우주 개발은 지속 가능한 미래를 위한 중요한 도전 과제입니다. 최근에는 수증기 기반 위성 추력기가 주목받고 있으며, 이 기술은 친환경적이고 효율적인 우주 추진을 가능하게 합니다. 이 글에서는 수증기 기반 위성 추력기의 원리와 현재의 발전 상황, 그리고 미래의 잠재력에 대해 알아보겠습니다.
1. 수증기 기반 위성 추력기의 원리
수증기 기반 위성 추력기는 물을 가열하여 나오는 수증기를 동력으로 이용합니다. 이러한 추력기는 전통적인 화학 추진제와 달리 환경에 미치는 영향이 적어 친환경적인 솔루션으로 평가받고 있습니다. 수증기 추력기는 물을 가열하여 생성된 수증기를 고압으로 압축하여 추진력을 발생시킵니다.
※ FEMTA : film-evaporation MEMS tunable array
FEMTA.pdf 내용 요약
1. 기술적 필요성
- 소형위성(SmallSat)의 효용은 추진 시스템의 질량, 전력 소비, 그리고 임펄스에 크게 좌우됨.
- 기존의 냉가스, 전기 스프레이, 이온 및 펄스 플라즈마 시스템은 최대 500g의 무게와 최대 60W의 전력을 요구할 수 있음.
- FEMTA는 소형위성을 위한 비독성 마이크로 추진 시스템으로, 산업 대안 대비 뛰어난 질량 및 전력 비율을 제공함.
2. 기술 개념
■ FEMTA (Film-Evaporating MEMS Tunable Array)
- 표면 장력을 이용해 초순수 탈이온수(deionized water)를 추진제로 사용.
- 매우 낮은 전력(1W 이하)으로 200μN의 추력과 90초의 특성 비추력을 생성.
- 1cm x 1cm x 0.05cm 크기의 실리콘 웨이퍼에 제작되며, 현재까지 300개 이상 생산.
- 1U CubeSat에 통합되어 360도 단일 축 회전을 1분 이내에 실현(전력 소모 0.25W 미만).
3. 시험 계획
1) 테스트 구성
■ 블루 오리진의 단일 페이로드 락커에 장착.
■ 제로-중력 추진제 탱크, FEMTA 추진기, 제어 전자장치 포함.
■ 카메라, 열 센서, 추진제 수집 장치 등 진단 장치 포함.
2) 시험 목표
■ 우주비행 조건에서 FEMTA 시스템 작동 확인.
■ FEMTA 추진기의 구조적 무결성 검증.
4. 기술 발전
■ 시험 성공 시, FEMTA 기술은 완전 통합된 CubeSat 비행 수준으로 발전 가능.
■ 예상 기술 성숙도
- FEMTA 추진기: TRL 5.
- 제로-중력 FEMTA 모듈: TRL 4.
5. 적용 및 사용자
- 소형 위성과 초소형 위성(PicoSat)의 정밀 자세 제어.
- 저궤도(LEO) 이상의 임무에 적용 가능.
- 대규모 구조물(안테나, 태양광 돛, 태양 차양)의 자세 제어.
- 상업 및 정부 기관이 주요 사용자로 예상.
6. 기술 개발 팀
- 퍼듀 대학교 주도, 다양한 교수 및 대학원생 참여.
7. 추가 분석 및 주요 특징
- FEMTA는 초소형 시스템을 지향하며, 대체 에너지 효율성과 비독성을 장점으로 강조함.
- 기술 목표는 우주환경에서의 성능 확인 및 기술 통합의 준비 단계를 넘어 최종 상용화를 목표로 함.
2. 현재의 발전 상황
일본의 스타트업 '페일 블루'는 수증기 기반 위성 추력기를 개발하고 있으며, 이탈리아의 궤도 간 운반선 제작사 '디-오빗'과 협력하여 추력기의 궤도 내 검증을 진행하고 있습니다. 페일 블루의 추력기는 2025년에 첫 번째 발사를 기대하고 있으며, 이를 통해 소형 위성의 궤도 내 기동과 미션 종료 후 지구 대기권 재진입을 돕는 역할을 합니다.
1) 전 세계 수증기 기반 및 관련 위성 추력기 개발 히스토리
- 1990년대: 유럽과 미국에서 수증기 기반 친환경 추진 기술 초기 연구 시작.
- 2000년대 초반: 일본 JAXA가 소형 위성용 물 기반 추진 시스템 실험 착수.
- 2000년대 중반: NASA가 수증기를 포함한 저비용 친환경 추진제 실험 수행.
- 2010년대 초반: 유럽 우주국(ESA)이 소형 위성의 수증기 기반 추진 시스템 검토.
- 2010년대 중반: 일본 JAXA와 민간 스타트업이 수증기 기반 추진 시스템 시험 발사 성공.
- 2010년대 후반: 이탈리아 디-오빗이 궤도 간 운반선과 수증기 추진 시스템 검증 협력.
- 2020년대 초반: 일본 스타트업 페일 블루가 수증기 기반 추력기 개발을 본격화.
- 2020년대 초반: 페일 블루가 디-오빗과 협력하여 궤도 내 검증 준비 완료.
- 2025년 (예정): 페일 블루의 첫 수증기 기반 추력기 상용 발사 계획.
- 2020년대 중반 (예상): 수증기 기반 기술의 상용화 및 전 세계적 확산.
2) 일본 스타트업 '페일 블루'의 수증기 기반 위성 추력기 개발 히스토리
- 개발 시작: 페일 블루는 소형 위성을 위한 수증기 기반 추력기 개발을 시작함.
- 협력 체결: 이탈리아의 궤도 간 운반선 제작사 '디-오빗'과 협력 계약 체결.
- 궤도 내 검증: 디-오빗과의 협력을 통해 추력기의 궤도 내 성능 검증을 준비.
- 첫 발사 준비: 2025년 첫 번째 발사를 목표로 시스템 통합 및 최종 테스트 진행.
- 기능 확장: 궤도 내 기동 및 미션 종료 후 지구 대기권 재진입 지원을 목적으로 설계.
3. 미래의 잠재력
수증기 기반 위성 추력기는 지속 가능한 우주 개발을 위한 중요한 기술로 평가받고 있습니다. 이 기술은 환경 친화적이며, 전통적인 화학 추진제보다 더 효율적으로 우주를 탐험할 수 있게 합니다. 또한, 수증기 기반 추력기는 다양한 우주 임무에 활용될 수 있어, 미래의 우주 탐사와 우주 정착에 큰 기여를 할 것으로 기대됩니다.
4. 마무리 글
수증기 기반 위성 추력기는 우주 개발의 새로운 기술로 주목받고 있으며, 친환경적이고 효율적인 추진 기술로 평가받고 있습니다. 페일 블루와 같은 스타트업들이 이 기술을 발전시키며, 미래의 우주 탐사와 우주 정착에 큰 기여를 할 것으로 기대됩니다. 우리는 이 기술이 지속 가능한 우주 개발을 이끌어 나가길 기원합니다.
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