완벽한 추진력: 인간을 화성에 보내는 방법

NASA의 Perseverance, UAE의 Hope, 중국의 Tianwen-1과 같은 최근의 화성 임무가 모두 대성공을 거두면서 화성에 가는 것이 쉽다고 생각하는 것을 용서받을 수 있습니다. 그러나 로버나 궤도선을 붉은 행성으로 보내는 것과 그곳에 인간 존재를 설정하는 데 필요한 인프라와 기술을 보내는 것 사이에는 큰 차이가 있습니다.

화학 추진은 우리를 태양계로 데려갔을지 모르지만, 인간의 다음 단계를 위해 우주 탐사를 위해 우리가 사용해 온 기술을 보완할 새로운 추진 기술이 필요합니다. 지난 50년. 화성 탐사를 위한 추진력이 어떤 모습일지 자세히 알아보기 위해 우리는 카림 아흐메드 부교수와 이야기를 나눴습니다. 센트럴 플로리다 대학교 기계 항공 우주 공학과 및 최첨단 로켓 추진 전문가 시스템.

이 글은 화성에 생명체, 인간이 화성을 점령할 수 있는 최첨단 과학 기술을 탐구하는 10부작 시리즈

오래된 신뢰성: 현재 우리가 사용하는 화학 추진 시스템

로켓을 지구 대기권을 넘어 우주로 보내려면 많은 추력이 필요합니다. 지구 대기의 마찰뿐만 아니라 물체를 다시 땅으로 끌어당기는 상당한 중력에도 대응해야 합니다.

1950년대부터 우리는 로켓에 동력을 공급하기 위해 화학 추진이라고 하는 동일한 기본 원리를 사용했습니다. 기본적으로 열을 생성하는 추진제(연료와 산화제의 혼합물)를 점화합니다. 이 열은 로켓 내부의 물질을 팽창시켜 로켓 뒤쪽으로 밀어냅니다. 이 추진체의 방출은 추력을 발생시켜 엄청난 힘으로 로켓을 위로 밀어내고, 이 힘은 중력의 영향을 극복하고 지구 너머의 우주로 탈출할 수 있게 합니다.

“화학 기반 추진은 매우 빠른 속도로 추진제에 열을 추가하는 것입니다. 그 추진제는 매우 높은 열에 도달하면 매우 빠른 속도로 팽창합니다.”라고 Ahmed가 설명했습니다. “그 속도는 얼마나 많은 열을 가하느냐의 함수입니다. 따라서 폭발이 있을 때 빠르게 움직이는 막대한 양의 가스가 있다고 생각하십시오. 그리고 그것이 속도입니다.”

이것은 고려 중인 다른 유형의 추진에 비해 화학적 추진이 갖는 큰 이점입니다. 속도입니다. 화학적 추진력은 로켓이 정말, 정말 빠르게 가는 데 도움이 됩니다. 그러나 항상 가장 효율적인 옵션은 아닙니다.

"프리우스 대 콜벳이라고 생각하세요." 아메드가 말했다. "A 지점에서 B 지점으로 매우 빠르게 이동하려면 화학 기반 추진을 능가하기 어렵습니다." 그러나 효율성을 높이고 싶다면 다른 추진 시스템을 사용할 수 있습니다. "A지점에서 B지점까지 합리적인 속도로 고효율로 이동하려는 경우 화학 기반 추진이 올바른 도구가 아닐 수 있습니다."

화학 추진 시스템 개선

화학 추진의 원리는 지난 수십 년 동안 동일하게 유지되었을 수 있지만 다른 유형에 대한 연구와 같이 기술에 대한 개선이 이루어지지 않는다는 의미는 아닙니다. 연료.

연료 유형의 효율성은 에너지 밀도의 문제입니다. 즉, 특정 양의 연료로 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지입니다. 그래서 수소와 같은 것은 화학반응에서 많은 열을 방출하더라도 연료로 사용하기 어려운 이유는 매우 가볍고 밀도가 낮기 때문입니다. 적은 공간에 많은 양의 수소를 저장하기 어려우므로 연료 효율성이 높지 않습니다.

현재 로켓은 기본적으로 제트 연료와 같은 등유 기반 연료를 가장 자주 사용하지만 현재 큰 관심 영역은 메탄 또는 천연 가스 기반 연료를 살펴보고 있습니다. 이 연료는 추진제로서 반드시 더 이상 효과적이지는 않지만 천연 가스가 풍부하고 이미 그것을 수집할 수 있는 기술이 있기 때문에 상당히 저렴할 것입니다.

"SpaceX가 Falcon 9을 비행하는 데 천연 가스를 사용할 수 있다면 많은 비용을 절감하고 우주 탐사를 가속화할 수 있습니다."라고 Ahmed는 예로 말했습니다. "외부 궤도로 나가는 비용을 줄일 수 있다면 우주에 더 쉽게 도달할 수 있습니다."

연구의 또 다른 영역은 엔진 자체를 개선하는 것입니다. Ahmed의 팀은 기존 엔진에 비해 적은 연료로 더 많은 전력을 생성할 수 있는 회전식 폭발 로켓 엔진이라는 시스템을 연구하는 여러 그룹 중 하나입니다.

엔진에 공급되는 수소와 산소의 양을 신중하게 제어함으로써 압력을 보다 효과적으로 생성할 수 있습니다. 이것은 매우 강력한 압축기의 필요성을 제거하여 로켓 엔진의 크기를 줄일 수 있으며 연료를 보다 효율적으로 사용합니다. 이 기술은 곧 사용할 수 있게 될 것입니다. Ahmed는 미 공군이 2025년까지 그러한 엔진을 테스트할 계획이라고 말했습니다.

화학 추진이 아무데도 가지 않는 이유

지구에서 이륙하려면 화학적 추진력이 필수적이다. “지상에서 그 무게를 더 높은 고도까지 끌어올리려면 그 정도의 동력이 필요하기 때문에 화학 기반 추진이 중요해집니다. 중력을 극복하기 위해서”라고 Ahmed는 설명했습니다.

그는 SpaceX의 예를 들었습니다. 회사에서 로켓을 발사할 때 Tesla에서 사용하는 것과 같은 전기 시스템을 사용하지 않는 이유는 무엇입니까? 두 회사는 같은 사람인 Elon Musk가 소유하고 있으므로 분명히 기술을 공유할 수 있습니다. 그러나 전기 추진 시스템은 로켓을 땅에서 떨어뜨리는 데 필요한 추력을 생성할 수 없습니다. 단순히 충분한 전력을 생성하지 못합니다.

따라서 우리는 가까운 장래에 로켓을 발사하기 위해 화학 추진을 계속 사용해야 할 것입니다. 그러나 이것은 로켓이 궤도에 진입하면 바뀝니다. 지구의 중력을 이겨내고 우주에 있으면 크루즈 컨트롤을 사용하는 것과 같습니다. 우주에서 우주선을 제어하는 ​​데는 공기 마찰이나 하향 중력이 없기 때문에 상대적으로 적은 추력이 필요합니다. 가까운 행성과 위성의 중력을 이용할 수도 있습니다.

따라서 보다 효율적인 운영을 위해 다른 추진 시스템이 대신할 수 있습니다.

보다 효율적인 옵션: 전기 추진

로켓이 궤도에 진입하면 종종 궤적을 변경해야 합니다. 즉, 속도를 조정하고 올바른 방향으로 가고 있는지 확인하기 위해 약간의 조정이 필요합니다. 이를 위해서는 추력 시스템이 필요합니다. “비행체를 조종하고, 속도가 0인 상태에서 벗어나서 들고 있는 무게의 중력을 극복하려면 수천 뉴턴이 필요합니다. 그렇기 때문에 크고 큰 로켓 시스템이 필요합니다. 그러나 외부 궤도에서는 더 이상 중력이 영향을 미치지 않으며 극복하려는 최종 속도만 있습니다.”라고 Ahmed는 설명했습니다.

우주선의 진로를 조정하는 데 필요한 힘을 생성하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. "추력은 추력이다"라고 그는 말했다. “당신은 질량을 주입하고 있습니다. 당신은 질량을 버리고 있으므로 반대 방향으로 움직입니다. 그것은 질량의 양과 그 질량을 얼마나 빨리 소진시키는가입니다.”

소형 위성 또는 smallsats에서 자주 사용되는 기술은 전기 추진입니다. 그들은 가스 추진제를 이온화하기 위해 전력(종종 태양 전지판을 사용하여 수집)을 사용합니다. 이 이온화된 가스는 전자 또는 자기장을 사용하여 위성 뒤쪽으로 밀려나 우주선을 움직이는 추력을 생성합니다.

까지 사용할 수 있는 매우 효율적인 시스템입니다. 90% 적은 연료 화학적 추진보다

"전기 추진의 경우 질량이 매우 작고 추진력을 제공하기 위해 실제로 많은 속도가 필요하지 않습니다."라고 Ahmed가 말했습니다. 그리고 전자 추진 시스템은 거의 모든 물질을 이온화할 수 있으므로 사용 가능한 모든 물질과 함께 사용할 수 있습니다.

방 안의 코끼리: 핵추진

사람들은 종종 우주에서의 원자력 발전에 대해 불편해합니다. 그리고 원자력을 사용할 때, 특히 승무원 임무에 대해 고려해야 할 안전 문제가 분명히 있습니다. 그러나 핵 추진은 우리가 먼 행성을 방문할 수 있게 해주는 비결일지도 모릅니다.

"원자력은 실제로 매우 효율적입니다."라고 Ahmed는 설명했습니다. 핵 추진 시스템은 열을 발생시키는 원자로를 통해 작동하며, 이 열은 추력을 생성하기 위해 방출되는 추진제를 가열하는 데 사용됩니다. 이 추진제는 화학 기반 추진보다 훨씬 더 효율적으로 사용됩니다.

그리고 지속 가능하다는 것이 큰 이점입니다. "화학 기반 시스템, 당신은 추진제를 태우고 소진하고 있으며 더 이상 그것을 가지고 있지 않습니다."라고 Ahmed는 말했습니다. “당신은 그 에너지를 방출했고 그것을 잃었습니다. 핵 기반 시스템에 비해 여러분이 사용할 우라늄이나 플루토늄은 거기에 있고 사라지지 않을 것입니다. 핵심 원자로를 유지하면서 지속 가능합니다.”

그러나이 반응이 지속 가능하더라도 생성되는 열은 여전히 ​​질량으로 전달되어야합니다. 반응에 사용되는 우라늄이나 플루토늄을 고갈시키고 싶지 않을 것입니다. 도움이 되는 점은 가열되는 재료가 실질적으로 모든 기체 또는 고체일 수 있지만 열에 더 잘 반응하기 때문에 기체가 더 바람직하다는 것입니다.

우주에는 사용할 가스가 없기 때문에 여전히 일부를 가져와야 합니다. 그러나 화성과 같이 대기가 있는 행성에서는 이론적으로 이산화탄소와 같은 쉽게 구할 수 있는 가스를 추진제로 사용할 수 있습니다.

NASA는 현재 특히 화성 임무를 위한 핵 추진 시스템을 조사하고 있습니다. “NASA의 목표는 승무원이 지구와 화성 사이를 여행하는 시간을 가능한 한 2년 가까이 최소화하는 것입니다. 우주 핵 추진 시스템은 총 임무 시간을 단축하고 임무 설계자에게 향상된 유연성과 효율성을 제공할 수 있습니다.”라고 기관은 말했습니다. 핵 시스템에 대해 썼다. 하지만 아직까지 확고한 결정은 내려지지 않았습니다. "각 접근 방식에 필요한 상당한 개발이 남아 있기 때문에 최초의 우주 비행사를 화성으로 데려다 줄 추진 시스템을 말하기에는 너무 이릅니다."

둘 중 하나가 아닙니다. 위의 모든 것입니다

우리는 여전히 화성에 대한 승무원 임무의 초기 계획 단계에 있습니다. 우리는 다음 단계를 계획할 때 비용과 같은 요소뿐만 아니라 실용적인 요구 사항을 고려해야 합니다.

Ahmed는 한 추진 시스템이 다른 추진 시스템보다 월등히 뛰어나다고 생각하지 않습니다. 대신 그는 특정 임무 요구에 따라 사용되는 다양한 시스템의 조합을 구상합니다.

"세 가지 시스템이 모두 필요할 것이라고 말하고 싶습니다."라고 그는 설명했습니다. "모든 임무에 맞는 완벽한 추진 시스템이 없습니다." 모든 임무에 화학 추진을 사용할 수 있지만 항상 적절한 것은 아닙니다. 그는 이것을 페라리를 타고 옆집 건물에 가서 할 수 있을 때 많은 연료를 낭비하는 것과 비교했습니다. 걷다.

화성에 대한 유인 임무의 경우 "핵을 사용해야 하고 전기를 사용해야 하며 화학 기반 없이는 벗어날 수 없습니다"라고 그는 말했습니다. 예를 들어 거주지와 같은 화물 운송을 위해 전기 추진 시스템을 사용하거나 핵 추진을 사용할 수 있습니다. 지구와 화성 사이에 신뢰할 수 있는 릴레이 시스템을 설정한 다음 화학 추진을 사용하여 우주 비행사를 보냅니다. 체계. 인간은 본질적으로 무거운 하드웨어이기 때문입니다. "우리 질량은 가볍지 않다!" 그는 말했다. “우리는 소수의 직원에 대해서도 상당한 양의 집단입니다. 따라서 화학 기반 추진력이 필요합니다.”

화성에 갈 준비가 되었나요?

화성에 대한 유인 임무를 준비하는 데는 많은 복잡성이 있습니다. 그러나 추진 시스템에 관해서는 내일 거기에 임무를 보낼 수 있는 기술이 있습니다.

"전통적인 50년대 기반 로켓 모터가 당신을 거기에 데려다 줄 것입니다."라고 Ahmed는 말했습니다. 제한 요소는 좀 더 산문적인 것으로 밝혀졌습니다. "문제는 비용이 얼마나 들 것인가입니다."

화학 기반 추진 시스템을 사용하여 화성에 로켓을 보내는 것은 단순히 매우 비용이 많이 듭니다. 그리고 더 많은 화성 탐사에 대한 대중과 학계의 욕구가 있지만 그러한 임무에 사용할 수 있는 자금의 양은 끝이 없습니다. 따라서 우리는 탐사를 보다 저렴하게 만들기 위해 전기 또는 핵 추진 시스템과 같은 기술을 개발하고 활용해야 합니다.

화학 기반 추진 영역에서도 회전 폭발 엔진이나 새로운 연료와 같은 기술 개발은 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있으며, 이는 더 많은 탐사를 촉진할 것입니다. "문제는 현재의 로켓 시스템보다 더 경제적인 엔지니어링 시스템을 개발하는 것입니다."라고 그는 말했습니다. “50년대 기술은 당신을 문제 없이 화성에 데려다 줄 것입니다. 그것은 단지 슈퍼, 슈퍼 비쌉니다. 그리고 아무도 그것을 지불하고 싶어하지 않을 것입니다. 하지만 기술이 있습니다.”

편집자 추천

• 우주론적 출퇴근: 사람을 화성에 보내는 까다로운 물류
• 천체 심리학: 화성에서 제정신을 유지하는 방법
• 다른 행성의 발전소: 화성에서 전기를 생산하는 방법
• 수화 수확: 미래 정착민들이 화성에서 물을 만들고 수집하는 방법
• Astroagriculture: 화성에서 작물을 재배하는 방법