[논문]달 지상환경 모사를 위한 지반 진공화 및 달먼지 거동에 대한 실험적 연구

정태일; 안호상; 유용호; 신휴성

doi:10.12652/ksce.2019.39.2.0327

초록
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달 탐사에 필요한 모든 자원을 지구에서 이송하는 것은 천문학적인 비용이 들기 때문에 지속가능한 달 탐사를 위해서는 현지에서 필요한 자원을 조달해야 한다. 이것을 가능하게 하는 기술이 현지자원활용 기술이다. 지구에서는 개발된 현지자원활용 기술을 검증할 수 없기 때문에 기술검증을 위한 달 표면 환경 모사 시설이 요구된다. 달 표면은 대기가 없으며, 표면의 평균온도는 낮에는 $107^{\circ}C$, 밤에는 $-153^{\circ}C$에 달한다. 또한 달 지표는 미세하고 거친 토양으로 덮여 있으며, 태양복사와 태양풍으로 인해 정전기적으로 대전되어 있다. 본 연구는 월면토를 포함한 고진공 환경과 정전기적으로 충전된 토양 모사에 대한 내용을 다루었다. 진공챔버의 감압속도 조절 실험을 통해서 지반 교란없이 토양을 포함한 진공환경을 성공적으로 구축하였고, 달 먼지의 대전 현상 이론 고찰을 통해 달 토양 대전 환경 구현을 위한 실험 방향을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

For sustainable lunar exploration, the most required resources should be procured on site because it takes tremendous cost to transfer the resources from the Earth to the Moon. The technologies required for use of lunar resources refers to In-Situ Resource Utilization (ISRU). As the ISRU technology ...

For sustainable lunar exploration, the most required resources should be procured on site because it takes tremendous cost to transfer the resources from the Earth to the Moon. The technologies required for use of lunar resources refers to In-Situ Resource Utilization (ISRU). As the ISRU technology cannot be verified in the Earth, a lunar surface environment simulator is necessary to be prepared in advance. The Moon has no atmosphere, and the average temperature of the lunar surface reaches to $107^{\circ}C$ during the daytime and $-153^{\circ}C$ at night. The lunar surface is also covered with very fine soils with sharp particles that are electrostatically charged by solar radiation and solar wind. In this research, generation of vacuum environment with lunar soil mass in a chamber and simulation of electrostatically charged soils are taken into consideration. It was successful to make a vacuum environment of a chamber including lunar soils without soil disturbance by controlling evacuation rate of a vacuum chamber. And an experiment procedure for simulating the charged lunar soil was suggested by theoretical consideration in charging phenomena on lunar dust.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Soil Disturbance During Evacuation (Kleinhenz and Wilkinson, 2014)
그림 Fig. 2. Pilot Dusty Thermal Vacuum Chamber (DTVC)
그림 Fig. 3. Pumping Down Curve of the Pilot DTVC
그림 Fig. 4. Surface of the Soil Bed Before (a) and After (b) Pumping Down Test
그림 Fig. 5. Evacuation Rate of the Pilot DTVC with Soil Bed
그림 Fig. 6. Surface of the Soil Bed Before (a) and After (b) Pumping Down Test with Evacuation Rate Control
그림 Fig. 7. Schematic of the Lunar Electrostatic Environment in the Solar Wind (Stubbs et al., 2005)
그림 Fig. 8. Lunar Dust Charging Mechanism by VUV
그림 Fig. 9. Experiment Plan of Lunar Dust Charging

AI 본문요약
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문제 정의

8). 따라서 본 연구는 달 표면의 대전 메커니즘 중에서 100~150 nm 파장 범위내의 진공자외선으로 인한 양전하 대전 현상에 초점을 맞추어 현상을 모사하고자 한다.
앞의 사전 실험을 통해서 기존 연구 사례(Kleinhenz and Wilkinson, 2014)에 언급된 것과 같이 진공환경 조성과정 중에서 지반의 교란현상을 확인하였다. 따라서 우리는 지반의 교란 없는 진공환경을 조성하기 위해 감압속도를 느리게 하여 지반 교란이 없이 진공환경을 조성하기 위한 실험을 하였다. 수차례 실험을 통해 0.
첫 번째 접근은 다량의 월면토를 포함한 진공환경 조성 기술에 관한 것으로 다량의 흙을 지반의 교란 없이 구현하는 것이고, 두 번째 접근은 진공환경에 포함된 지반에 대전 환경을 조성하는 것이다. 본 논문은 지반을 포함한 진공환경 조성에 대한 실험적인 결과와 달에서의 지반표면의 대전현상의 메커니즘에 대한 고찰 및 이를 구현하기 위한 실험계획에 대해 기술하였다.
본 연구에서는 달 표면에서의 ISRU 기술 검증을 위한 달 표면환경 모사 기술에 대해서 다루었다. 달 표면 환경을 모두 모사하는 것은 많은 기술을 필요로 하고 현실적으로 구현하기 어려우므로 달 지반과의 상호작용에 초점을 맞추어 달 표면의 압력, 온도, 지반 및 표면 대전 현상 모사를 최종적인 목표로 설정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 달 표면에서의 ISRU 기술 검증을 위한 달 표면환경 모사 기술에 대해서 다루었다. 달 표면 환경을 모두 모사하는 것은 많은 기술을 필요로 하고 현실적으로 구현하기 어려우므로 달 지반과의 상호작용에 초점을 맞추어 달 표면의 압력, 온도, 지반 및 표면 대전 현상 모사를 최종적인 목표로 설정하였다. 지반 교란 없는 진공환경 조성을 위해서는 진공챔버의 감압속도 조절이 중요함을 확인하였고, 감압속도를 낮게 유지함으로써 감압과정중 지반교란 없는 진공환경을 성공적으로 구현하였다.
지반 교란 없는 진공환경 조성을 위해서는 진공챔버의 감압속도 조절이 중요함을 확인하였고, 감압속도를 낮게 유지함으로써 감압과정중 지반교란 없는 진공환경을 성공적으로 구현하였다. 또한 달 표면 환경의 대전 메커니즘에 대한 문헌 연구를 통해 실제적으로 진공챔버에 적용할 수 있는 방법을 제시하였다. 향후 지반 진공화에 대한 이론정립과 달 표면 대전 현상에 대한 실증적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
앞의 사전 실험을 통해서 기존 연구 사례(Kleinhenz and Wilkinson, 2014)에 언급된 것과 같이 진공환경 조성과정 중에서 지반의 교란현상을 확인하였다. 따라서 우리는 지반의 교란 없는 진공환경을 조성하기 위해 감압속도를 느리게 하여 지반 교란이 없이 진공환경을 조성하기 위한 실험을 하였다.
파일럿 지반열진공챔버를 이용하여 무게 270 kg의 인공월면토(KLS-1)을 넣고 일반적인 펌프 운영 조건에서 10^-1 ~ 10^-2 mbar영역의 저진공 영역까지 건식 드라이 펌프를 이용해 진공배기실험을 수행하였다. Fig.

성능/효과

따라서 우리는 지반의 교란 없는 진공환경을 조성하기 위해 감압속도를 느리게 하여 지반 교란이 없이 진공환경을 조성하기 위한 실험을 하였다. 수차례 실험을 통해 0.3 mbar/s 이하로 감압을 하였을 때 지반의 교란이 발생하지 않음을 확인하였다(Figs. 5 and 6). 이 실험은 지반의 어떤 조건에 따라서 어떤 속도로 감압하였을 때 지반의 교란이 발생하지 않는가에 대한 물음에는 답할 수는 없지만, 기존 연구 사례에 제시된 것처럼 진공환경 조성과정 중 감압속도가 지반의 교란에 영향을 미친다는 것을 다시 한 번 확인하였고, 실제로 챔버의 감압속도제어를 구현함으로써 지반 교란 없는 진공환경 조성에 성공하였다.
5 and 6). 이 실험은 지반의 어떤 조건에 따라서 어떤 속도로 감압하였을 때 지반의 교란이 발생하지 않는가에 대한 물음에는 답할 수는 없지만, 기존 연구 사례에 제시된 것처럼 진공환경 조성과정 중 감압속도가 지반의 교란에 영향을 미친다는 것을 다시 한 번 확인하였고, 실제로 챔버의 감압속도제어를 구현함으로써 지반 교란 없는 진공환경 조성에 성공하였다. 향후 지반의 조건과 지반교란 없는 진공 챔버의 감압속도에 대한 이론적인 연구가 필요하다고 생각된다.
달 표면 환경을 모두 모사하는 것은 많은 기술을 필요로 하고 현실적으로 구현하기 어려우므로 달 지반과의 상호작용에 초점을 맞추어 달 표면의 압력, 온도, 지반 및 표면 대전 현상 모사를 최종적인 목표로 설정하였다. 지반 교란 없는 진공환경 조성을 위해서는 진공챔버의 감압속도 조절이 중요함을 확인하였고, 감압속도를 낮게 유지함으로써 감압과정중 지반교란 없는 진공환경을 성공적으로 구현하였다. 또한 달 표면 환경의 대전 메커니즘에 대한 문헌 연구를 통해 실제적으로 진공챔버에 적용할 수 있는 방법을 제시하였다.

후속연구

달 표면에서 달 먼지의 대전과 이동 현상에 대한 메커니즘은 복잡하고 아직 명확히 밝혀지지 않았지만, 대전된 달 표면의 상태를 유사하게 모사하고 그 환경에서 야기되는 문제점을 재현할 수 있다면 문제해결을 위한 기술개발에 많은 도움이 될 것이다. 앞 절에서 설명한 것처럼 태양풍에서 방사되는 고에너지 이온과 태양자외선이 달 표면 대전 현상의 주요한 원인이다.
진공챔버를 이용하여 10^-3mbar 이하의 진공환경 조성 후에 진공자외선(Vacuum Ultraviolet, VUV)을 10 um 이하의 평균입경을 가진 복제 월면토에 조사할 예정이다. 이를 통해 달먼지를 띄우기(levitation) 위한 최소 광전류를 도출하고, 표면이 양전자로 대전 된 현상을 확인할 것이다. 또한 550 nm 파장의 녹색 레이저와 초고속 카메라를 이용하여직경 0.
제안된 실험 방법을 이용하여 진공자외선을 이용하여 달 토양의 정전기적 대전 현상 모사가 가능할 것으로 기대하며, 향후 이러한 방법을 이용하여 진공 챔버에 대전현상을 모사하는 실증 연구가 추가적으로 필요할 것으로 생각된다.
태양광의 역할을 하는 자외선 조사장치와 달먼지 대전현상이 주로 입자크기에 좌우되므로 10 um 이하의 평균입경을 가진 복제토의 준비가 필요하다. 진공챔버를 이용하여 10^-3mbar 이하의 진공환경 조성 후에 진공자외선(Vacuum Ultraviolet, VUV)을 10 um 이하의 평균입경을 가진 복제 월면토에 조사할 예정이다. 이를 통해 달먼지를 띄우기(levitation) 위한 최소 광전류를 도출하고, 표면이 양전자로 대전 된 현상을 확인할 것이다.
또한 달 표면 환경의 대전 메커니즘에 대한 문헌 연구를 통해 실제적으로 진공챔버에 적용할 수 있는 방법을 제시하였다. 향후 지반 진공화에 대한 이론정립과 달 표면 대전 현상에 대한 실증적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
이 실험은 지반의 어떤 조건에 따라서 어떤 속도로 감압하였을 때 지반의 교란이 발생하지 않는가에 대한 물음에는 답할 수는 없지만, 기존 연구 사례에 제시된 것처럼 진공환경 조성과정 중 감압속도가 지반의 교란에 영향을 미친다는 것을 다시 한 번 확인하였고, 실제로 챔버의 감압속도제어를 구현함으로써 지반 교란 없는 진공환경 조성에 성공하였다. 향후 지반의 조건과 지반교란 없는 진공 챔버의 감압속도에 대한 이론적인 연구가 필요하다고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2000년대 이후 우주신흥국에는 어디가 있는가?	1960년대 미국과 소련의 체제경쟁으로 달 탐사에 대한 엄청난 투자가 있었으나, 냉전시대 종식이후에 달 탐사는 쇠퇴의 길을 걸었다. 그러나 2000년대 이후 일본, 중국, 인도 등 우주신흥국의 등장과 함께 경제적, 과학적인 관점에서의 달 탐사가 재조명을 받고 있다. 따라서 많은 우주국들은 장기간의 달 탐사를 위한 현지자원 활용(In-Situ Resource Utilization, ISRU) 기술 개발에 박차를 가하고 있다.
	달 지상 환경모사를 위해 진공, 온도, 중력, 태양복사, 태양풍, 달 토양 등의 모사가 필요한 이유는 무엇인가?	달은 지구와 가장 가까운 천체로 달 표면은 대기가 매우 희박하며, 중력은 지구의 1/6 수준이다. 낮과 밤의 온도변화는 매우 커서달 표면의 평균온도는 낮에는 107 °C, 밤에는 –153 °C에 달하며, 태양풍에 의한 풍화작용(weathering)으로 달 토양은 거칠고 미세한 흙으로 이루어져 있다(Heiken et al., 1991).
	NASA가 제시하는 ISRU 기술에는 무엇이있는가?	따라서 많은 우주국들은 장기간의 달 탐사를 위한 현지자원 활용(In-Situ Resource Utilization, ISRU) 기술 개발에 박차를 가하고 있다. NASA는 ISRU 기술을 6가지로 제시하고 있으며 이는 1) 자원의 탐사(resource assessment or prospecting), 2)자원의 획득(resource aquisition), 3) 자원의 처리(resourceprocessing or consumable production), 4) 현지에서의 제조(in-situ manufacturing), 5) 현지에서의 건설(in-situ construction),6) 현지에서의 에너지 생산(in-situ energy)이다(Linne et al.,2017).

참고문헌 (13)

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Borst, A. G. and van Loon, Jack. J. W. A. (2008). "Technology and development for the random positioning machine, RPM." Microgravity Sci. Technology, Vol. 21, pp. 287-292.
Cho, H. J., Moon, G. W., Seo, H. J., Lee, S. H. and Choi, S. W. (2007). "Domestic construction of a large vacuum chamber for space environment simulation." Aerospace Engineering and Technology, Vol. 6, No. 1, pp. 64-73.
Colwell, J. E., Bastiste, S., Horanyi, M., Robertson, S. and Sture, S. (2007). "Lunar surface: dust dynamics and regolith mechanism." Reviews of Geophysics, Vol. 45, RG2006, DOI:10.1029/2005RG000184.
Flanagan, T. M. and Goree, J. (2006). "Dust release from surfaces exposed to plasma." Physics of Plasmas, Vol. 13, 123504, DOI: 10.1063/1.2401155.
Heiken, G. H., Vaniman, D. T. and French, B. M. (1991). Lunar Sourcebook. Cambridge University Press, Cambridge, England.
Kim, D. S., Cho, G. C. and Kim, N. R. (2009). "KOCED geotechnical centrifuge testing center." J. Korean Soc. Civ. Eng., Vol. 57, No. 8, pp. 35-42.
Kleinhenz, J. E. and Wilkinson, R. A. (2014). Development and testing of an ISRU soil mechanics vacuum test facility, NASA/TM-2014-218389, NASA Glenn Research Center, Cleveland, Ohio.
Kruzelecky, R. V., Lavoie, J., Murzionak, P., Heapy, J., Sinclair, I. and Jamroz, W. (2017). "DTVAC dusty planetary Thermo-VACuum simulator." 47th International Conference on Environmental Systems, Charleston, South Carolina, 16-20 July 2017.
Linne, D. L., Sanders, G. B., Starr, S. O., Eisenman, D. J., Suzuki, N. H., Anderson, M. S., O'Malley, T. F. and Araghi, K. R. (2017). "Overview of NASA technology development for in-situ resource utilization (ISRU)." 68th International Astronautical Congress (IAC), Adelaide, Australia, 25-29 September 2017.
Ryu, B. H., Baek, Y., Kim, Y. S. and Chang, I. (2015). "Basic study for a Korean Lunar Simulant (KLS-1) development." Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 31, No. 7, pp. 53-63 (in Korean).
Stubbs, T. J., Halekas, J. S., Farrell, W. M. and Vondrak, R. R. (2005) "Lunar surface charging: a global perspective using lunar prospector data." In Dust in Planetary Systems, ESA SP-643.
Tawfil, M., Tonnellier, X. and Samson, C. (2018). "Light source selection for a solar simulator for thermal applications: A review." Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 90, pp. 802-813.

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