현재까지 인공 위성은 발사 된 후 가지고 있는 연료가 고갈되면 버려지는 수 밖에 없었습니다. 인공위성이 자신의 궤도를 정확히 공전하면서 다른 위성과 충돌하지 않고 임무를 수행하려면 연료가 필요하게 마련인데 결국 이 연료가 다하면 아직 사용이 가능한 인공 위성이라도 수명이 다하게 될 수 있는 것입니다.
만약 우주에서 궤도를 돌고 있는 인공 위성에 연료를 재충전 해줄 수 있다면 인공 위성의 수명을 늘릴 수도 있고 발사 초기 부터 많은 연료를 탑재하지 않은 상태로 궤도에 올린 후 우주에서 연료를 보급해 더 높은 궤도로 이동시킬 수 도 있을 것입니다. 다만 우주 공간에서 연료 재보급은 난이도가 높은 데다 상당한 위험성도 따릅니다. 그럼에도 분명 여러가지 이점이 존재합니다.
(RRM 을 이용한 재보급 미션의 개념도 In space, a robot servicer could use propellant transfer technologies to extend the life of orbiting satellites (depicted, artist’s concept).
Image Credit: NASA )
나사는 다양한 우주 재급유 시스템을 개발중에 있는데 이는 로보틱 재급유 미션 (Robotic Refueling Mission RRM) 으로 알려져 있습니다. 2013 년 1월 14 일에서 25일까지 나사는 국제 유인 우주 정거장 (ISS) 에서 RRM 의 데몬스트레이션을 성공적으로 진행했습니다. 이 때는 에탄올을 이용한 급유 시스템만 확인했습니다.
RRM 은 로보틱 재급유라는 이름에서도 알 수 있듯이 로봇 팔처럼 생긴 장치가 나와서 재급유를 진행하는 방식입니다. 재급유 중에 두 물체가 고속으로 이동하는 것은 비행기나 우주선이나 마찬가지긴 하지만 공기중을 고속으로 비행하는 비행기는 흔들림이 존재하며 너무 가까이 다가서면 충돌의 위험성이 매우 큽니다. 그러나 우주선의 경우 속도와 궤도를 잘 맞추면 상대 속도가 거의 0 에 가까운 상태에서 안정적으로 근접할 수 있습니다. 이 상태에서는 급유봉보다 로봇 팔로 연료를 보충해 주는 것이 유리할 것입니다.
(2013 년 1 월 RRM 데몬스트레이션. The Robotic Refueling Mission, or RRM, investigation (center, on platform) uses the International Space Station's Canadarm2 and the Canadian Dextre robot (right) to demonstrate satellite-servicing tasks. Credit : NASA )
(재급유 시스템 (밸브와 노즐 툴 포함) 의 클로즈업 사진. 노즐 주변에 에탄올이 있음. Stray drops of ethanol remain on the RRM Nozzle Tool after it withdraws from the fuel valve and the newly attached "quick disconnect" fitting. Credit : NASA )
(RRM: Mission to the Future Delivers )
RRM 은 넓게 보면 우주에서 인공 위성과 우주선을 바로 수리하려는 계획의 일부입니다. 지금까지 이 임무는 매우 드물게 일어났으며 사람이 직접 가서 시행해 왔습니다. 대표적인 것은 바로 허블 우주 망원경 수리 미션이죠. 그러나 엄청난 비용과 시간, 그리고 위험을 동반해야 했습니다. 무인 로봇 우주선을 이용하는 것은 이 과정에 혁명을 일으킬 수 있습니다.
다만 위에 영상과 사진에서 보듯이 첫번째 미션에서는 에탄올이 일부 새는 문제가 있었고 이는 큰 사고 - 연료와 산화제가 새서 폭발한다고 가정할 경우 - 이어질 가능성이 있는 만큼 이를 개선할 필요는 있을 것입니다. RRM 은 현재 지상에서 개속해서 그 과정이 개선되고 있고 다시 우주에서 테스트를 진행할 예정입니다. (참고로 에탄올을 사용한 이유는 안전을 위해서였으며 실제 위성에서 연료로 사용하는 것은 아님. 에탄올도 불이 붙지 않느냐고 반문할 수 있으나 테스트 된 장소는 산소가 없는 우주 공간.)
첫번째 연료 공급 테스트를 진행한 나사는 이후 지상에서 로보틱 산화제 공급 테스트 - Remote Robotic Oxidizer Transfer Test (RROxiTT) 를 진행했습니다. 우주 공간에는 산소가 없으므로 연료를 연소시키기 위해서 뭔가 산화제를 공급해주어야 합니다. 이 과정은 연료 공급 보다 더 위험하고 복잡한 작업이 될 수 있기 때문에 나사의 고다드 우주 비행 센터와 Satellite Servicing Capabilities Office (SSCO) 의 연구자들은 이전 같은 실수가 없도록 노력하고 있습니다.
테스트할 산화제는 사산화 이질소 (Dinitrogen tetroxide N2O4) 로 로켓의 산화제로 널리 사용되는 물질입니다. 순수한 산소에 비해서 끓는 점이 21.69 °C 정도로 높아서 상대적으로 안전하지만 지구 주변 궤도를 공전하는 인공 위성들은 이 보다 높은 온도로 올라갈 수도 있기 때문에 20 기압 정도의 고압 탱크에 이 산화제를 저장하고 있습니다. 독성이 있는 물질로 취급에 매우 주의를 요하는 물질이기도 합니다.
(산화제를 공급하는 필요한 기술을 연구하기 위한 RROxiTT. Located at Kennedy but commanded from Goddard, the RROxiTT industrial robot mimics how future space robots could transfer oxidizer to satellites that were not designed to be serviced.
Image Credit: NASA/KSC )
(In this video, robotic arm operator Alex Janas introduces RROxiTT (Remote Robotic Oxidizer Transfer Test) while standing next to the robotic arm. )
나사에서는 2018 년에서 2023 년 사이에 실제 재보급 미션을 진행할 계획을 가지고 있습니다. 이것이 가능해 진다면 인공 위성의 수명만 연장하는 것이 아니라 자동차나 비행기 처럼 연료를 계속 보충받으면서 우주에서 다양한 미션을 진행할 수 있는 우주선의 개발이 쉬워질 것입니다. 한꺼번에 많은 연료를 탑재하지 않아도 된다면 더 연료를 제외한 부분을 더 많이 탑재하고 발사도 가능해 질 것입니다. 예를 들어 화성 유인 탐사선의 연료를 우주에서 보급해도 된다면 지상에서 발사 때부터 모든 연료를 탑재해야 하는 경우보다 훨씬 개발이 수월해질 것입니다.
대량의 연료를 우주에서 보급하는 문제는 미래의 과제이지만 아무튼 근미래에는 우주 재보급이 실제로 가능할 지 모르겠습니다.
참고
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