연구진, 우주 지속 가능한 물 시스템 구축 경로 제시

영국 - 이크바리 뉴스 통신사

연구진, 우주 지속 가능한 물 시스템 구축 경로 제시

인류의 야망이 달과 화성에 영구적인 전초 기지를 건설하는 방향으로 확장됨에 따라, 깨끗한 식수원의 신뢰할 수 있는 확보는 가장 중요한 과제로 부상하고 있습니다. 물에 대한 근본적인 인간의 필요성은 우주의 가혹한 현실 – 제한된 자원과 엄청나게 비싼 보급 임무 – 과 결합되어 강력하고 자급자족하는 시스템 개발을 필수적으로 요구합니다. 단순한 생존을 넘어, 물은 호흡 가능한 산소 생산, 영양을 위한 식용 식물 재배, 기본적인 위생 유지에 필수적이며, 이는 모두 외계 환경에서 장기적인 인간 존재를 가능하게 하는 중요한 요소들입니다.

이 분야에 대한 중요한 기여는 최근 *Water Resources Research*에 게재된 연구에서 비롯되었으며, 이는 지속 가능한 우주 물 시스템에 대한 현재의 노력과 미래의 요구 사항을 심층적으로 다루고 있습니다. 국제 우주 정거장(ISS)의 환경 제어 및 생명 유지 시스템(ECLSS)은 달성된 진전의 증거입니다. 현재 ECLSS는 우주 비행사가 소변, 땀, 호흡을 통해 잃는 물의 약 93%를 회수하는 인상적인 능력을 보여주며, 지구로부터의 보급에 대한 의존도를 크게 줄이고 있습니다.

그러나 동런던 대학의 공중 보건 연구원인 데이비드 바미데일 올라와데(David Bamidele Olawade)가 이끄는 연구진은 상당한 장애물이 여전히 남아 있다고 강조합니다. 우주 물 시스템의 미래 반복은 훨씬 더 에너지 효율적이고, 극도로 내구성이 있으며, 외부 보충 없이 장기간 동안 지속적인 식수 공급을 제공할 수 있어야 합니다. 올라와데는 나이지리아 이바단 대학의 환경 과학 및 나노 기술 연구원인 제임스 O. 이지와데(James O. Ijiwade)와 카타르 하마드 빈 할리파 대학의 물 관리 및 환경 생명 공학 박사후 연구원인 오지마 제카리아 와다(Ojima Zechariah Wada)와 함께 이 포괄적인 검토를 진행했습니다.

ISS의 ECLSS는 폐쇄 루프 물 회수를 위한 기본 청사진을 제공하지만, 저궤도(LEO) 너머의 임무를 고려할 때 그 한계는 분명해집니다. ISS는 비교적 빠른 보급 능력을 활용하지만, 달 또는 화성 기지의 경우 물류 및 경제적 제약이 엄청납니다. 공식 추정치에 따르면 궤도에 물 1kg을 전달하는 데 수만 달러가 소요되며, 심우주 임무의 경우 이 수치는 기하급수적으로 증가합니다. 또한, 우주선의 제한된 탑재량은 운반할 수 있는 물을 포함한 필수 물품의 양을 제한합니다.

진보된 ECLSS를 포함한 현재 시스템들은 종종 LEO 너머의 지속적인 작동에 너무 많은 에너지를 소비하며, 무기한 자급자족에 필요한 효율성이 부족합니다. 더욱이, 외계의 장소에서 자원을 추출하는 행위 자체는 미세 중력, 우주 진공, 극한의 온도 변화, 장비에 대한 엄격한 중량 제한, 복잡한 통신 및 데이터 분석 요구 사항과 같은 독특한 환경적 과제를 제시합니다. 달의 남극과 같이 긴 어둠의 기간이 특징인 외딴 지역에서는 태양 에너지에 대한 의존이 문제가 되며, 대체 에너지 솔루션 개발이 필요합니다.

유지 보수 역시 중요한 고려 사항입니다. 기존의 물 재활용 시스템은 시간이 지남에 따라 부식과 기계적 마모에 취약합니다. 장기 임무에서는 정기적인 수리 능력에 심각한 제한이 있어 시스템의 고유한 내구성과 신뢰성이 가장 중요해집니다. 이러한 장애물을 극복하기 위해 올라와데와 그의 동료들은 여과 기술, 새로운 소독 방법 및 정교한 자율 시스템의 최첨단 발전을 검토했습니다. 그들은 기존 시스템이 귀중한 출발점을 제공하지만, 미래 설계는 우주의 가혹함을 견디고 유지 보수 요구 사항을 최소화하기 위해 에너지 효율성과 견고한 구조를 우선시해야 한다고 결론지었습니다.

이 검토의 핵심 주제는 현지 자원 활용(ISRU)의 중요성입니다. 이는 목적지에서 발견되는 자원을 조달하고 활용하는 관행입니다. 이는 NASA의 아르테미스 프로그램의 초석으로, 자원이 풍부한 남극-에이트킨 분지에 달 기지를 건설하는 것을 목표로 합니다. 중국의 국제 달 연구소(ILRS)와 유럽 우주국의 "국제 달 마을" 비전 또한 ISRU를 우선시합니다. 달 남극은 영구적으로 그늘진 지역(PSR)에 풍부한 얼음이 존재하여 잠재적인 지역 수원 공급원으로 인해 특히 매력적입니다.

유사한 전략적 고려 사항들이 화성 탐사 계획에 지침을 제공하고 있습니다. 로봇 임무는 오랫동안 잠재적인 물 저장고를, 특히 중위도 지역에서 확인해 왔습니다. 그러나 이 외계 물의 추출 및 정화는 상당한 기술적, 물류적 과제를 안고 있습니다. 화성 표토에 묻힌 물 얼음에 접근하고 처리하기 위한 전문 장비가 필요할 것입니다. 또한, 화성의 지하수 품질은 과염소산염 및 기타 잠재적으로 유해한 유기 화합물의 높은 농도로 인해 우려 사항이며, 인간 소비 및 생명 유지 시스템에 안전하게 만들기 위한 고급 정화 기술을 필요로 합니다.

따라서 고급 추출 및 정화 시스템의 개발은 마찬가지로 지속 가능하고 내구성이 있으며 환경에 적합한 에너지원에 대한 필요성과 불가분하게 연결되어 있습니다. 본질적으로, 효과적인 우주 물 시스템은 폐쇄 루프이며, 고도로 효율적이며, 예외적으로 견고해야 하며, 동시에 에너지 소비를 최소화해야 합니다. 추출 및 정화의 상당한 에너지 수요를 충족시키기 위해 연구진은 다양한 태양 에너지 및 태양열 에너지 응용을 탐구했습니다. 이것들은 물 펌핑, 담수화(역삼투압 또는 전기투석과 같은 방법 사용), 광촉매 및 고급 여과와 같은 정화 기술과 같은 필수 프로세스에 전력을 공급할 수 있습니다. 이러한 분산형 시스템은 대규모 발전소가 비현실적인 외계 거주지에 적합합니다.

태양 복사를 직접 열로 변환하는 광열 시스템은 태양 증류 및 담수화와 같은 공정에 사용될 수 있습니다. 하이브리드 태양광-열(PV-T) 솔루션은 펌프와 필터에 전기를 생성하는 동시에 수처리 열을 생산하여 효율성을 높입니다. 그러나 태양 에너지의 고유한 한계 – 달 극지방의 긴 어둠 주기와 화성에서의 낮은 태양 강도(지구의 약 43% ~ 60%) – 는 보완적인 에너지 솔루션을 필요로 합니다. 이 연구는 또한 NASA의 KRUSTY(Kilopower Reactor Using Stirling Technology) 프로그램이 미래 달 및 화성 기지를 위해 적극적으로 연구하고 있는 기술인 소형 모듈형 원자로의 잠재력을 고려합니다.

또한, 연구진은 폐기물 처리 및 물 재활용에 역할을 할 수 있는 생물 반응기의 최신 발전을 인정하며, 진정한 폐쇄 루프 시스템에 더 많이 기여하고 있습니다.

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