In-situ 추진제 생산 및 금속 연료 점화 기술 개발

Abstract

화성은 태양계의 4번째 행성으로 생명체 생존 가능성이 제기되면서 태양계에서 인류의 가장 많은 관심을 받고 있는 행성이다. 1960년 소련에서 인류의 첫 화성 탐사선 Mars 1M을 발사했지만 대기권에서 산화되어 실패했다. 소련의 실패 이후 1965년 미국의 Mariner 4호가 인류 최초로 화성에 접근해 화성 표면을 촬영하여 지구로 보내왔다. 이후 미국과 소련은 경쟁적으로 화성 탐사선을 발사했으며, 최근에는 미국, 러시아, 유럽 등의 국가에서 화성으로 탐사선을 보내 화성의 대기 및 지질 정보를 지구로 보내왔다. 지금까지의 화성 탐사는 로버를 이용해 원격으로 탐사가 이루어져 왔지만 다음 단계의 화성 탐사는 보다 정확한 분석을 위해 화성의 샘플을 지구로 가져오는 MSR (Mars sample return) 임무의 필요성이 제기되고 있다. 하지만 화성 표면에서 지질 샘플을 지구로 반환하려면 화성의 중력을 벗어나기 위한 높은 추력의 추진 시스템이 필요하다. 결과적으로 상당한 양의 추진제가 필요하게 된다. 기술적으로 지구에서 화성으로 돌아오기 위한 모든 추진제를 가져오는 것은 비현실적이고 비효율적이다. 이에 화성에서 추진제를 생산하는 In-situ 추진제 생산 (ISPP) 기술이 관심을 받으면서 NASA 등에서 활발한 연구가 진행되고 있다. 지금까지 화성탐사를 통해 얻은 정보에 따르면 화성은 대기의 95%가 이산화탄소 (CO2)로 이루어져 있다. 이산화탄소를 분해해 일산화탄소 (CO)와 산소 (O2)를 얻을 수 있다. O2는 연소에 필요한 산화제로 사용할 수 있으며, CO는 추진제 및 연료로 사용 가능하다. 또한 화성의 토양에는 5±2.5%의 마그네슘 (Mg)과 3.0±0.9%의 알루미늄(Al)이 함유되어 있다. 마그네슘과 알루미늄은 금속 추진제로 높은 비추력을 가지고 있어 비추력을 높이기 위한 첨가제로 많이 사용되고 있다. 특히 알루미늄은 15.485kJ/g의 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며, 무독성 연료 생성물로 화성 상승선 (Mars ascent vehicle, MSR)의 연료로 사용하게 적합하다. 본 연구에서는 이러한 화성의 자원을 활용하여 현장에서 추진제 생산을 위한 기술에 대해서 다음과 같은 연구를 수행하였다. 첫 번째로 플라즈마와 산화칼슘 (CaO)을 이용한 이산화탄소 포집에 관한 연구를 수행하였다. 산화칼슘을 이용한 Calcium looping (CaL) 공정은 재생 가능한 특성으로 저비용으로 운용 가능해 CO2 포집을 위한 우수한 흡착제로 주목받고 있다. 하지만 일반적인 CaL 공정은 650℃에서 CO2가 흡착되고 역반응은 950℃ 이상의 높은 온도에서 수행되기 때문에 에너지 효율의 문제는 개선되어야 하는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 플라즈마를 이용해 CO2 흡착률을 높이는 연구를 수행하였다. 플라즈마 여기된 CO2는 CaO 표면에 훨씬 더 흡착이 잘 되는 것을 확인하였으며, 플라즈마 여기된 CO2와 CaO 표면에서의 흡착 메커니즘 및 특성을 XRD, TPD 그리고 in-situ DRIFTS 분광법을 통해 규명하였다. 두 번째로는 저장된 CO2를 자원으로 활용하기 위해 CO2를 CO와 O2로 분해하는 연구를 수행하였다. CO2는 매운 안정적인 분자이기 때문에 2000℃ 이상의 온도에서 분해된다. 최근에는 높은 에너지 효율을 위해 플라즈마를 활용한 CO2 분해 연구가 진행되고 있다. 플라즈마는 적은 에너지로 고온의 에너지를 발생하며, 화학적으로 활성화시켜 반응성을 높일 수 있다. 특히 플라즈마와 촉매를 결합하면 여러 시너지 효과를 기대 할 수 있어 전환율과 에너지 효율을 상당히 개선할 수 있다. 하지만 이러한 성능 향상의 원인과 정확한 메커니즘은 아직까지 명확하게 밝혀지지 않고 있다. 본 연구에서는 Al2O3와 Ce/Al2O3 촉매가 CO2 전환율 및 에너지 효율에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 in-situ DRIFTS 분광법을 이용해 플라즈마 여기된 CO2가 촉매 표면에서 어떠한 작용이 일어나는지에 대한 분석을 수행하여 촉매가 결합된 플라즈마에서 CO2 분해 메커니즘을 분석하였다. 마지막으로 화성 토양의 3% 이상을 차지하고 있는 알루미늄을 화성 상승선의 연료로 사용하기 위한 금속 연료 점화 시스템에 관한 연구를 수행하였다. 알루미늄은 산화피막인 알루미나로 둘러 싸여있는데, 이 산화피막은 2200℃ 이상의 온도에서 용융되기 시작한다. 알루미늄 산화피막의 높은 용융점으로 인해 초기 점화를 위해 많은 에너지를 필요로 하고, 이로 인해 전체 추진 시스템의 효율이 떨어지게 된다. 본 연구에서는 고체 화학수소화물인 NaBH4를 이용한 자동 수소점화 시스템을 설계하였다. NaBH4는 500℃에서 열분해 되어 수소를 발생하며, 이 때 발생한 수소는 NaBH4의 열분해 온도에 의해 자동 발화된다. 수소 화염의 온도는 3200℃ 이상으로 알루미늄을 점화하기에 충분히 높은 온도이다. 산화제 공급 유량에 따른 NaBH4 열분해 특성을 분석하였으며, NaBH4 열분해 부산물의 가수분해 실험을 통해 분해율을 분석하였다. 30g의 NaBH4는 최대 110초간 수소 화염을 발생시켰다. 또한, NaBH4 자동 수소 점화 시스템으로 알루미늄 점화 실험을 통해 성능을 검증하였으며, 광검출기를 이용해 알루미늄 연소 시 가장 지배적으로 발생하는 AlO가 검출을 통해 알루미늄이 점화되었음을 확인했다.