소유즈 우주선의 국제우주정거장(ISS) 여행 및 아폴로 우주선의 달 탐사 여행 시 우주인이 받는 방사선 피폭량을 계산하였다. 우주여행 시나리오에 따라 고도, 탑승 및 체류시간, 우주선과 우주복의 재질 및 두께 등을 고려하였다. 계산결과 우주선체와 우주복의 두께가 증가함에 따라 피폭량이 급격하게 감소하였다. 저궤도환경에서 소유즈 우주선의 국제우주정거장 여행 시 최적으로 줄이기 위한 우주선의 두께는 3 cm였다. 선외우주복에 대한 우주인의 피폭치를 계산한 결과, Mylar 재질은 4 cm 이상, Demron 재질은 5 cm 이상에서 피폭량이 평탄해졌다. 알루미늄이 코팅된 Mylar 재질이 고원자번호로 구성된 Demron 재질보다 차폐성능이 우수하였다. 국제우주정거장 여행 시 방사선 총 피폭량은 $4.2\times10^{-6}$ Sv이며, 달 탐사에서 우주인의 방사선 총 피폭량은 $4.3\times10^{-5}$ Sv였다. 한편 아폴로 우주선을 탑승한 우주인의 피폭량이 달 근처에서 높았는데 그 이유는 우주방사선이 달표면의 입자와 충돌하여 2차 중성자와 양성자가 방출되어 달 표면에 방사능이 많기 때문이다. 본 연구의 계산절차와 결과는 우주선과 우주복의 차폐해석에 활용될 수 있을 것이다.
소유즈 우주선의 국제우주정거장(ISS) 여행 및 아폴로 우주선의 달 탐사 여행 시 우주인이 받는 방사선 피폭량을 계산하였다. 우주여행 시나리오에 따라 고도, 탑승 및 체류시간, 우주선과 우주복의 재질 및 두께 등을 고려하였다. 계산결과 우주선체와 우주복의 두께가 증가함에 따라 피폭량이 급격하게 감소하였다. 저궤도환경에서 소유즈 우주선의 국제우주정거장 여행 시 최적으로 줄이기 위한 우주선의 두께는 3 cm였다. 선외우주복에 대한 우주인의 피폭치를 계산한 결과, Mylar 재질은 4 cm 이상, Demron 재질은 5 cm 이상에서 피폭량이 평탄해졌다. 알루미늄이 코팅된 Mylar 재질이 고원자번호로 구성된 Demron 재질보다 차폐성능이 우수하였다. 국제우주정거장 여행 시 방사선 총 피폭량은 $4.2\times10^{-6}$ Sv이며, 달 탐사에서 우주인의 방사선 총 피폭량은 $4.3\times10^{-5}$ Sv였다. 한편 아폴로 우주선을 탑승한 우주인의 피폭량이 달 근처에서 높았는데 그 이유는 우주방사선이 달표면의 입자와 충돌하여 2차 중성자와 양성자가 방출되어 달 표면에 방사능이 많기 때문이다. 본 연구의 계산절차와 결과는 우주선과 우주복의 차폐해석에 활용될 수 있을 것이다.
Radiation exposures of an astronaut during the space travels to the International Space Station(ISS) of the Soyuz and the Moon of the Apollo, were calculated considering the altitude, boarding time, period of stay, kinds of spaceships and space suits. The calculated radiation exposures decrease dram...
Radiation exposures of an astronaut during the space travels to the International Space Station(ISS) of the Soyuz and the Moon of the Apollo, were calculated considering the altitude, boarding time, period of stay, kinds of spaceships and space suits. The calculated radiation exposures decrease dramatically according to the thickness of the shielding by the wall of the spaceships and by the space suits. For the space travel to the ISS of Soyuz at Low Earth orbit, the thickness of the spaceship required to optimally reduce the radiation exposure is 3 cm. For the Extravehicle Mobility Unit(EMU) the exposures are minimized at 4 cm of the aluminized Mylar and 5 cm of the Demron, respectively. The aluminized Mylar showed better radiation shielding than the Demron which contains the high Z materials. The radiation exposures of an astronaut were $4.2\times10^{-6}$ Sv for the ISS travel and $4.3\times10^{-5}$ Sv for the Moon explore. The high concentration of the high energy proton flux at the surface of the Moon results in high radiation exposure. The calculation scheme and results of this study can be used in the design of the shielding performance of a spaceship and space suits.
Radiation exposures of an astronaut during the space travels to the International Space Station(ISS) of the Soyuz and the Moon of the Apollo, were calculated considering the altitude, boarding time, period of stay, kinds of spaceships and space suits. The calculated radiation exposures decrease dramatically according to the thickness of the shielding by the wall of the spaceships and by the space suits. For the space travel to the ISS of Soyuz at Low Earth orbit, the thickness of the spaceship required to optimally reduce the radiation exposure is 3 cm. For the Extravehicle Mobility Unit(EMU) the exposures are minimized at 4 cm of the aluminized Mylar and 5 cm of the Demron, respectively. The aluminized Mylar showed better radiation shielding than the Demron which contains the high Z materials. The radiation exposures of an astronaut were $4.2\times10^{-6}$ Sv for the ISS travel and $4.3\times10^{-5}$ Sv for the Moon explore. The high concentration of the high energy proton flux at the surface of the Moon results in high radiation exposure. The calculation scheme and results of this study can be used in the design of the shielding performance of a spaceship and space suits.
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문제 정의
본 연구에서는 다양한 우주환경에 인체가 노출될 때의 방사선 피폭량을 계산하는 것으로써 우주왕복선, 우주정거장 등의 차폐조건에서 우주복의 차폐성능 설계에 도움이 될 것이다. 더 나아가 우주방사선 환경에 노출되는 반도체의 차폐체 설계, 내방사선 요건개발 등에 직접적으로 파급될 수 있으며 우주복 설계에 도움을 줄 것이 다.
가설 설정
1. 선내우주복에서 피부와 인접한곳 산소층은 매우 얇으므로 무시한다.
6. 우주방사선은 인체에 균질하게 피폭된다.
5는 우주공간에서 선내에서 우주복을 입은 우주인과 선외에서 우주복을 입은 우주인 모형을 각각 나타내었다. 방사선장을 구(Sphere)로 설정하였고, 구의 미소표면이 선원이 되어 우주인의 방향으로만 향한다고 설정하였다. 우주인은 ICRP에서 권고한 ICRU의 구로 선정하였다.
제안 방법
MCNPX 계산 수행을 위하여 우주여행 시나리오, 우주방사선 환경, 차폐체 설정 등에 따라 세부 Case로 구분하였다. Table 8은 소유즈 일정을 바탕으로 Case 1∼Case 4로 나누었고, Table 9은 아폴로 탐사 일정을 바탕으로 Case 5∼Case 9로 나누었다.
인체로부터 생성되는 열을 식히기 위한 LCVG(Liquid Cooling and Ventilation Garment)층, 외부환경과의 압력 차단 및 팽창을 막는 압력 수트(Pressure Suit)층 그리고 가장 바깥층인 TMG(Thermomechanical Garment)가 있다[19]. TMG층은 다시 5개의 세부 층으로 나뉘는데 이 가운데 절연기능과 방사선 차폐 기능을 담당하는 Aluminized Mylar(알루미늄으로 코팅된 Mylar)와 ERL(Energetic Radiation Layer)에 쓰이는 Demron의 방사선 차폐특성을 비교하였다. 이 재질을 중심으로 안쪽을 PBZO(P-phenylene Benzobisoxazole)재질로, 바깥쪽을 테프론 재질을 설정하였다.
두 번째 시나리오에서는 우주방사선 환경을 저궤도, 우주공간과 달 표면 환경으로 나누었다.
이들의 논문은 차폐체로 알루미늄과 폴리에틸렌 재질을 고려하였기 때문에 실제 우주선의 재질 및 우주복의 재질에 대한 차폐해석과 거리가 있다. 본 연구에서 차폐체는 실제 우주선 및 우주복의 재질들을 적용하였고, 두께 및 재질 변화에 따라 MCNPX를 이용하여 계산하였다.
두 번째 시나리오에서는 우주방사선 환경을 저궤도, 우주공간과 달 표면 환경으로 나누었다. 여기서 우주공간과 달 표면에서 양성자, 감마선의 에너지에 따른 플럭스 측정 자료는 문헌을 이용하였다. Table 2는 우주공간에서 천문 관측 위성인 ISO(Infrared Space Observatory)에서 CREME96 model이 계산한 에너지에 따른 양성자 플럭스의 비율을 나타낸 것이고, 감마선 및 X 선 측정용 위성인 INTEGRAL에서 계산된 에너지에 따른 감마선 플럭스의 비율을 나타낸 것이다[13, 14].
우주공간에 체류하게 되는 우주인의 방사선 피폭량을 계산하였다. 피폭량 계산을 위하여 두가지의 시나리오를 상정하였고, 여정상의 방사선 환경 자료를 얻었다.
Steve Johnson은 조직당량 계측기를 이용하여 실제 우주방사선량을 측정하였다. 이 결과를 이용하여 저궤도에서 우주왕 복선에 탑승한 우주인의 한도 방사선량을 제시하였다. 또한 NASA 우주인들의 방사선 피폭을 최소화하기 위한 건강 보호 프로그램을 구축하였다 [4].
TMG층은 다시 5개의 세부 층으로 나뉘는데 이 가운데 절연기능과 방사선 차폐 기능을 담당하는 Aluminized Mylar(알루미늄으로 코팅된 Mylar)와 ERL(Energetic Radiation Layer)에 쓰이는 Demron의 방사선 차폐특성을 비교하였다. 이 재질을 중심으로 안쪽을 PBZO(P-phenylene Benzobisoxazole)재질로, 바깥쪽을 테프론 재질을 설정하였다.
첫 번째 시나리오는 지구에서 ISS까지와 ISS이지구주위를 선회하는 두 가지 환경으로 나누었다. 첫 번째 환경은 SPENVIS[11] 프로그램이 측정할 수 있는 가장 낮은 고도인 100 km에서부터 ISS의 고도 386 km까지 1년 동안의 평균 양성자와 전자의 에너지에 따른 플럭스이며 Fig.
우주공간에 체류하게 되는 우주인의 방사선 피폭량을 계산하였다. 피폭량 계산을 위하여 두가지의 시나리오를 상정하였고, 여정상의 방사선 환경 자료를 얻었다. 지구 주변에서의 방사선 환경은 SPENVIS 프로그램을 통해 양성자와 전자의 플럭스 값을 얻었다.
대상 데이터
Table 1은 Cheenu Kappadath가 10년간 정지궤도에서 측정한 감마선의 평균 에너지 플럭스를 나타낸 것이다[12]. 감마선은 투과력이 강하고 비정(Range)도 길기 때문에 감마선 비율이 최대일 것으로 예상되는 정지궤도의 감마선의 에너지에 따른 플럭스를 이용하였다.
이러한 재질로는 알루미늄, 철, 티타늄, 텅스텐의 금속 또는 합금이 있다[18]. 소유즈 우주선과 ISS의 거주모듈인 즈베즈다(Zvezda)의 선체재질은 알루미늄 합금으로 구성되어 있다. 아폴로 우주선의 내벽은 알루미늄 합금, 외벽은 스테인리스로 구성되어있다.
지구 주변에서의 방사선 환경은 SPENVIS 프로그램을 통해 양성자와 전자의 플럭스 값을 얻었다. 우주공간과 달 표면에서의 방사선 환경은 각각 Bernabeu의 연구와 Tripathi와 Lee의 데이터를 이용하였다. 우주선 및 우주복 두께를 변경 시키면서 우주인의 방사선 피폭량은 MCNPX 프로그램을 사용하여 계산 하였다.
방사선장을 구(Sphere)로 설정하였고, 구의 미소표면이 선원이 되어 우주인의 방향으로만 향한다고 설정하였다. 우주인은 ICRP에서 권고한 ICRU의 구로 선정하였다. 우주인의 방사선 피폭량을 얻기 위해서는 특정 모델에 의존하지 않는 일반적인 방법으로 계산을 수행 하면 인체의 조직 및 장기의 방사선 피폭량을 일일이 계산하기 어렵다.
첫 번째 시나리오는 지구에서 ISS까지와 ISS이지구주위를 선회하는 두 가지 환경으로 나누었다. 첫 번째 환경은 SPENVIS[11] 프로그램이 측정할 수 있는 가장 낮은 고도인 100 km에서부터 ISS의 고도 386 km까지 1년 동안의 평균 양성자와 전자의 에너지에 따른 플럭스이며 Fig. 3에 나타내었다. 두 번째 환경은 지구를 선회하는 ISS의 경사각이 51.
데이터처리
우주공간과 달 표면에서의 방사선 환경은 각각 Bernabeu의 연구와 Tripathi와 Lee의 데이터를 이용하였다. 우주선 및 우주복 두께를 변경 시키면서 우주인의 방사선 피폭량은 MCNPX 프로그램을 사용하여 계산 하였다.
피폭량 계산을 위하여 두가지의 시나리오를 상정하였고, 여정상의 방사선 환경 자료를 얻었다. 지구 주변에서의 방사선 환경은 SPENVIS 프로그램을 통해 양성자와 전자의 플럭스 값을 얻었다. 우주공간과 달 표면에서의 방사선 환경은 각각 Bernabeu의 연구와 Tripathi와 Lee의 데이터를 이용하였다.
이론/모형
선내우주복은 우주선이 지구에서 출발할 때와 귀환할 때 입는 우주복이다. 본 연구에서는 소콜 (Sokol) 우주복을 설정하였다. 소콜 우주복의 겉감은 나일론 재질이고, 안감은 고무를 입힌 폴리 아미드인 캡톤(Kapton)재질이다.
본 연구에서는 우주인의 인체를 ICRP(International Commission on Radiological Protection)가 제시한 인체가 받는 전신피폭을 계산하는 방법론인 ICRU(International Commission on Radiation Units and Measurements)의 구 (Sphere)로 접근하였다.
성능/효과
2. 선외 우주복 재질 중 방사선 차폐 효과가 거의 없는 재질은 고려하지 않았다.
3. 소유즈 우주선과 즈베즈다 모듈의 선체 재질은 알루미늄 95%이상의 합금으로 구성되어 있으므로 알루미늄 100%로 하였다.
5. 우주공간의 방사선장은 완전한 구이며, 우주선을 원통으로 하였다.
8은 우주인이 ISS 선외 우주유영시 선외우주복 재질 중 Mylar와 Demron의 두께를 변경하면서 피폭량을 계산한 결과이다(Case 3, Case 4). Mylar 재질은 4 cm 이상에서, Demron 재질은 5 cm 이상에서 우주인의 피폭량이 평탄해지는 것으로 나타났다.
시나리오 1에서 10년 동안 받은 피폭량 계산값과 미국 방사선방호측정심의회(NCRP; National Council on Radiation Protection and Measurements)에서 제시한 선량 한도 값[25]을비교한 것이 Table 12에 나타내었다. 비교 결과 한도 값에 훨씬 미치지 못하였고 상대적으로 선외우주유영 시 Demron재질을 착용 했을 때 선량 한도 값에 가까웠다.
실제 소유즈 일정에서 우주인이 받은 총 방사선 피폭량은 4.2×10 -6 Sv이고, 이를 10년 동안 받은 방사선 피폭량 값과 NCRP에서 제시한 유효선량 한도와 비교해본 결과 한도값에많이 미치지 못하였고, 상대적으로 선외우주유영시 Demron 재질을 착용 했을 떄 선량 한도 값에 가까웠다.
MCNPX 계산결과 저궤도에서 우주선체의 두께가 3 cm 이상이 되면 우주인의 피폭량이 일정해짐을 볼 수 있다. 저궤도에서 선외 우주유영시 방사선 차폐재질인 Mylar와 Demron을 비교해 본 결과 Mylar는 4 cm 이상에서 Demron은 5 cm 이상에서 우주인의 피폭량이 일정해졌다. 차폐효과의 차이는 작지만 절연 층에 쓰이며 알루미늄이 코팅된 Mylar 재질이 차폐효과가 더 좋을 알 수 있었다.
저궤도에서 선외 우주유영시 방사선 차폐재질인 Mylar와 Demron을 비교해 본 결과 Mylar는 4 cm 이상에서 Demron은 5 cm 이상에서 우주인의 피폭량이 일정해졌다. 차폐효과의 차이는 작지만 절연 층에 쓰이며 알루미늄이 코팅된 Mylar 재질이 차폐효과가 더 좋을 알 수 있었다. 달 탐사 일정에서 아폴로 우주선을 탑승한 우주인의 피폭량이 달 표면에서 더 높다.
후속연구
본 연구에서는 다양한 우주환경에 인체가 노출될 때의 방사선 피폭량을 계산하는 것으로써 우주왕복선, 우주정거장 등의 차폐조건에서 우주복의 차폐성능 설계에 도움이 될 것이다. 더 나아가 우주방사선 환경에 노출되는 반도체의 차폐체 설계, 내방사선 요건개발 등에 직접적으로 파급될 수 있으며 우주복 설계에 도움을 줄 것이 다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
저궤도환경에서 소유즈 우주선의 국제우주정거장 여행 시 방사선 피폭량을 최적으로 줄이기 위한 우주선의 두께는?
계산결과 우주선체와 우주복의 두께가 증가함에 따라 피폭량이 급격하게 감소하였다. 저궤도환경에서 소유즈 우주선의 국제우주정거장 여행 시 최적으로 줄이기 위한 우주선의 두께는 3 cm였다. 선외우주복에 대한 우주인의 피폭치를 계산한 결과, Mylar 재질은 4 cm 이상, Demron 재질은 5 cm 이상에서 피폭량이 평탄해졌다.
소유즈 우주선의 국제우주정거장 여행 및 아폴로 우주선의 달 탐사 여행 시 우주인이 받는 방사선 피폭량은 무엇을 고려하여 계산되었는가?
소유즈 우주선의 국제우주정거장(ISS) 여행 및 아폴로 우주선의 달 탐사 여행 시 우주인이 받는 방사선 피폭량을 계산하였다. 우주여행 시나리오에 따라 고도, 탑승 및 체류시간, 우주선과 우주복의 재질 및 두께 등을 고려하였다. 계산결과 우주선체와 우주복의 두께가 증가함에 따라 피폭량이 급격하게 감소하였다.
고도, 탑승 및 체류시간, 우주선과 우주복의 재질 및 두께 등을 고려한 방사선 피폭량 계산 결과는 무엇인가?
우주여행 시나리오에 따라 고도, 탑승 및 체류시간, 우주선과 우주복의 재질 및 두께 등을 고려하였다. 계산결과 우주선체와 우주복의 두께가 증가함에 따라 피폭량이 급격하게 감소하였다. 저궤도환경에서 소유즈 우주선의 국제우주정거장 여행 시 최적으로 줄이기 위한 우주선의 두께는 3 cm였다.
참고문헌 (26)
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허정환, 고봉진, 정범진, “차폐체 두께에 따른 정지궤도위성용 반도체의 우주방사선 피폭계산”, Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, Vol. 22, No. 6, 2009, p. 476.
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L.D. Edmonds, C.E. Barnes, L.Z. Scheick, "An Introduction to Space Radiation Effects on Microelectronics" JPL Publication 00-06, National Aeronautics and Space Administration, 2000, p. 9.
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