달 기지에 전력을 공급할 수 있는 핵반응로가 우주 비행사들에게 필요하다고 합니다.
달에서 생활하는 우주 비행사들에게 필요한 전력을 소형 핵반응로가 해결
1970년대 TV 시리즈인 'Space: 1999'은 많은 SF 드라마처럼 대단한 폭발로 시작합니다. 핵 폭발이 달을 지구 궤도에서 떨어뜨리고 문베이스 알파와 그 주민들을 깊은 우주로의 흥미진진한 모험으로 이끕니다.
이는 어린 일론 머스크에게 분명 강한 인상을 남겼습니다. 2017년, 미래의 달 기지에 대한 스페이스X의 계획을 구상하면서 그는 그것을 '알파'라고 명명했습니다. 오늘날, 스페이스X는 미국 우주국 NASA와 함께 인류를 다시 달 표면으로 보내기 위해 노력하고 있으며, 이는 미 우주국의 아르테미스 프로그램의 일부입니다. 계획된 달 기지는 그러나 더 실용적인 작업 제목을 가지고 있습니다: 아르테미스 베이스 캠프.
NASA와 미국 국무부는 아르테미스 협정의 형태로 평화로운 달 탐사를 위한 공동 지침을 발표했습니다. 현재까지 36개국 – 인도, 일본, 영국, 캐나다, 호주, 아랍에미리트, 대한민국을 포함하여 – 가 서명했습니다.
중국도 마찬가지로 실용적인 이름을 가진 달 기지를 선도하고 있습니다. 2021년에 발표된 국제 달 연구소는 현재 러시아, 벨라루스, 파키스탄, 아제르바이잔, 베네수엘라, 이집트, 남아프리카가 서명국으로 있습니다.
하지만 어느 연합이 달에 첫 번째 기지를 건설하든, 그들은 모두 신뢰할 수 있는 전원 공급원이 필요할 것입니다. 전 세계 많은 회사와 우주 기관들이 같은 결론에 도달했습니다.
"달 기지에 전력을 공급할 수 있는 유일한 방법은 핵 에너지뿐입니다."라고 웨일즈 방고르 대학의 핵 미래 연구소의 사이먼 미들버러가 말합니다.
달의 하루는 지구와 같은 24시간이 아닌 한 달입니다. 정확하게 말하면 29.5일입니다. 이는 사실상 빛이 켜지는 두 주가 있고, 그 후 어둠이 오는 두 주가 있습니다. 기온은 -130도씨(-202도화씨)까지 내려갑니다. 이것이 1969년부터 1972년까지의 아폴로 임무가 달의 낮에 이루어졌으며, 기온이 적당하고 연장된 태양광이 과학기기와 착륙선을 구동할 수 있는 때에 가까운 달의 적도에 가까운 곳에서 진행되었던 이유입니다.
달의 남극에는 임기응변지역이 위치할 가능성이 가장 높은데, 특정 지역은 80% 이상의 시간 동안 태양 빛에 비추어집니다. 하지만 영구적으로 그림자가 지는 분화구에서는 기온이 더욱 떨어질 수 있으며, 거기서 얼어붙은 물이 발견될 가능성이 높습니다. 이 물은 우주 비행사들의 생존을 돕는 것뿐만 아니라 연료를 생산하는 데에도 필요합니다. 왜냐하면 달에는 가스나 석유가 없기 때문입니다.
“핵발전이 유일한 대안입니다,”라고 미들버그가 말합니다. "연료를 저기로 올릴 수 없습니다. 태양광 패널은 작동하지 않을 것입니다. 디젤 발전기도 작동하지 않으며, 옛 스타일의 방사성 열 발전기는 충분한 충격을 줄만큼 크지 않습니다."
마이크로 핵 반응로는 384,400km (238,000 마일)를 여행하고 난 후에도 가벼우면서도 견고해야 합니다.
1969년, 아폴로 11호에서 방사성 플루토늄-238의 붕괴에 의해 생성된 열을 이용하여 과학 기기를 작동 온도로 유지하기 위해 달에 최초로 방사성 열 발전기가 사용되었습니다. 아폴로 12호에서 이 열은 전기로 변환되어 기기 패키지를 구동하는 데 사용되었으며, 이는 달에서 핵 반응로가 처음 사용된 것으로, 그 크기는 지구 상의 것과는 비교할 수 없을 만큼 작았습니다. 원통형 발전기의 크기는 단 45.7 by 40.6cm (18.2 by 16.2in)이었습니다.
이것은 꽤 어려운 요구사항입니다. 마이크로 핵 반응로는 384,400km (238,000 마일)를 여행하고 난 후에도 가볍고 견고해야 하며, 그 후에도 달 표면을 덮고 있는 세밀한 먼지 또는 토사와 같은 매우 어려운 조건에서 사용될 수 있어야 합니다.
2022년에는 NASA가 Lockheed Martin, Westinghouse 및 IX에게 계약을 수여했습니다. Intuitive Machines와 X-Energy의 협력인 IX는 최근 50년 이상만에 미국에서 처음으로 달에 부드러운 착륙을 수행한 최초의 상업 회사가 되었습니다.
2024년 2월에 제출된 리액터 디자인을 통해 달 기지를 적어도 10년 동안 유지할 수 있는 리액터에 대한 설계가 완료되었습니다.
NASA 존슨 우주센터의 달 구조팀 리더인 셰텔 바크타는 "파이오니어, 보이어저, 카시니와 같은 이전 우주 임무에서 핵 기술을 사용했기 때문에 신뢰를 가지고 있습니다. 거기서 시스템은 원래의 디자인 수명을 크게 초과했습니다"라고 말합니다.
바크타는 "혹독한 환경, 질량과 부피를 최소화하기 위한 노력, 높은 신뢰성 제공 및 선원의 안전을 위한 지속적인 전력을 보장하는 것이 달 표면을 위한 리액터 설계에 고려된 사항 중 일부입니다"라고 덧붙였습니다.
그는 또한 "또한, 지구로부터의 장거리 및 관련된 통신 지연 때문에 시스템은 최소한의 인간 개입으로 자율적으로 작동할 수 있도록 설계되어야 합니다"라고 말했습니다.
"우리는 이 시스템들이 어떻게 보일지, 그리고 우주에 있어서 핵심적인 것은 그들이 얼마나 무거울지에 대해 꽤나 확실한 아이디어를 가지고 있습니다,"라고 제이크 톰슨은 말합니다.
지난 달 러시아 우주 기구인 로스코스모스는 중국 국가 우주 행정국과 함께 공동 달 기지를 구동하기 위해 2035년까지 달 핵 반응로를 건설할 것이라고 발표했습니다. 로스코스모스의 사장인 유리 보리소프는 러시아의 국영 매체에 말했으며, 이것은 "인간의 존재 없이" 건설될 것이라고 말했습니다.
3월에는 영국 우주 기구가 달 모듈형 핵 반응로의 데모를 위해 새로운 2,900만 파운드(약 3,600만 달러)의 자금을 발표했습니다. 2022년의 초기 연구 이후, 영국 산업과 학계의 협력은 롤스로이스를 중심으로 이루어졌습니다. 롤스로이스는 아마도 제트 엔진이나 고급 자동차와 더 자주 연관된 이름입니다.
"60년 넘게 롤스로이스는 영국 해군 잠수함을 위한 모든 핵 반응로를 조용히 설계, 제조 및 지원해왔습니다,"라고 롤스로이스의 신규 핵 프로그램의 수석 엔지니어인 제이크 톰슨은 말합니다. "우리는 아주 작고 아주 소형의 핵 반응로를 제공하는 방대한 유산을 가지고 있습니다. 그래서 우리는 이러한 정말 흥미로운 새로운 분야인 우주 탐사로 이 능력을 가져오고 있습니다."
롤스로이스의 마이크로 리액터 프로그램은 현재 개념 개발 단계에 있습니다. 프로토타입 구성 요소에 대한 테스트가 진행되고, 목표는 2029년까지 달 배달용 데모 모델을 준비하는 것입니다.
"이들은 분열 기반 리액터 시스템이기 때문에 저농축 우라늄의 형태를 사용할 것입니다,"라고 톰슨은 말합니다. "우리는 이 시스템이 어떻게 보일 것인지, 그리고 - 우주에 있어서 중요한 것은 얼마나 무겁게 될 것인지에 대해 꽤나 확실한 아이디어를 가지고 있습니다."
각 롤스로이스 마이크로 리액터는 50-100 kW를 생산하며, 적어도 10년 동안 지속될 것입니다. "이것은 완전히 확장 가능합니다. 달 표면에 있는 건축물과 인프라의 필요에 따라 달립망에 몇 개의 이러한 리액터가 보충되는 것을 상상하고 있습니다. 달 남극에 태양 전력이 함께하는 형태입니다."
"우리는 가능한 가장 견고한 핵 연료를 설계 중입니다,"라고 사이먼 미들버그는 말합니다.
"마이크로 리액터는 대략 소형 가족용 자동차 정도의 크기이며 몇 톤 정도의 무게입니다. 핵 반응로로는 절대적으로 작습니다,"라고 톰슨은 말합니다. "우주 시스템에 있어서는 여전히 비교적 큽니다."
미니어처화는 롤스로이스 프로젝트와 협력 중인 Nuclear Futures Institute를 포함하여 많은 조직이 성공적인 디자인의 핵심으로 보는 것입니다.
"우리는 가능한 가장 견고한 핵 연료를 설계하고 있으며, 이것은 영국에서 몇 년 동안 연구해 온 Triso (TRi-structural ISOtropic) 입자에 기반합니다,"라고 미들버그는 말합니다.
"그것은 고브스토퍼와 비슷합니다," 그는 말합니다. 이는 구형으로 긴 지속력이 있는 단단한 사탕으로, 여러 층으로 이루어져 있습니다.
"이것은 안전 장벽으로 우라늄을 감싼 연료로, 극도로 견고합니다. 오랫동안 지속되며, 수천 도에도 견딜 수 있으며, 삽화의 크기와 같습니다."
이러한 안전 층에는 탄소 흑연과 탄화규소가 포함됩니다. 미들버그는 흑연은 "고온에서 방사능을 견디며 우주선의 선두에 사용하는 것과 같은 것입니다만, 우리는 이것을 리액터 안쪽에 넣고 있습니다. 이것은 아름다운 재료지만 최종 재료는 아닙니다. 더 나은 것을 할 수 있다고 생각합니다. 그것이 전 세계 사람들과 함께 일하는 것입니다."라고 말합니다.
이 시스템을 개발하고 지구에서 테스트하고 달에서 운영하는 것에는 도전이 있습니다. - 셰텔 바크타
이 달 마이크로 리액터가 우주 산업 내에서 일으키는 흥미에는 의심의 여지가 없습니다. 그러나 지구 상의 핵 전력은 제한된 화석 연료와 오염되는 것에 대한 대안을 제공함에도 불구하고, 종종 원자 폭탄, 방사능 누출 또는 사고로 인한 위험과 연관됩니다. 예를 들어 우크라이나의 체르노빌이나 일본의 후쿠시마와 같은 사건들이 그렇습니다.
"Nasa의 바크타는 "이 시스템을 개발하고 지구에서 테스트하며 달에서 작동하는 데에는 도전이 있습니다. "자연 및 인공 환경(예: 발사 진동, 착륙 부하, 극한 온도, 조명 및 먼지 등)은 고려해야 할 주요 요인 중 몇 가지입니다. 우리는 이러한 환경을 견뎌내면서도 수년에 걸친 서비스 수명을 제공할 수 있는 낮은 질량, 높은 신뢰성 및 오류 허용력을 갖춘 달 전력 시스템이 필요합니다."
톰슨은 또한 최악의 경우를 대비하고 있습니다. 만약 우주선에 방사성 물질이 탑재되어 있고 발사 직후 지구 대기에서 폭발이 발생한다면 어떻게 될까요?
"이것들은 매일 직면하는 공학적 도전입니다," 그는 말합니다. "시스템이 발사를 포함한 수명주기의 모든 측면에서 안전할 때에만 시스템을 배치할 것입니다. 리액터는 실제로 달 표면에 도달했을 때에만 켜도록 설계되었습니다. 리액터가 켜지기 전에는 내부의 핵 연료가 비활성화되어 있습니다. 조작 및 접촉이 완전히 안전하며, 리액터가 켜질 때까지 방사선을 방출하지 않습니다."
설계 과정의 일환으로, 엔지니어들은 이러한 마이크로 리액터의 종료 단계 절차도 고려하고 있습니다.
"저희의 달 리액터 미션이 완료되면 우리는 그것을 중지시키고 방사선 수준이 서서히 감소하여 원하는 경우 장기 보관 위치로 안전하게 접근하고 이동시킬 수 있습니다,"라고 바크타는 말합니다.
기술을 성숙시키기 위한 자금과 시간이 필수적이지만, 달 마이크로 리액터 설계의 혜택은 지구에까지 확장될 수 있습니다. 기존 발전소보다 훨씬 작고 확장 가능한 전력 모듈부터 핵의학까지 다양합니다.
"우리는 많은 핵 부흥을 경험했습니다만, 핵이 안전하고 탄소 중립적인 것을 전달하는 시점에서는 기회가 필요합니다,"라고 말하는 미들버그는 우주와 지구에서의 기술에 대해 매우 낙관적입니다.
"공공에게 핵이 정시에, 예산 내에서 전달될 수 있고 흥미로운 유용한 일을 할 수 있다는 것을 보여줄 수 있다면, 파급 효과는 놀랄 만합니다 - 이것들이 세상을 구할 것이라고," 라고 덧붙였습니다.
달의 시간은 어떻게 계산하나?
달의 시간은 지구와는 다른 방식으로 계산됩니다. 일반적으로 우리는 지구의 일을 하루라고 하지만, 달의 경우는 다르게 측정됩니다.
달의 하루는 고유한 개념으로, 지구의 자전 주기와는 관련이 없습니다. 대신, 달의 시간은 달의 공전 주기에 의해 결정됩니다. 즉, 달이 지구 주위를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간입니다.
달이 지구 주위를 도는데 걸리는 시간은 약 29.5일이며, 이것이 달의 한 달입니다. 따라서 달의 시간은 보통 "달의 달" 또는 "달의 월"로 불립니다.
달의 시간을 지구 시간으로 변환하려면 보통 일반적으로 사용되는 계산법이 없습니다. 이는 지구의 자전 주기와는 별개로 측정되는 것이기 때문입니다. 대신, 달의 시간은 특정 달의 상태 또는 이벤트와 관련하여 일반적으로 사용됩니다.
달의 하루 계산법은?
달의 하루를 정확히 계산하는 것은 조금 복잡합니다. 달의 하루는 지구의 자전 주기와는 다르기 때문입니다. 지구의 자전 주기는 지구가 자전축을 중심으로 한 번 회전하는 데 걸리는 시간인데, 이는 약 24시간입니다.
하지만 달의 경우, 달은 지구 주위를 공전하면서 동시에 자전합니다. 이것은 지구와의 상대적인 회전 속도 때문에 달의 일정한 면만이 항상 지구 쪽으로 향하게 됨을 의미합니다. 이러한 현상을 "무의 지향성"이라고 합니다.
따라서 달의 하루를 계산하는 데에는 몇 가지 다른 방법이 있을 수 있습니다. 하나의 방법은 "고정된 관찰 지점"을 사용하여 달의 회전 주기를 측정하는 것입니다. 이 방법은 특정 지점에서 달의 표면을 관찰하고, 얼마나 오랜 시간 동안 특정 지점이 다시 지구로 향하게 되는지를 측정합니다.
다른 방법은 달의 공전 주기와 자전 주기를 이용하여 계산하는 것입니다. 이 방법은 조금 더 복잡하지만, 달의 자전과 공전 속도를 고려하여 달의 하루를 계산할 수 있습니다.
요약하면, 달의 하루를 정확히 계산하는 것은 복잡하고 다양한 방법이 있습니다. 일반적으로는 특정 관찰 지점을 사용하거나 달의 자전과 공전 속도를 고려하여 계산됩니다.