한수원블로그
삶에 활력(力)을 더하는 이야기
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원자력을 에너지로 쓰는 우주선, 보이저호

  • 2016.09.23.
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Two people sitting on a car during sunset
퍼스트 클래스라도 480시간은 글쎄..

지구의 교통수단은 대부분 석유, 석탄과 같은 화석연료를 사용합니다. 그러나 이런 형태의 연료들을 우주에서 사용하기란 거의 불가능에 가깝습니다. 우리가 일반적으로 생각하는 거리의 단위와 우주에서 사용하는 거리의 단위는 매우 다르기 때문이죠. 가장 가까운 달까지의 거리만 해도 38만 4,000Km입니다. 일반적인 비행기 속도인 시속 800km로 간다고 해도, 480시간(20일)이 걸립니다.

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휴게소가 없는 무제한의 고속도로

평균 온도는 영하 260도, 소리도 들리지 않고 산소도 없는 우주는, 기름이 떨어졌다고 해서 중간에 들릴 주유소도 없습니다. 맛있는 맥반석 오징어를 사 먹을 휴게소도 없지요. 이러한 극한 환경의 우주에서 사용할 수 있는 에너지원은 매우 적습니다. 태양열을 기반으로 하는 태양전지와 원자력 정도가 있죠. 그 중 인류가 가장 먼저 선택한 것은 원자력입니다. 1950년대부터 우주기술의 선진국인 미국, 러시아를 중심으로 개발하기 시작합니다

Artist's Concept of Voyager
38년째 마라톤을 뛰는 중

원자력을 기반으로 하는 원자력전지, 핵융합&핵분열, 로켓원자로 등에서 가장 널리 사용된 기술은 원자력 전지(방사성 동위원소 전지) 입니다. 가운데 위치한 융합로에서 발생한 핵분열이 공기를 팽창시켜 추진력을 얻는 기술은, 1965년 러시아(구 소련)이 처음으로 실제 발사에 성공했습니다. 그리고 50년이 지난 지금, 인류는 이 원자력 전지를 이용해 태양계를 벗어나 성간 우주(Interstellar Space)를 향해 달려가고 있습니다. 38년째 달려가고 있는 보이저 1, 2호 입니다.

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답장받는데 걸리는 시간: 18시간 45분

보이저 1호는 미국 NASA의 우주탐사 목적으로 1977년, 보이저 2호는 1979년에 발사되었습니다. 현재 지구로부터 202억km, 166억km 거리에 있는데, 이것은 지금 보이저 1호에 문자 메시지를 보낸다고 해도 빨라야 18시간 45분 뒤에 답장이 도착하는 거리라고 합니다. 보이저 우주선들은 화성을 제외한 모든 외행성들을 방문했습니다. 우리가 보았던 4개의 외행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성) 사진들은 전부 보이저 2호가 찍은 사진들입니다.

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휘발유 대신 원자력 전지를 사용하는 이유

지구에서 발사되는 대부분의 우주선들은 탑재된 장비를 구동하는 데 태양전지를 활용합니다. 그러나 보이저호는 태양과 매우 많이 떨어져 있기 때문에 원자력 전지를 사용합니다. 보이저호에 사용된 원자력 전지는 플루토늄 238입니다. 반감기가 약 88년으로 길지만(인간의 관점에서) 1년마다 0.787% 이상의 성능이 감소하고 있습니다. 기존의 470W의 출력이 2001년에는 315W(기존 67%)로 줄어들었으며, 2009년에는 58%로 떨어졌습니다. 2030년이 지나면 탑재된 장비들이 작동하지 않으며, 지구와 교신도 불가능할 것으로 예측됩니다.

modern satellite orbiting over mars "Elements of this image furnished by NASA"
보이저호를 유지하는 3개의 시스템

사실 우주는 중력이 없기 때문에 속도가 가속되면, 그 관성으로 인해 계속 날아갈 수 있어 전력이 따로 필요하지 않습니다. 실제 보이저호에 전력이 필요한 것들은 시스템 전력입니다. 보이저호에는 총 3가지의 시스템이 장착된 컴퓨터 2대가 실려 있습니다. 지구에게 명령을 받고 문제를 계산하는 컴퓨터 명령 시스템(CCS), 카메라 같은 과학 장비제어와 데이터를 수집하는 비행 데이터 시스템(FDS), 탐사선의 항로를 컨트롤 하는 자세 제어 시스템(AACS)이 보이저호를 유지하고 있죠.

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50년 된 저장장치, 8트랙 테이프

3대의 원자력 전지로부터 전력을 공급받는 이 시스템 컴퓨터는 총 메모리가 68KB(초당 수행 명령 8천 개) 라고 합니다. 오늘날 사진 1장의 용량이 1MB를 넘어가는 것을 생각하면 놀라울 따름이죠. 램이 작은 탓에 기억장치가 따로 달려있습니다. 놀라지 마세요. 카세트테이프 입니다. 그것도 일반 카세트보다 더 작고 오래된(1964년 발명) 8트랙 테이프입니다. 물론 보이저호가 70년대에 만들어졌다는 것을 감안해야겠죠?

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언제쯤 화성에 갈 수 있을까?

그렇다면, 원자력 전지를 활용해서 조만간, 화성으로 사람이 직접 갈 수 있을까요? 과학자들에 따르면 지금의 기술로는 불가능에 가깝다고 합니다. 지금 인류의 기술로는 화성 왕복에만 1년 이상이 소요된다고 합니다. 그렇게 긴 기간 동안 사람이 살기 위해서는 엄청난 전기 에너지가 필요합니다. 그러나 원자력 전지 400W로는 기껏해야 전구 10개를 동시에 킬 수 있다고 합니다. 그래서 더욱 대용량으로 전력 생산이 가능한 원자력 엔진 개발이 진행되고 습니다

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미래의 원자력 엔진은 어떨까

현재 러시아는 태양전지의 20~30배 성능을 보여주는, 메가와트급 전력을 생산하는 원자력 엔진을개발 중입니다. 이론적으로는 석유, 석탄 등의 화학연료보다 비추력(추진제 1kg이 1초간 소비할 때 발생하는 추력)이 20배 이상 뛰어난 플라스마 엔진에 전기를 공급할 수 있다고 합니다. 추력은 쉽게 말해 공기가 밀어내는 힘이라고 생각하시면 됩니다. 미 항공우주국(NASA)는 2030년 상용화를 목표로 가변 비추력 전자 플라즈마 로켓을 개발 중이라고 합니다.

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보이저호는 어디쯤 있을까?

보이저호는 지금도 초당 17Km의 속도로 성간 우주를 비행하고 있습니다. 별과 별 사이를 오고 가는 성간 비행이지만, 다른 별(항성)에 도착할 가능성은 거의 없습니다. 태양계에서 가장 가까운 항성인 프록시마를 가는 데만도 4.2 광년, 지금 보이저호의 속도로는 7만 년이 걸리기 때문이죠. 그럼에도 생각이 날 때마다 보이저호의 위치를 확인하는 것은 꽤나 재미있습니다.

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보이저호의 위치를 실시간으로 만나보세요

NASA에서는 실시간으로 보이저호와 지구의 거리를 볼 수 있는 페이지를 제공하고 있습니다. http://voyager.jpl.nasa.gov/where/index.html 를 클릭하면 실제 보이저호와 여러분의 거리가 얼마나 떨어져 있는지 확인할 수 있습니다. 방금 확인해보니 20,360,651,960Km 떨어져 있네요. 여러분은 얼마나 떨어져 있나요?

글 : 윤용현 필진
ⓒ사진출처
www.youtube.com/watch?v=KhY8U2tYV3Y
mars.nasa.gov
en.wikipedia.org
pics-about-space.com

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