[정보] 우주탐사선에 사용되는 RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) 에 대해 알아보자.

BGM정보: http://heartbrea.kr/2703662

안녕 게이들아

추석연휴는 잘 보내고 있盧?

저번에 쓴 보이저탐사선의 스윙바이에 대한 글 http://www.ilbe.com/1982578874 에 예상외의 큰 관심보내줘서 고맙다.

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정보글을 쓰다보면 댓글로 비슷한 질문을 하곤 하는데 댓글로는 충분한 답변이 되지 못하는거 같아,

시간날 때마다 애프터 서비스? 개념으로 하나하나 써보려고 한다.

윗게이 들 말대로, 저렇게 심우주를 탐험하는 우주선이 지금까지도 작동할 수 있게 하는 에너지원이 무엇일까?

달여행을 다녀온 아폴로 우주선은, 우주선안에 풍부한 액체수소와 산소를 이용한 연료전지를 실용화해서 탑재했고

인공위성.jpg

우주정거장이나 인공위성들은 태양전지를 사용하지.

그런데 태양과 멀리 떨어진 심우주에서 태양빛으로 발전을 할수는 없잖아? 긴 세월동안 쓸 수소와 산소를 무한정 싣고갈 수도 없는 노릇이고.

오늘은 무인우주탐사선에 이용되는 RTG라는 녀석에 대해서 간단히 알아보자.

(카시니-하위헌스 호에 사용된 RTG의 구조)

RTG(Radioisotope Thermoelectric Generator)를 한국말로 하면 '방사성동위원소 열전기 발전기' 야.

즉, 방사성동위원소가 자연적으로 반감하면서 생기는 열을 전기로 바꿔주는 기계를 뜻해.

우주선의 장치들이 공통적으로 전기에너지를 얻는 이유는, 전기에너지가 다른에너지(열,전파,동력 등)로 변환하기에 가장 간편하기 때문이겠지?

생명체들이 ATP를 에너지원으로 쓰는것처럼 말이야.

플루토늄이나 우라늄 같은 방사성 동위원소를 '핵발전'에 쓸 때는 주로 핵분열을 이용하지만,

이 RTG기계에서는 자연적으로 붕괴하면서 열과 방사선을 내뿜도록 두는 차이가 있어.

277px-Thermoelectric_Generator_Diagram.svg.png

먼저 열전효과(제베크Seebeck효과) 에 대한 이해가 필요한데,

그림과 같이 두 종류의 금속선을 접속해서 폐회로 열전쌍(thermocouple)를 만들고 그 두 접합부를 서로 다른 온도로 유지하면,

금속들 안의 전자들이 열운동을 하면서 기전력이 생겨 회로에 전류가 흐른다.

(수식 좋아하는 게이들 위해)

전류밀도(current density) J는

$\\mathbf J = \\sigma (-\\boldsymbol \\nabla V + \\mathbf E_{\\rm emf})$

$\\scriptstyle \\sigma$ : 비저항, V : 전압, Eemf : 기전력

$\\mathbf E_{\\rm emf} = - S \\boldsymbol\\nabla T$

기전력은 제베크 상수 S와 온도차 $\\scriptstyle \\boldsymbol \\nabla T$ 의 곱으로 나타낼 수 있다.

쉽게 말하면 뜨거운곳과 차가운곳에 전극을 꼽으면 전류가 흐른다는 거야.

그래서 RTG는 간단하게 방사성 동위원소 물질 덩어리와 여기에 부착된 전극 으로 이루어져 있어.

(아폴로 우주선이 달에 두고온 RTG의 구조. 달에서 사용할 관측장비의 전력공급 용도로 사용된다.)

온도차가 많이 날수록 효율이 좋아지기 때문에 가운데의 core에 방사성물질을 놓고, 주변에 방열판(Heat Rejection Fin)이 달려있는 걸 볼 수 있지?

대부분 RTG의 공통적인 모양이 이러하다.

발전기의 연료인 방사성 동위원소를 담고 있는 튼튼한 용기와,

이 용기 바깥에는 열전효과를 이용해 열 에너지를 전기에너지로 변환하는 열전대가 자리하고, 각각의 열전대는 방열판에 연결되어 있다.

용기안에 저장된 방사성 동위원소의 방사성 붕괴는 열을 방출하고, 이 열은 탈열기에 연결된 열전대를 통하면서 전기를 생산하게 되.

Radioisotope_thermoelectric_generator_plutonium_pellet.jpg

RTG에 들어갈 플루토늄-238 의 펠렛pellet. 열받아서 빠알갛노?

RTG에 사용되는 방사성동위원소들은 다음과 같은 특징을 가져야 하는데,

1. 반감기가 길어, 에너지를 길고 안정적으로 생산해야 하며, 또한 반대로 반감기가 짧아 필요한 만큼의 열을 생산해야 한다.

2. 우주용으로 사용될경우, 방사성 동위원소의 양 대비 에너지 밀도가 높아야 한다.

3. RTG에 쓰이는 방사성동위원소는 침투력이 약한 고에너지 알파선을 방출해야 한다.

-이건 최대한 방사선에 의한 2차오염을 막기 위해서인데, 베타선을 방출하면 X선을 차폐해야 해서 무게가 무거워지고, 감마선은 2차적인 방사능물질을 만들기 때문이야.

238Pu플루토늄, 244Cm퀴륨, 90Sr스트론튬은 3가지 조건을 만족하는데,

특히 238Pu는 반감기도 87.7년으로 긴 편이고, 2.5mm두께의 납으면 차폐가 가능하다는 장점이 있어서 가장 많이 쓰여.

러시아에서 개발한 RTG에는 90Sr이 들어가는데, 스트론튬 90은 에너지 밀도도 낮고, 감마선을 방출하지만 플루토늄 238보다 가격이 싸다는 장점이 있다.

(이건 나중에 또 설명할게)

(백마찡이 카시니호에 들어갈 RTG의 방사선을 검사하고 있다)

RTG는 1년 동안 연료가 0.787%가 줄어들고, 발전기의 열전대도 시간이 가면 갈수록 성능이 떨어지게 되어, 반감기 정도가 지나면 급격하게 출력이 떨어져 성능을 잃는다고 보면 된다. 그래서 보이저 1호의 예상 수명을 2030년으로 보고 있지.

출력비(출력 대 무게 비, W/kg)가 리튬 이온 전지의 100분의 1 수준이니까 그리 효율적인 전력원이라고 할 수는 없지만, 화학전지와는 달리 어떠한 조건에서도 반감기가 될때까지 수십 년 동안 안정된 전력을 공급해줄 수 있다는 점이 가장 큰 장점이야.

복잡한 이론은 여까지 하고 RTG의 용도를 알아보자!

1. 우주탐사선 동력원

(파이어니어 10호)

voyager 1.gif 보이저 1호

카시니 - 하위헌스호 (호이겐스호)

(RTG가 튀어나와있는 뉴 호라이언스 호)

RTG는 주로 태양 빛이 약해서 태양전지를 쓸 수 없는, 보이저 1, 2호 같은 태양계 외곽의 우주 탐사선의 동력원으로 쓰여.

2012년 8월 6일 화성에 착륙한 큐리오시티도 RTG를 사용했는데, 굳이 무거운 원자력 전지를 탑재한 이유는 바로 화성의 모래폭풍 때문이라고 해.

지금 보니 대부분의 무인 우주탐사선은 RTG가 뾰족 튀어나와 있구나 ㅎㅎ

파이어니어 10, 11호, 보이저 1·2호, 갈릴레오, 율리시즈, 카시니, 뉴호라이즌 탐사선이 RTG를 사용했어.

NASA에서는 원자력 보조 전력체계 프로그램(Systems Nuclear Auxiliary Power Program, SNAP)이라고 부르는 듯.

2. 착륙선이나 무인탐사기구의 동력원

무인으로 오랫동안 방치될 곳에 사용되면 유용하겠지? 따로 전력관리를 안해도 되니 말야.

최초로 사용된 RTG도 1966년 미 해군의 알래스카 Fairway Rock 섬의 주거지에 사용돼, 1995년에 제거되기 전까지 계속 전기를 공급하였어.

또한 알래스카에 있는 미 공군의 Top-ROCK와 Save-Igloo 무인 탐지시설의 전력을 공급하고 있고,

바이킹 착륙선의 전력을 공급했으며, 아폴로 12호부터 17호까지 달에 내려놓은 과학실험 장비에도 실렸다.

님버스 기상위성, 트랜싯 항행위성 그리고 링컨 실험 위성등에 실려 있다고 해.

3. 러시아의 RTG

원자력 전지를 관리도 안될정도로 마구 뿌리는것도 문제이니...

예전에 소련에서 무인등대를 돌리기 위해서 RTG를 마구마구 만들어냈는데(값싼 90Sr로), 이것들은 파손이나 도난 우려가 매우 높으며, 몇몇 등대는 취약한 문서관리로 잊혀지게 되었어. 만약 도둑이 방사성동위원소가 들어있는 부분을 열 경우, 치명적인 방사능 오염이 예상돼...

(소련에선 방사능이 바다를 떠다닙니다!)

4. 심장 페이스메이커

과거 작은 "플루토늄 전지" (조그마한 238Pu를 동력으로 하는 RTG)가 심장박동조절기에 삽입되었으며,

2004년 약 90개의 심장박동 조절기가 아직도 RTG를 사용하고 있다. 이사람들도 서류로 관리되고 추적되고있다고 해.

현재의 페이스메이커의 전력원은 리튬 전지. 예전 이렇게 오래가는 전원은 RTG밖에 없었으니 어쩔 수 없었으리라고 봐.

Pacemaker rtg.jpg

5. 미래추진엔진 - REP (Radioisotope Electronic Repulsion)

게이들 이온엔진은 들어 봤노?

화학엔진의 연료연소가 아니라 플라즈마를 전기로 가속시켜서 뿜어주는 엔진으로, 비추력은 낮지만 구조가 간단하고 연료가 적게 들어서

장거리 우주여행에 사용되리라 기대되는 이온엔진이야.

플라즈마 가속에 사용될 전기를 RTG로 얻겠다는 아이디어지.

아직 실용화는 되지 않았지만 '장거리, 장기간'에 특화된 이온엔진과 RTG의 콜라보가 기대된다. ㅎㅎ