지속 가능한 우주 물 시스템 개척: 인류의 외계 미래를 위한 열쇠

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지속 가능한 우주 물 시스템 개척: 인류의 외계 미래를 위한 열쇠

인류가 우주를 탐사하고 정착하려는 야심찬 노력에서, 깨끗하고 마실 수 있는 물의 신뢰할 수 있는 공급원을 확보하는 것이 근본적인 도전으로 다가옵니다. 달이나 화성의 서식지에서든, 지구에서 멀리 떨어진 궤도 정거장에서든, 물은 단순히 생존의 필수품이 아니라 모든 생명 유지 시스템의 중추입니다. 인간은 물 없이 3일 이상 생존할 수 없으며, 물은 산소 생성, 식용 식물 관개 및 위생 유지에도 필수적입니다. 이러한 현실은 지속적인 보급 없이 몇 개월에서 몇 년 동안 깨끗한 물을 제공할 수 있는 폐쇄 루프 물 시스템에 대한 필수적인 요구 사항을 부과합니다.

Water Resources Research에 발표된 최근 연구는 국제 우주 정거장(ISS)의 환경 제어 및 생명 유지 시스템(ECLSS)을 이 분야에서 이루어진 진전의 주요 사례로 조명합니다. ECLSS는 우주 비행사들이 소변, 땀, 습기를 통해 잃은 물의 93%를 회수하는 놀라운 능력을 보여주었습니다. 그러나 저자들 — 이스트 런던 대학의 데이비드 바미델레 올라와데, 이바단 대학의 제임스 O. 이지와데, 하마드 빈 칼리파 대학의 오지마 제카리아 와다 —는 여전히 상당한 과제가 남아 있다고 지적합니다. 그들의 포괄적인 검토 논문은 에너지 효율적이고 내구성이 있으며 깨끗한 물을 꾸준히 공급할 수 있는 지속 가능한 물 시스템(SWS)을 실현하기 위한 여러 접근 방식을 탐구합니다.

ISS의 ECLSS가 폐쇄 루프 물 재생을 위한 청사진을 제공하지만, 더 먼 미래의 응용 프로그램을 고려할 때 그 한계는 분명해집니다. ISS는 몇 시간 내에 물을 보급받을 수 있지만, 물류 문제는 상당합니다. 공식 추정에 따르면 이 과정은 킬로그램당 수만 달러가 들 수 있으며, 더 먼 임무의 경우 비용은 기하급수적으로 증가합니다. 엄청난 비용 외에도, 제한된 페이로드 용량으로 인해 보급 임무가 운반할 수 있는 화물이 심각하게 제한되어 문제가 더욱 복잡해집니다.

ECLSS와 같은 현재 시스템은 저궤도(LEO)를 넘어 사용하기에는 너무 전력 소모가 많고, 무기한으로 지속 가능하기에는 충분히 효율적이지 않습니다. 더욱이, 지구 외 지역에서 자원을 추출하는 것은 미세 중력, 진공 상태, 극심한 온도 변동, 중량 제한, 복잡한 분석 및 통신 문제와 같은 독특한 도전에 직면합니다. 달의 남극이나 심우주와 같이 태양광 접근이 장기간의 어둠으로 제한되는 원격 환경에서는 대체적이고 혁신적인 에너지원이 개발되어야 합니다.

또한 유지보수라는 중요한 문제도 있습니다. 기존의 물 재활용 시스템은 시간이 지남에 따라 부식 및 마모에 취약합니다. 장기 임무에서는 정기적인 유지보수를 수행할 능력이 심각하게 제한되므로 시스템의 내구성이 가장 중요합니다. 이러한 어려운 과제를 해결하기 위해 올라와데와 동료들은 여과 시스템, 소독 방법 및 자율 기술의 최근 발전을 고려했습니다. 그들은 미래 시스템이 훨씬 더 에너지 효율적이어야 하며 부식 및 기타 기계적 문제에 저항하도록 특별히 설계되어야 한다고 강조합니다.

그들의 검토에서 저자들은 미래의 달 및 화성 탐사 계획의 중요한 측면인 현장 자원 활용(ISRU)의 엄청난 중요성을 강조합니다. 아르테미스 프로그램에 따라 NASA는 달의 남극-에이킨 분지에 달 기지를 건설할 계획이며, 이 지역은 잠재적인 물 얼음이 풍부한 심하게 크레이터화된 지역입니다. 중국의 국제 달 연구 기지(ILRS)와 유럽 우주국의 국제 달 마을 건설 계획도 동일한 전략적 고려 사항에 기반을 둡니다. 이 목적지는 남극 지역의 크레이터(영구 음영 지역, PSRs라고도 함)에 풍부한 물 얼음이 존재하기 때문에 매우 유리합니다.

유사한 고려 사항이 미래 화성 임무 계획을 안내합니다. 수년 동안 로봇 임무는 특히 중위도 지역에서 물 공급원을 찾기 위해 표면을 조사했습니다. 그러나 외계 물을 추출하고 정화하는 것은 자체적인 기술적 및 물류적 과제를 제기합니다. 여기에는 레골리스에 묻힌 물 저장고에 접근하고 처리하기 위한 특수 장비의 필요성이 포함됩니다. 화성에서는 과염소산염 및 기타 유해 유기 화합물의 높은 수준을 고려할 때, 고급 처리 없이는 인간 소비에 부적합할 수 있는 지하수 품질에 대한 추가적인 질문이 있습니다.

이러한 까다로운 조건은 이러한 수원지를 인간 소비 및 생명 유지 시스템에 적합하게 만들 수 있는 고급 추출 및 정화 시스템을 필요로 합니다. 또한 극단적이고 고립된 환경에 적합하고 지속 가능하며 내구성이 뛰어난 전력 시스템이 필요합니다. 추출 및 정화 시스템의 상당한 에너지 요구 사항을 충족하기 위해 저자들은 다양한 태양 에너지 및 태양열 에너지 응용 프로그램을 고려합니다. 이러한 시스템은 펌핑, 담수화(역삼투압 또는 전기투석을 통해) 및 광촉매 및 여과와 같은 정화 방법을 구동하기 위한 깨끗한 에너지를 제공할 수 있습니다. 또한 전통적인 발전소 및 중앙 집중식 그리드 시스템이 실현 불가능한 외계 환경의 서식지에 이상적인 분산형 시스템에도 매우 적합합니다.

또한, 광열 시스템은 태양 복사를 열로 변환하며, 이는 태양 증류에서 담수화에 이르는 과정에 활용될 수 있습니다. 하이브리드 광전지-열(PV-열) 솔루션은 펌프 및 필터에 동시에 전력을 공급하는 동시에 물 공급을 담수화하고 소독하여 추가적인 효율성을 제공합니다. 그러나 태양광 발전은 장기간의 어둠으로 인해 달의 극지방과 같은 환경에서 한계에 직면하며, 화성은 일반적으로 태양 복사를 덜 받으므로 고급 에너지 저장 솔루션 또는 대체 에너지원이 필요합니다. 올라와데, 이지와데, 와다의 지속적인 연구는 이러한 자급자족 우주 전초 기지로 가는 길을 개척하는 데 중요하며, 인류의 우주 진출이 물이라는 근본적인 필요성에 의해 제한되지 않도록 보장합니다.

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