우주선이 다음 달 탐사를 위해 샴페인 보호막을 사용할 것으로 보입니다.
샴페인 코르크 보호막은 달로 돌아가는 동안 우주 비행사들을 안전하게 지켜줄 것
우주 시대는 세계에 많은 최첨단 기기와 혁신적인 새로운 재료를 가져왔습니다 - 초강력 합금부터 메모리 폼, 그리고 프리즈 드라이 푸드와 당신의 휴대 전화 카메라 센서까지. 이러한 고급 기술은 NASA 및 그의 동료 우주 기관들이 외부 우주의 광활한 곳으로 계속 전진할 수 있도록 돕고 있습니다. 그러므로, 인류가 달로 돌아가고 심지어 화성까지 나아가는 다음 우주 탐사 시대가 훨씬 겸손한 물질에 의존한다는 것은 조금 놀랍게 느껴질 수 있습니다 - 코르크.
지중해 주변의 나무 껍질에서 수확되는 이 고대적인 물질은 아마도 와인과 샴페인 병의 막으로 가장 익숙할 것입니다. 그러나 이 특별한 속성으로 인해 우주 로켓 하드웨어의 중요한 부분으로 사용되었으며, 앞으로 몇 년 동안 더 큰 역할을 할 수 있습니다.
현재 세계는 상용 우주 회사들이 위성, 우주선, 심지어 사람을 궤도에 보내는 것을 점점 더 저렴하게 만들어가면서 "지수적인" 우주 여행 성장을 목격하고 있습니다. 그러나 로켓 발사는 환경에 상당한 영향을 미칠 수 있으므로 과학자들과 우주 기관들은 우주 비행을 더 지속 가능하게 만드는 방법을 찾고 있습니다. 많은 사람들은 지구와 그 이상을 고려하여 자연 재료를 이용하여 그 영향을 최소화하려고 합니다.
그러나 나무는 정말로 우주의 극한에 대처할 수 있을까요? 그리고 항공 우주 산업에 지속 가능성이라는 것은 실제로 무엇을 의미할까요?
우주 여행의 극한을 견딜 수 있는 재료는 다양한 기능을 수행할 수 있어야 합니다. 그것들은 가벼워야 하지만 동시에 초강력이어야 하며, 온도와 방사선에 대한 저항성을 가지고 있어야 하며, 환경 변화에 대응하여 변형될 수도 있어야 합니다. 이것이 바로 연구자들이 독특한 특성을 가진 신생 재료를 실험하는 이유입니다. 그러나 그들은 수천 년 동안 인류에 의해 사용된 일부 재료로 돌아가기도 합니다.
주로 지중해 남부 국가에서 재배되는 코르크는 인류에 의해 5,000년 동안 사용되어 왔습니다. 최근 몇십 년 동안에는 냉장고부터 북극 연구선과 잠수함에 이르기까지 다양한 용도로 사용되고 있습니다.
"코르크 숲은 독특한 생태계입니다,"라고 포르투갈 코르크 생산업체 Corticeira Amorim의 최고 경영자인 안토니오 리오스 아모림은 말합니다. "이것은 세계 36개 생물다양성 핫스팟 중 하나입니다. 기후 규제에 기여하며, 지속 가능한 발전을 촉진하며, 세계의 생태적 균형에 중요한 역할을 합니다."
Corticeira Amorim은 150년 이상 코르크를 생산해 왔으며, 1960년대부터 항공우주 산업에 공급하고 있습니다.
"코르크의 세포 구조의 70%는 공기입니다,"라고 아모림은 말합니다. "1세제당 4천만 개의 세포가 있습니다. 이것은 매우 가벼운 재료이며, 극도로 강한 세포 벽을 가지고 있습니다. 이것은 매우 좋은 단열체입니다." 아모림은 덧붙여 코르크는 극한의 온도 변화에도 견딜 수 있다고 합니다. "이것은 우리가 한 것이 아니라 자연으로부터 받은 선물입니다."
NASA의 새로운 로켓은 0에서 17,400mph(0에서 28,000km/h)으로 가속되어, 단 8분 만에 지구의 고도를 100마일(160km) 이상 솟아올라갑니다.
1960년대에는 시트 코르크가 미국의 Minuteman 미사일을 단열하기 위해 사용되었으며, 이 미사일은 냉전 기간 동안 핵전쟁 무기를 운반하기 위해 설계된 장거리 미사일이었습니다. 보잉은 그들의 일회용 발사 시스템인 델타 IV에 코르크를 수지와 혼합하여 사용했습니다. 이는 코르크의 불이 쉽게 붙지 않는 특성 때문이었습니다. 2020년에는 유럽 우주 기구(Esa)가 Qarman 위성이 국제 우주 정거장에서 내려오면서 재진입 단열재로 코르크를 테스트했습니다. 이 과정에서 Qarman 위성은 지구로 다시 떨어지면서 대기 재진입에 관한 데이터를 수집했습니다. 그리고 코르크는 현재 NASA가 지난 21년 동안 화성과 목성으로의 로봇 미션을 수행하는 데 사용한 주요 발사체인 United Launch Alliance의 아틀라스 V에 사용되고 있습니다.
지금 NASA는 코르크로 단열된 로켓을 사용하여 인간을 달로 보내는 것을 희망하고 있습니다. NASA의 새로운 대형 발사체인 Space Launch System(SLS)은 0에서 17,400mph(0에서 28,000km/h)으로 가속되어, 단 8분 만에 지구의 고도를 100마일(160km) 이상 솟아올라갑니다. 이 비행 중에는 엄청난 열이 발생합니다. 그러나 로켓을 구동하는 크리오젠 연료 - 액체 수소와 액체 산소 -는 차가워야 합니다. 온도가 너무 높아지면 연료가 가스 상태로 변화하기 때문입니다.
세 번째 아르테미스 미션은 SLS가 NASA의 오리온 우주선으로 달의 남극으로의 최초의 미션을 발사할 것입니다. 충분한 단열이 없으면 로켓의 구조적 무결성이 손상될 수 있으며, 그 우주 비행사들의 생명이 위험에 처할 수 있습니다.
마이클 알드레지는 NASA의 재료 엔지니어입니다. 그의 업무는 달 로켓 하드웨어에 적용될 열 방호 시스템에 사용될 재료를 선택하는 것입니다. 그는 이것들이 "우주선의 상승 및 운영 중에 구조 온도를 유지하는 데 중요하다"고 말합니다.
그는 2022년 11월 아르테미스 I의 발사를 지켜보았으며, 수년간의 작업 끝에 드디어 발사대를 떠나가는 것을 받아들이기가 어려웠다고 합니다. 그러나 2024년 11월의 아르테미스 II, 그리고 2025년의 아르테미스 III에서는 상황이 훨씬, 훨씬 더 중요해질 것입니다 - 인간이 함께 탑승할 때입니다.
"모두가 침착하고 차분해야 합니다. 왜냐하면 여전히 우리는 콘솔에서 로켓을 지켜보고, 성능을 지켜보고 있기 때문입니다," 그는 말합니다. "하지만 이 거대한 차량이 발사대에서 벗어나는 것을 보는 것은 놀라운 것입니다. 그 모든 힘과 추진력 그리고 힘을 보면서 들뜨는 기분을 억제하려고 노력할 것입니다. 그것은 숨이 멎는 일입니다."
2025년에 계획된 이 미션은 50년 넘게 동안 인류가 달 표면에 발을 디딜 것이며, 플로리다의 케네디 우주센터에서 출발하는 네 명의 우주 비행사들이 Nasa의 SLS 위에 앉아 달로 보내질 것입니다. 오라이언 우주선, 그의 선원들과 그들의 보급품을 한 번의 발사로 달로 보내는 데 충분한 힘을 가진 유일한 로켓입니다.
SLS는 지구를 떠나며 -423F(-253C)에서 200F(93C) 이상의 극한 온도에 견디어야 합니다. 이를 해결하기 위해 Nasa는 열 방호 기술을 위한 첨단 기술을 개발하고 있습니다 - 분사식 폼 단열재와 함께 다른 전통적인 단열재인 코르크도 사용될 것인데, 이것들은 불과 얼음으로부터 로켓을 보호하는 것을 약속합니다.
폼보다 무거운 코르크는 더 강력한 보호를 제공합니다. 알드레지는 SLS의 예상 열 부하가 높은 영역에 코르크 시트와 블록을 적용할 것이라고 말합니다. 코어 스테이지 엔진 부분을 예로 들면, 발사와 상승 중에 네 개의 RS-25 엔진이 거의 9백만 파운드 (40백만 뉴턴)의 추진력을 발생시킬 것입니다. 코르크는 고체 로켓 추진기 아래, 페어링 및 로켓의 다른 하드웨어와 연결되는 곳에 위치할 것입니다.
비행 전에 마지막으로 단열재를 테스트할 것입니다 - 네 개의 RS-25 엔진이 모두 가동될 때, 폼과 코르크가 하드웨어를 "뜨거운 것과 차가운 것이 충돌하는" 것을 지키게 될 것입니다.
"우주선의 기지 부분은 상승 중에 매우 뜨거워집니다,"라고 알드레지는 말합니다. "엔진이 연소되고, 옆면의 고체 로켓 추진기에서 열이 많이 나오기 때문에, 기지 부분의 열 부하를 처리할 수 있는 강한 재료와 소각이 가능한 재료가 필요했습니다."
알드레지는 설명했습니다. 소각 과정에서 차량 표면의 일부 재료가 타버려 열을 함께 가져가며, 이로 인해 기본적인 차량 구조가 시원하게 유지됩니다.
그러나 로켓 재료를 선택할 때 NASA의 주요 과제는 지속 가능성입니까? 알드레지에 따르면, 환경 영향 측면에서는 그렇지 않지만, 신뢰성 있고 장기적으로 이용 가능한 재료를 의미합니다.
"지속 가능성은 우리가 처음부터 찾는 것은 아닙니다,"라고 그는 말합니다. "어떤 재료가 작동하는지를 찾습니다. 어떤 것을 얻을 수 있는지? 어떤 것이 현재 쉽게 이용 가능한지? 앞으로 어떤 것이 어려워지거나 비용이 많이 들지? 우리가 다루는 것처럼 복잡한 시스템이 있다면, 고정시킬 수 있는 것이 많을수록 더 좋습니다."
한편, 영국 우주 기구(UKSA)는 런처 추진 시스템을 단열하기 위해 코르크를 포함한 재활용 재료를 사용하는 계획으로 환경 영향을 줄이기 위한 조치를 취하고 있다고 밝혔습니다.
"우리는 경제적 지속 가능성 뿐만 아니라 환경 지속 가능성에도 초점을 맞추고 있습니다,"라고 UKSA의 런칭 시스템 책임자이자 엔지니어인 마우로 아우젤리는 말합니다. "이것은 행성에 대한 존경과 자원에 대한 존중입니다."
그러나 그는 자연 재료 - 코르크와 같이 가공이 최소한으로 필요한 재료 - 가 예측할 수 없을 수 있다고 덧붙였습니다.
"만약 그들을 많이 처리하지 않으면, 그들의 행동에 대한 불확실성이 있을 수 있습니다,"라고 그는 말합니다. "게다가, 탐사나 우주 비행사의 생존 지원을 고려할 때, 생체 재료는 불이 날 수 있고, 침투성을 가질 수 있습니다. 이러한 특성은 예를 들어 달 기지를 만들 때 원하지 않는 특성입니다."
UKSA는 현재 사용하는 재료의 수명주기를 평가하고 있습니다. 그는 전반적인 수명주기에 더 낮은 환경 영향을 미치는 재료를 선호해야 한다고 말합니다.
"미션의 목표와 [지속 가능성] 사이의 트레이드 오프입니다. 수명주기 평가에 대해 이야기할 때, 자연 재료는 다른 재료보다 더 나은 것입니다,"라고 그는 말합니다.
그러나 그는 또한 재활용되었을 때 다른 재료와 결합하여 열 방호용으로 사용될 수 있는 폴리머와 같은 재료도 탐구하고 있다고 덧붙입니다.
하지만 현재로서는, 나무들은 지구에서의 생명에 중요한 역할을 이어갈 뿐만 아니라, 어떤 나무들은 별들을 향해 운명을 향해 나아가고 있습니다.
우주선 내부도 온도 조절이 가능할까?
- 우주선 내부의 온도는 대부분의 우주선에서 조절할 수 있습니다. 온도 조절은 우주 비행사들의 안전과 편의를 위해 중요합니다. 일반적으로 우주선은 다음과 같은 방법으로 온도를 조절합니다.
- 열 제어 시스템: 우주선은 내부 온도를 조절하기 위한 열 제어 시스템을 갖추고 있습니다. 이 시스템은 온도를 감지하고 조절하기 위한 센서와 제어 장치로 구성됩니다.
- 단열재 및 절연체: 우주선의 외부 구조물에는 열을 조절하기 위한 단열재와 절연체가 사용됩니다. 이러한 재료는 내부 온도를 안정화시키고 외부 온도 변화로부터 보호합니다.
- 열 교환 시스템: 우주선은 내부와 외부 사이의 열을 교환하는 시스템을 갖추고 있습니다. 이러한 시스템은 내부 온도를 조절하고 효율적인 열 관리를 돕습니다.
- 히터 및 냉각 장치: 필요에 따라 우주선은 내부 온도를 조절하기 위해 히터나 냉각 장치를 사용할 수 있습니다. 이러한 장치는 온도를 상승시키거나 낮추는 데 사용됩니다.
이러한 시스템을 통해 우주선은 내부 환경을 안정화시키고 우주 비행사들이 안전하고 편안하게 우주 여행을 할 수 있도록 도와줍니다.
우주선 제작에 사용되는 신생 재료는 어떤게 있을까?
우주선 제작에 사용되는 최신 재료는 다양한 혁신적인 소재로 구성됩니다. 복합 재료는 여러 소재를 혼합하여 강도와 내구성을 향상시키는 데 사용되며, 3D 프린팅 재료는 부품을 직접 제작하는 데 사용됩니다. 또한 금속 슈퍼 합금은 고온과 압력에서 안정적으로 작동할 수 있는 재료로 엔진 및 열 관련 부품에 사용됩니다. 신규 열 및 방호 재료는 우주 환경에서 발생하는 열과 방사선에 대한 보호를 제공하며, 생체 품질 재료는 우주 비행사들의 안전과 편안함을 고려하여 사용됩니다. 이러한 신생 재료는 우주 비행의 안전성과 효율성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.