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달 지상 환경의 효과적 모사를 위한 인공월면토 전처리에 관한 연구

A Study on Lunar Soil Simulant Pretreatment for Effective Simulation of Lunar Surface Environment

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers v.40 no.1 , 2020년, pp.51 - 58  
정태일 (한국건설기술연구원 미래융합연구본부 ) ;  김영재 ( 한국건설기술연구원 미래융합연구본부 ) ;  유병현 ( 한국건설기술연구원 미래융합연구본부 ) ;  신휴성 ( 한국건설기술연구원 미래융합연구본부)
초록

달 탐사에 대한 관심이 늘어나면서 인공월면토를 포함한 달 지상 환경 모사에 대한 연구가 진행되고 있다. 인공월면토를 포함하여 진공환경을 조성할 때 발생하는 문제점 중의 하나는 토양에서 나오는 탈 가스로 인해 고진공에 도달하는 시간이 길어진다는 것이다. 이러한 탈 가스의 대부분은 수분이며, 진공챔버에 넣기 전 인공월면토의 표면에 붙어있는 수분을 제거하는 전처리 과정을 수행한다면 고진공에 도달하는 시간을 상당히 줄일 수 있다. 기존의 토양 건조 방법을 사용하여 각 방법이 인공월면토의 수분제거에 얼마나 효과적인지 확인하였다. 드라이 오븐을 이용한 방법, 마이크로웨이브 오븐을 이용한 방법, 직접가열 건조하는 방법과 진공 오븐을 이용한 방법을 이용하여 인공월면토 시료의 건조 실험을 수행하였으며, 건조 실험의 결과를 제시하였다. 실험결과 드라이 오븐에서 110℃로 건조하는 방법과 마이크로웨이브 오븐을 이용한 건조 방법은 수분제거 효과가 충분하지 않았으며, 200℃ 이상에서 진공오븐을 이용한 방법과 직접 가열하는 방법은 수분제거 효과가 좋았다.

Abstract

As interest in lunar exploration increases, studies on lunar surface environment simulation including a lunar soil simulant are being conducted. One of the problems when creating a vacuum environment with lunar soil is that it takes long time to reach high vacuum due to outgas from the soil. Most of the outgas is water, and the time to reach high vacuum can be significantly reduced by a pretreatment process that removes moisture adhering to the surface of the lunar soil before putting soil into a vacuum chamber. The existing soil drying methods were examined to determine how these methods were effective to remove moisture from the lunar simulant soil. Drying experiments of lunar soil samples were carried out using a dry oven, a microwave oven, direct heating method and a vacuum oven, and the results of the drying experiment were presented. Drying soil at 110℃ using a dry oven and drying soil by a microwave oven were not enough to remove moisture, and vacuum oven drying method and direct heating drying method at more than 200℃ were effective in water removal.

주제어

#달 지상 환경 모사   #인공월면토   #토양 건조   #수분 제거   #진공  

표 / 그림 (22)

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
달 토양
달 토양에 포함된 원소에는 어떠한 것이있는가?
발사체의 연료로 사용할 수 있는 수소, 산소, 헬륨 이외에도 철(Fe), 알루미늄(Al), 규소(Si), 티타늄(Ti) 등 금속성 원소도 다량 포함하고 있다

달 표면은 운석으로 인해 잘게 분쇄된 달 토양(월면토)이 많은 부분을 차지하고 있는데, 이러한 달 토양은 가치가 높다. 달 토양에는 발사체의 연료로 사용할 수 있는 수소, 산소, 헬륨 이외에도 철(Fe), 알루미늄(Al), 규소(Si), 티타늄(Ti) 등 금속성 원소도 다량 포함하고 있다(Talyor, 1992). 또한 최근 발표된 연구논문에는 달 극지에 물이 흙과 섞여 있는 얼음 상태로 다량 존재할 것이라는 직접적인 증거도 제시되었다(Li et al.

인공월면토의 전처리 건조
인공월면토의 전처리 건조에는 일반적인 토양 건조와 다른 접근 방법이 요구되는 이유는?
인공월면토에서 나오는 수분은 매우 적은 양으로 일반적인 기준에서 볼 때 수분 함량 1 % 이하의 일반적인 건조토라고 할 수 있다. 토양 표면에 부착되어 있는 미량의 수분은 대기에서는 그 영향이 거의 없지만, 공기 분자 수가 적은 고진공 환경에서는 토양 표면에서 방출되어 챔버 내부의 진공도에 상당한 영향을 미치게 된다

인공월면토를 포함하여 진공 환경을 조성하는 시간을 줄이기 위해서는 토양에서 나오는 탈가스를 줄여야 하며, 진공 환경에서 인공월면토로부터 나오는 탈가스는 대부분 물 성분으로 잔류기체분석기 (Residual Gas Analyzer, RGA)를 통해 확인되었다(Kleinhenz and Wilkinson, 2014). 인공월면토에서 나오는 수분은 매우 적은 양으로 일반적인 기준에서 볼 때 수분 함량 1 % 이하의 일반적인 건조토라고 할 수 있다. 토양 표면에 부착되어 있는 미량의 수분은 대기에서는 그 영향이 거의 없지만, 공기 분자 수가 적은 고진공 환경에서는 토양 표면에서 방출되어 챔버 내부의 진공도에 상당한 영향을 미치게 된다. 따라서 목표 진공에 도달하는 시간을 줄이기 위한 인공월면토의 전처리 건조를 위해서는 일반적인 토양의 건조와는 다른 접근 방법이 요구된다.

한국형 인공월면토
한국형 인공월면토의 개발 현황은?
국내에서는 한국 건설연구원에 서 강원도 철원 지역의 현무암을 활용하여 한국형 인공월면토를 개발하였으며, 실제 월면토(lunar soil 14163)과 유사한 화학적 조성, 입도 분포, 비중 등을 갖도록 개발되었다

, 2016). 국내에서는 한국 건설연구원에 서 강원도 철원 지역의 현무암을 활용하여 한국형 인공월면토를 개발하였으며, 실제 월면토(lunar soil 14163)과 유사한 화학적 조성, 입도 분포, 비중 등을 갖도록 개발되었다(Ryu et al., 2018).

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저자의 다른 논문

정태일(5) 유병현(9) 신휴성(60)

참고문헌 (13)

  1. 1. ASTM D2216-19 (2019). Standard test methods for laboratory determination of water (moisture) content of soil and rock by mass, ASTM International, West Conshohocken, PA, doi: 10.1520/D2216-19. 
  2. 2. ASTM D421-85 (2007). Standard practice for dry preparation of soil samples for particle-size analysis and determination of soil constants (withdrawn 2016), ASTM International, West Conshohocken, PA, doi: 10.1520/D0421-85R07. 
  3. 3. ASTM D4643-17 (2017). Standard test method for determination of water content of soil and rock by microwave oven heating, ASTM International, West Conshohocken, PA, doi: 10.1520/D4643-17. 
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  5. 5. Chung, T., Ahn, H., Yoo, Y. and Shin, H. S. (2019). "An experimental study on air evacuation from lunar soil mass and lunar dust behavior for lunar surface environment simulation." Journal of the Korean Society of Civil Engineers, KSCE, Vol. 39, No. 2, doi: 10.12652/Ksce.2019. 39.2.0327 (in Korean). 
  6. 6. Kett (2018). Infrared moisture determination balance FD-720: Operating Manual, Tokyo. 
  7. 7. 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. 
  8. 8. Li, S., Luceya, P. G., Milliken, R. E., Hayne, P. O., Fisher, E., Williams, J. P., Hurley, D. M. and Elphic, R. C. (2019). "Direct evidence of surface exposed water ice in the lunar polar regions." Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.1802345115. 
  9. 9. Ryu, B. H., Wang C. C. and Chang, I. (2018). "Development and geotechnical engineering properties of KLS-1 lunar simulant." Journal of Aerospace Engineering, Vol. 31, No. 1, p. 04017083. 
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  11. 11. Taylor, L. A. and Meek, T. T. (2005). "Microwave sintering of lunar soil: Properties, theory, and practice." Journal of Aerospace Engineering, Vol. 18, No. 3, pp. 188-196, doi: 10.1061/(ASCE)0893-1321(2005)18:3(188). 
  12. 12. Taylor, L. A., Pieters, C. M. and Britt, D. (2016). "Evaluations of lunar regolith simulants." Planetary and Space Science, Vol. 126, pp. 1-7. 
  13. 13. Willman, B. M., Boles, W. W., McKay, D. S. and Allen, C. C. (1995). "Properties of lunar soil simulant JSC-1." Journal of Aerospace Engineering, Vol. 8, No. 2, doi: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0893-1321(1995)8:2(77). 

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