy and Geochemistry, vol. 6, no. 1, pp. 221-364, 2006, doi: https://doi.org/10.2138/rmg.2006.60.3.
[20] G. Heiken, D. Vaniman, and B. M. French, Lunar Sourcebook, Cambridge University Press, 1991.
[21] D. B. J. Bussey, P. G. Lucey, D. Steutel, M. S. Robinson, P. D. Spudis, and K. D. Edwards, "Permanent shadow in simple craters near the lunar poles," Geophysical Research Letters, vol. 30, no. 6, pp. 1-5, 2003, doi:        https://doi.org/10.1029/2002GL016180.
[22] D. Sivolella, Space Mining and Manufacturing Off-World Resources and Revolutionary Engineering Techniques, Springer Cham, 2019, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-30881-0.
[23] T. Webber. "Moon Resources: Challenge or Opportunity?" Space Mining Technology. https://space-mining.tech/moon-resources-challenge-opportunity/
[24] J. D. Burke, "Lunar Materials and Processes," National Aeronautics and Space Administration, Washington, USA, Doc. ID 19870025838,1986.
[25] G. J. Taylor, "Mining the Moon, Mars, and Asteroids," Planetary Science Research Discoveries, id. 43, 2000.
[26] W. C. Feldman, S. Maurice, A. B. Binder, B. L. Barraclough, R. C. Elphic and D. J. Lawrence, "Fluxes of fast and epithermal neutrons from lunar prospector: Evidence for water ice at the lunar poles," Science, vol. 281, no. 5382, pp. 1496-1500, 1998, doi: https://doi.org/10.1126/science.281.5382.1496.
[27] D. Beike, "Mining of Helium-3 on the Moon: Resource, Technology, and Commerciality—A Business Perspective," AAPG, Special Volumes, 2013,  doi: https://doi.org/10.1306/13361575M1013542.
[28]S. Matar, "Energy analysis of extracting helium-3 from the Moon," Ph.D dissertation, Politecnico di Torino, Department of Environment, Land and Infrastructure Engineering,.2021.
 
Volume 17, Issue 3
2024
Pages 1-14

  • Receive Date 03 November 2023
  • Revise Date 10 December 2023
  • Accept Date 16 December 2023
  • First Publish Date 16 December 2023