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2013년 1월 17일 목요일

우주에서 풍선처럼 확장되는 확장 모듈 (Expandable modules)




 우주 개발의 역사에서 가장 큰 문제가 되는 것은 지구의 중력과 두터운 대기를 뚫고 최소한 저지구 궤도 (LEO) 까지만 물자를 실어나르는데도 엄청난 비용이 든다는 점입니다. 따라서 가능한 작고 가볍게 만드는 기술이 항상 고려의 대상이었습니다. 그 중에서 이미 1950 년대 그 아이디어가 나왔던 기술 가운데 하나가 일단 발사시에는 접혀 있다가 우주에는 풍선 형식으로 커지는 모듈입니다. 




(Bigelow 의 확장 모듈이 ISS 에 부착된 상상도   Credit : Bigelow Aerospace) 


 이 사업에 본격적으로 뛰어든 벤처 기업이 비글로 에어로스페이스 (Bigelow Aerospace) 로 최근 2015 년에 ISS 에 BEAM (Bigelow Expandable Activity Module ) 이라는 작은 풍선 확장식 모듈을 궤도에서 실험할 계획입니다. 이 모듈은 이전에 소개한 드래곤 (Dragon  :  이전 포스트 참고 http://blog.naver.com/jjy0501/100158684055  ) 우주선의 화물칸에 실려 우주로 이동하게 되며 일단 확장된 다음에 24 개월간 궤도상에서 안전성 등을 실험하게 됩니다. 


 풍선을 이용한 우주 모듈이라고 하면 의외로 생각될 지 모르지만 사실 위에서 언급한 이유로 역사가 꽤 오래된 아이디어 입니다. 1959 년 나사에서는 이런 풍선식 확장 모듈을 실제로 실험하기도 했습니다.



(1959 년 시험중인 나사의 풍선식 모듈 프로토 타입   Credit  : NASA ) 


 하지만 역시 당시의 소재기술로는 한계가 존재할 수 밖에 없었습니다. 안전성 및 내구성에서 이런 확장 모듈은 아이디어 자체는 오래전에 나왔지만 결국 현재까지 실용화되지 못하고 있었습니다. 하지만 21 세기에 이르러 소재 과학은 정말 엄청나게 발전했고 온갖 종류의 섬유 소재가 방탄은 물론 내열 소재로 널리 사용되고 있습니다. 따라서 초고강도 소재로 된 확장가능한 풍선 모듈이 불가능할 이유는 없어 보입니다. 


 안전성 문제에 대해서도 신소재 섬유를 사용해서 여러 겹과 층으로 만들게 되면 미세 운석이나 우주 쓰레기의 충돌 문제에 대해서 매우 안전한 모듈을 만들 수 있습니다. 풍선은 우리가 흔히 보는 놀이용 풍선 처럼 한층이 아니라 여러층으로 되어 있어 하나가 찟어지더라도 안전하고 완충하는 층이 존재해 외부의 극한적인 온도 변화에서 내부의 승무원을 보호할 수 있습니다. 




(나사가 구상하는 확장형 거주 모듈. 모듈 중앙에는 금속 프레임으로 된 중앙 거주구가 있고 주변은 여러겹으로 된 풍선이 공기의 압력에 의해 부풀어서 모양을 갖추고 있는 형태. 잘 보면 외각층도 한겹이 아나아 여러겹으로 되어 있는 상태. 주변은 진공에 가까운 상태이므로 공기의 압력으로 형태를 유지할 수 있음. Credit : NASA) 


 비글로 에어로스페이스는 2006 년 부터 나사의 지원을 받았으며 이미 Genesis I 과 Genesis II 라는 실험 모듈을 2006 년과 2007 년 성공적으로 발사해서 지금까지 궤도에서 테스트 중에 있습니다. 



(2006 년 발사되어 이글을 쓰는 현시점까지 저지구궤도에서 공전 중인 Genesis I 확장 모듈. Credit : Bigelow Aerospace )  


 Genesis I/II 확장 모듈 (expandable module) 는 내부 공간이 11.5 ㎥ 정도 되는 작은 테스트 모듈이었습니다. BEAM 역시 비교적 작은 크기로 테스트 모듈의 역할을 하게 됩니다. 작게 접은 후 우주에서 펼쳐지는 모듈의 장점도 크기는 하지만 오랬동안 테스트를 해서 안전성에 문제가 없는지도 확인해야겠죠. 



(BEAM 확장 모듈의 풀 스케일 목업 모델    Credit : NASA ) 


 비글로 에어로스페이스가 계획하는 대형 우주 모듈은 BA 330 으로 2014 - 2015 년 발사를 계획하고 있습니다. 이 모듈은 이름처럼 확장하면 330 ㎥ 이란 제법 큰 크기를 가지고 있는데 중량은 20 톤 정도 입니다. 길이는 14 미터 지름은 6.7 미터 정도 입니다. 



(BA 330 의 상상도   Credit : Bigelow Aerospace) 


 이것이 가능하다면 이후에는 올림푸스 (Olympus) 혹은 BA - 2100 이라고 불리는 대형 확장 모듈이 계획 중입니다. 중량은 70 - 100 톤 수준이고 내부 공간은 2100 ㎥ 이나 됩니다. 크기는 길이 17.8 미터에 지름 12.6 미터를 계획하고 있습니다. 



(BA 2100 의 상상도    Credit : Bigelow Aerospace ) 


 비글로 에어로스페이스는 이를 이용한 일종의 사업 모델도 생각하고 있습니다. 이른바 우주 호텔 같은 우주 관광 사업이죠. 2010 년에 발표하기로는 30 일간 궤도에서 머무는 비용으로 2300 만 달러를 제시한 바 있습니다. 물론 향후에 달 유인 기지등에도 이 확장 모듈 기술이 활용될 수 있을 것으로 생각됩니다. 달까지 보낼 수 있는 물자는 한정되어 있기 때문에 가능하면 적은 물자로 건설할 수 있는 기지가 필요합니다. 현재는 거주 모듈을 실제로 만들고 지상에서 테스트 하고 있습니다. 






 
(지상 테스트 기지인 알파의 밖과 내부   Credit : NASA ) 


 안전성, 내구성, 성능 테스트가 성공적으로 끝나게 되면 이런 확장식 거주 모듈은 그다지 신기하지 않은 미래 우주 기지의 표준적인 형태가 될 가능성도 있습니다. 다양한 형식의 확장식 모듈이 테스트 중인데 사실 예산 문제만 해결될 수 있다면 확장 모듈의 미래는 밝을 것으로 생각되니다. 문제는 역시 우주 개발 역시 예산 삭감의 칼날을 피해 갈 수 없다는 것이겠죠. 


 참고 







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