연구원들, 우주용 지속 가능한 물 시스템 구축 방안 탐구

미국 - 이크바리 뉴스 통신사

연구원들, 우주용 지속 가능한 물 시스템 구축 방안 탐구

인류의 야망이 우주에서의 영구적인 거주지 건설로 확장됨에 따라, 신뢰할 수 있고 지속 가능한 청정 식수원의 공급은 가장 중요한 관심사가 되고 있습니다. 달이나 화성에서의 거주지를 구상하든, 또는 궤도 정거장에서의 장기 체류를 계획하든, 물은 모든 외계 사업의 근본적인 생명줄입니다. 우주의 혹독한 현실은 상당한 장애물을 제시합니다: 자원은 부족하고, 보급 임무는 엄청나게 비싸고 시간이 많이 소요되며, 물에 대한 기본적인 인간의 필요성은 과소평가될 수 없습니다 – 물 없이는 3일 이상 생존하는 것은 불가능합니다.

직접적인 소비를 넘어서, 물은 산소 생산, 생계를 위한 식용 작물 재배, 필수 위생 기준 유지 등 중요한 생명 유지 기능에 필수적입니다. 이러한 다면적인 요구를 충족시키기 위해, 외부 보충 없이 수개월 또는 수년간 식수를 제공할 수 있는 견고한 폐쇄 루프 시스템의 개발은 단순히 바람직한 것이 아니라 필수적입니다. 이러한 시스템은 폐기물을 최소화하고 지구 기반 공급에 대한 의존도를 줄임으로써 물을 최대한의 효율로 재활용하고 정화하는 것을 목표로 합니다.

'워터 리소스 리서치(Water Resources Research)'에 발표된 최근 연구는 이 분야에 상당한 기여를 하고 있습니다. 이 연구는 특히 국제 우주 정거장(ISS)에 탑재된 환경 제어 및 생명 유지 시스템(ECLSS)에 초점을 맞춰, 달성된 진전을 비판적으로 검토합니다. ECLSS는 우주 비행사들이 신진대사 과정, 땀, 호흡을 통해 잃는 물의 약 93%를 회수하는 인상적인 능력을 보여주는 주목할 만한 기술적 성과를 나타냅니다. 그러나, 연구의 저자들은 이것이 상당한 진전을 나타내지만, 상당한 도전 과제가 남아 있음을 강조합니다. 그들은 물 회수뿐만 아니라 에너지 효율적이고, 매우 내구성이 뛰어나며, 우주 탐사의 까다로운 조건에서 순수한 물의 꾸준한 공급을 제공할 수 있는 지속 가능한 물 시스템(SWS)을 설계하기 위한 다양한 전략의 탐구를 옹호합니다.

이 검토 논문은 동 런던 대학교, 메드웨이 NHS 재단 신탁, 요크 세인트 존 대학교와 관련된 공중 보건 연구원인 데이비드 바미델레 올라와데(David Bamidele Olawade)가 주도했습니다. 그는 나이지리아 이바단 대학교의 환경 과학 및 나노 기술 연구원인 제임스 O. 이지와데(James O. Ijiwade)와 카타르 하마드 빈 칼리파 대학교의 물 관리 및 환경 생명 공학 박사후 연구원인 오지마 제카리아 와다(Ojima Zechariah Wada)와 협력했습니다. 그들의 집단적 전문성은 복잡한 우주 거주 문제를 해결하는 학제 간 특성을 강조합니다.

저자들은 ISS의 ECLSS가 폐쇄 루프 물 회수를 위한 귀중한 청사진을 제공한다는 것을 인정합니다. 그럼에도 불구하고, 그들은 특히 지구에서 더 멀리 나아가는 미래 임무를 위해 상당한 진전의 필요성을 강조합니다. 비교적 빠르게 보급될 수 있는 ISS와 달리, 미래의 달 또는 화성 기지는 막대한 물류적 어려움에 직면할 것입니다. 공식 추정치는 ISS에 물 1kg을 운송하는 비용이 수만 달러에 달할 수 있으며, 더 멀리 떨어진 천체로의 임무에서는 이 수치가 극적으로 증가한다고 나타냅니다. 비용 문제에 더해, 우주선의 제한된 탑재량 용량은 운송될 수 있는 필수 보급품의 양을 제한하여 문제를 더욱 복잡하게 만듭니다.

또한, ECLSS와 같은 현재 기술은 종종 저궤도(LEO) 너머의 광범위한 사용에 비해 에너지 집약적이며, 무기한 거주에 필요한 장기적인 지속 가능성이 부족할 수 있습니다. 외계 환경에서 자원을 추출하는 행위 자체는 일련의 독특한 장애물을 야기합니다. 여기에는 미세 중력, 우주 진공, 극심한 온도 변화, 장비의 무게 제한, 그리고 광대한 거리에 걸친 데이터 분석 및 통신의 복잡성 처리 등이 포함됩니다. 달의 남극이나 심우주와 같이 장기간의 어둠으로 인해 태양 에너지 접근이 중단될 수 있는 외딴 지역에서는, 대체적이고 신뢰할 수 있는 에너지원의 개발이 중요합니다.

유지보수는 또 다른 중요한 고려 사항입니다. 기존의 물 재활용 시스템은 시간이 지남에 따라 부식과 기계적 마모에 취약합니다. 장기간 임무의 경우, 정기적인 유지보수를 수행할 수 있는 능력이 심각하게 제한되므로 시스템의 내구성과 복원력이 최우선이 됩니다. 이러한 장애물을 극복하기 위해 Olawade와 그의 동료들은 고급 여과, 새로운 소독 방법 및 자율 시스템 기술의 최신 발전을 조사했습니다. ISS 시스템이 기본 모델을 제공하지만, 미래의 물 시스템은 더 높은 에너지 효율성과 우주의 부식성 및 기계적으로 스트레스가 많은 조건에 대한 향상된 내성을 위해 설계되어야 합니다.

그들의 검토의 핵심은 현지 자원 활용(ISRU)에 대한 강조입니다. 지역 자원을 활용하는 것을 포함하는 이 전략은 모든 타당한 미래 달 및 화성 탐사 계획의 기초입니다. 예를 들어, NASA의 아르테미스 프로그램은 영구적으로 그늘진 지역(PSR)에 풍부한 얼음물을 가진 달의 남극-에이트킨 분지 근처에 달 기지를 건설하는 것을 목표로 합니다. 유사한 ISRU 원칙이 중국의 국제 달 연구소(ILRS)와 유럽 우주국의 "국제 달 마을" 비전에 지침을 제공합니다.

화성 임무에 대한 유사한 전략적 계획이 진행 중입니다. 수십 년간의 로봇 탐사를 통해 잠재적인 물 공급원이 확인되었으며, 특히 중위도 지역에서 그렇습니다. 그러나 이 외계 물을 추출하고 정화하는 실질적인 과제는 상당합니다. 여기에는 화성 표토 아래에 자주 묻혀 있는 물 공급원을 접근하고 처리하기 위한 전문 장비 개발이 포함됩니다. 또한, 화성의 지하수 품질은 우려 사항이며, 과학적 증거는 과염소산염 및 기타 잠재적으로 유해한 유기 화합물의 존재를 지적하고 있어 고급 정화 기술이 필요합니다.

ISRU의 성공적인 구현은 이러한 외계 물 공급원을 인간의 소비와 생명 유지에 안전하게 만드는 고급 추출 및 정화 시스템의 개발에 달려 있습니다. 결정적으로, 이러한 시스템은 똑같이 지속 가능하고 내구성이 뛰어나며 환경에 적합한 에너지 솔루션으로 구동되어야 합니다. 본질적으로, 우주 기반 물 시스템은 폐쇄 루프, 고효율, 견고하며 최소한의 에너지 의존성을 가져야 합니다. 추출 및 정화 시스템의 상당한 에너지 요구 사항을 충족시키기 위해, 연구원들은 다양한 태양 및 태양열 에너지 응용 프로그램을 조사했습니다. 이러한 기술은 펌프, 담수화 공정(역삼투압 또는 전기투석과 같은) 및 광촉매 및 여과와 같은 정화 방법을 동력화하는 데 유망합니다. 그들의 분산된 특성은 대규모 발전소가 비현실적인 외계 거주지에 이상적입니다.

태양열 시스템은 태양 복사를 태양 증류 및 담수화와 같은 공정에 직접 열로 변환하는 방법을 제공합니다. 하이브리드 광전-열(PV-T) 솔루션은 운영 시스템을 위한 전력과 물 처리를 위한 열을 동시에 생성하여 전반적인 효율성을 높일 수 있습니다. 그러나, 특히 달 극지방의 긴 어둠 기간과 화성의 낮은 태양 강도(지구의 약 43% ~ 60%)로 인한 태양 에너지의 간헐적 특성은 추가 에너지원을 필요로 합니다. 결과적으로, 이 연구는 NASA의 Kilopower Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY) 프로그램을 통해 개발 중인 것과 같은 소형 모듈형 원자로의 미래 달 및 화성 기지에 대한 잠재력도 고려합니다.

이 검토는 또한 생물 재생 생명 유지 시스템(BLSS)의 필수 구성 요소인 생물 반응기 및 생물 여과 분야의 발전을 강조합니다. NASA의 연구는 인간 폐기물과 식물 바이오매스 모두에서 물을 재활용하는 데 있어 생물 반응기의 효과를 입증했습니다. 미생물 연료 전지(MFCs)는 한 종류의 생물 반응기로, 박테리아가 유기 물질을 분해함에 따라 전기를 생성하여 깨끗한 물과 에너지의 이중 이점을 제공합니다. 이 기술은 특히 저에너지 환경에서 유리하며, 폐쇄 생태계 내에서 물 관리 및 농업 요구를 지원하는 영양소 재활용을 촉진할 수도 있습니다.

이온 교환, UV 처리 및 오존화와 같은 기존 방법은 물 정화에 효과적이지만, 종종 높은 에너지 비용을 수반합니다. 대조적으로, 생물 반응기는 유기 오염 물질의 보다 에너지 효율적인 분해를 위해 미생물을 활용합니다. 그들의 장점에도 불구하고, 생물 반응기는 여전히 한계에 직면해 있으며, 이는 연구원들로 하여금 통합된 다단계 접근 방식의 필요성을 강조하도록 이끌고 있습니다. 저자들은 "이 기술들을 결합하면, 우주에서 물의 품질을 보존하기 위한 신뢰할 수 있는 다단계 전략을 제공합니다"라고 결론짓습니다. 그들은 또한 전통적인 모래 기질 생물 여과기(지구 환경에서 물 정화를 위한 시간 테스트 방법)의 잠재력을 언급하며, 일부 우주 응용 분야에 대한 적응성을 제안합니다.

이크바리 뉴스 통신사