자원 사용률(in-site resource utilization)

In situ resource utilization
ISRU 역수 가스 시프트 테스트베드(NASA KSC)

우주 탐사에서, 현장 자원 활용(ISRU)은 지구에서 [1]가져온 물질을 대체하는 다른 천체(달, 화성, 소행성 등)에서 발견되거나 제조된 물질을 수집, 처리, 저장 및 사용하는 것을 말한다.

ISRU는 우주선 탑재물이나 우주탐사 승무원들에게 생명 유지, 추진제, 건설 자재, 에너지를 제공할 수 있다.우주선과 로봇 행성 표면 임무에서 태양 전지판의 형태로 발견된 태양 복사를 이용하는 것은 이제 매우 흔한 일이다.2000년대 후반의 여러 현장 테스트에서 관련 [2]환경에서 다양한 달 ISRU 기술이 입증되었지만, 자재 생산에 ISRU를 사용하는 것은 아직 우주 임무에서 구현되지 않았다.

ISRU는 주어진 행성체를 탐사하기 위해 지구에서 발사해야 하는 탑재물의 양을 대폭 줄이는 방법일 수 있기 때문에 우주 탐사 아키텍처의 질량과 비용을 줄이기 위한 가능한 방법으로 오랫동안 여겨져 왔다.NASA에 따르면, "현장에서의 자원 활용은 지구에서 [3]운반되는 물질을 최소화함으로써 저렴한 가격의 외계 탐사 및 운영을 가능하게 할 것이다."

사용하다

물.

ISRU의 맥락에서 물은 연료 또는 연료 생산을 위한 공급 원료로 가장 많이 사용된다.응용 분야에는 음용, 식품 재배, 산소 생산 또는 기타 수많은 산업 공정을 통해 생명 유지 장치에 직접 사용하는 것이 포함됩니다. 이 모든 것은 환경에서 즉시 물을 공급하고 이를 추출하기 위한 장비가 필요합니다.이러한 외계 물은 태양계 전체에서 다양한 형태로 발견되었고, 많은 잠재적 물 추출 기술이 연구되었다.레골리스, 고체 얼음 또는 영구 동토층에 화학적으로 결합된 물의 경우 충분한 가열로 물을 회수할 수 있습니다.그러나 얼음과 영구 동토층은 보통 바위보다 단단할 수 있기 때문에 이것은 보이는 것만큼 쉽지 않다.화성과 같이 대기층이 있는 곳에서는 WAVAR과 같은 간단한 과정을 통해 공기 중에서 물을 직접 추출할 수 있다.또 다른 가능한 물의 원천은 화성의 잠복한 지질열로 따뜻하게 유지되는 심층 대수층인데, 이것은 물과 지열을 [citation needed]모두 공급하기 위해 이용될 수 있다.

로켓 추진제

달 표면에서 극지방에서 검출된 물얼음을 가공해 로켓 추진체를 생산하는 방안이 제안됐다.매우 낮은 온도에서 작업하는 것과 레골리스에서 추출하는 것이 어려울 수 있습니다.대부분의 계획은 물을 전해하여 수소와 산소를 생성하고 그것들을 액체로 저온 저장한다.그러기 위해서는 대량의 장비와 전력이 필요합니다.또는 핵 또는 태양열 [4]로켓에서 물을 가열할 수 있으며,[5] 이는 훨씬 낮은 비충격에도 불구하고 달에서 낮은 지구 궤도(LEO)로 큰 질량을 전달할 수 있다.

단일 추진제인 과산화수소(HO)는22 화성과 [6]달의 물로 만들어질 수 있다.

알루미늄과 다른 금속은 달 [7]자원을 이용해 만든 로켓 추진체로 사용될 것을 제안했으며,[8] 알루미늄과 물을 반응시키는 것도 제안되었다.

화성의 경우, 메탄 추진체는 사바티에 공정을 통해 제조될 수 있다.스페이스X는 화성에서 이 과정을 사용하여 지표면 아래의 얼음과 대기 중의
2 [9]CO로부터 메탄과 액체 산소(O
42)를 생산하는 추진제 공장을 건설할 것을 제안했다.

태양전지 생산

태양전지는 달 토양에 존재하는 물질로부터 만들어질 수 있다고 오랫동안 주장되어 왔다.태양전지 생산에 필요한 세 가지 주요 재료인 실리콘, 알루미늄 및 유리는 달 토양에서 고농도로 발견되며 태양전지를 [10]생산하는 데 사용될 수 있습니다.실제로 달 표면의 자연진공은 태양전지용 [11]박막재료를 직접 진공증착할 수 있는 훌륭한 환경을 제공한다.

달 표면에서 생성된 태양 어레이는 달 표면에서 떨어진 위성뿐만 아니라 달 표면 작업을 지원하기 위해 사용될 수 있습니다.달 표면에서 생산된 태양 어레이는 지구에서 생산되고 출하된 태양 어레이보다 비용 효율이 더 높은 것으로 입증될 수 있지만, 이 거래는 [citation needed]해당 애플리케이션의 위치에 크게 의존한다.

달에서 유래한 태양 어레이의 또 다른 잠재적 응용 분야는 지구에 전력을 공급하는 것이다.태양 발전 위성이라고 알려진 그것의 원래 형태에서, 그 제안은 지구를 위한 대체 동력원으로 의도되었다.태양 전지는 지구 궤도로 발사되어 조립될 것이며, 생성된 전력은 마이크로파를 [12]통해 지구로 전달될 것이다.이러한 모험의 비용에 대한 많은 노력에도 불구하고, 달 표면에서의 제작 절차의 비용과 복잡성에 불확실성이 있었다.

건축 자재

행성이나 달의 식민지화는 레골리스와 같은 지역 건축 자재를 구해야 할 것이다.예를 들어, 에폭시 수지와 테트라에톡시실란이 혼합된 인공 화성 토양을 사용한 연구는 충분히 높은 강도,[13] 저항성 및 유연성 매개변수를 산출합니다.

소행성 채굴은 또한 우주에서 건설 자재를 위한 금속을 채취하는 것을 포함할 수 있는데, 이것은 지구의 깊은 중력 우물이나 달이나 화성과 같은 다른 큰 물체보다 더 비용 효율적일 수 있다.금속 소행성에는 귀금속을 [citation needed]포함한 엄청난 양의 친철성 금속이 포함되어 있다.

장소

화성

참고 항목: SpaceX Mars 수송 인프라스트럭처 및 Mars Direct

ISRU의 화성 연구는 주로 지구 귀환을 위한 로켓 추진제(승무원 또는 샘플 귀환 임무)를 제공하거나 화성에서 연료로 사용하는 데 초점이 맞춰져 있습니다.제안된 기술들 중 많은 것들이 화성의 잘 특징지어진 대기를 공급 원료로 사용한다.이것은 지구에서 쉽게 시뮬레이션될 수 있기 때문에, NASA나 ESA가 보다 전통적인 직접 [14]임무보다 이 접근법을 선호할지는 결코 확실하지 않지만, 이러한 제안들은 비교적 실행하기가 쉽습니다.

ISRU의 일반적인 제안은 추진제로 사용될 화성 표면에서 메탄을 생산하기 위해 사바티에 반응(CO2 + 4H2 → CH4 + 2HO2)을 사용하는 것이다.산소는 전기 분해에 의해 물에서 해방되고 수소는 다시 사바티에 반응으로 순환됩니다.이 반응의 유용성은 (화성의 물의 가용성이 과학적으로 덜 증명된 2008년 당시) 오직 수소만 [15]지구에서 가져와야 한다고 생각되었다는 것이다.

스페이스X는 2018년 현재 화성 추진체 플랜트 기술을 개발 중이며, 전 항과 같은 변형 기술을 사용하고 있다.메탄과 산소를 만드는 데 사용할 수 있는 수소를 지구로부터 운반하는 대신, 그들은 현재 화성 표면의 많은 부분에 풍부하다고 알려진 지표 아래 얼음에서 필요한 물을 채굴하고, 사바티에 이후의 반응 물질을 생산하고 저장하며, 그리고 나서 우주선의 귀환 비행을 위한 추진제로 사용할 계획이다.er [16][17]2023년 보다.

화성에 대해 제안된 유사한 반응으로는 역수성 가스 이동 반응인2 CO2 + H → CO2 + HO가 있다.이 반응은 섭씨 400°[18]의 철-크롬 촉매가 있을 때 빠르게 일어나며,[19] NASA에 의해 지구 기반 테스트베드에서 구현되었습니다.다시, 수소는 전기 분해에 의해 물로부터 재활용되고, 그 반응은 지구로부터 적은 양의 수소만을 필요로 한다.이 반응의 최종 결과는 산소 생산으로, 로켓 [citation needed]연료의 산화제 성분으로 사용됩니다.

산소와[20] 연료의 생산을 위해 제안된 또 다른 반응은 대기 중의 이산화탄소의 전기 분해이다.

[21]

또한 2단계 열화학적 CO2/HO2 분할 과정을 통해 화성 헤마이트 퇴적물로부터 산소, 수소 및 CO의 현장 생산을 제안했으며, 특히 마그네타이트/워스타이트 산화환원 [22]사이클에서 제안되었다.열분해는 분자를 분할하는 가장 직접적인 1단계 과정이지만 HO 또는 CO의2 경우2 실용적이지도 효율적이지도 않다.그 이유는 유용한 [23]해리율을 얻기 위해서는 매우 높은 온도(> 2,500 °C)가 필요하기 때문입니다.이는 적절한 원자로 물질을 찾는 데 문제가 있으며, 활발한 제품 재조합에 의한 손실, 집중 태양열을 사용할 경우 과도한 개구부 방사선 손실을 야기한다.마그네타이트/우스타이트 산화환원 사이클은 [24]나카무라에 의해 지구상에서 태양에 적용되기 위해 처음 제안되었으며, 태양으로 구동되는 2단계 물 분할에 사용된 최초의 것 중 하나이다.이 사이클에서 물은 우스타이트(FeO)와 반응하여 마그네타이트(FeO34)와 수소를 형성합니다.이 2단계 분할 프로세스에서 요약된 반응은 다음과 같습니다.

얻어진 FeO는 물 또는2 CO의 열분할에 사용된다.

3FeO + HO2 → FeO34 + H2
3FeO + CO2 → FeO34 + CO

이 과정은 주기적으로 반복됩니다.위의 과정은 [25]분자를 분할하는 가장 직접적인 원스텝 프로세스에 비해 에너지의 열입력을 상당히 감소시킵니다.

단, 사이클을 시작하려면 Wustite(FeO)가 필요하지만 화성에는 Wustite가 없거나 적어도 상당한 양이 아닙니다.그럼에도 불구하고, 화성에 풍부한 물질인 헤마타이트23(FeO)[26]를 감소시키면 쉽게 우스타이트를 얻을 수 있는데, 이는 테라 메리디앙에 위치한 강력한 헤마타이트 퇴적물이 특히 눈에 띈다.화성에서 풍부하게 이용 가능한 헤마타이트의 사용은 지구에서 잘 알려진 산업 공정이며, 다음의 두 가지 주요 환원 [citation needed]반응에 의해 수행됩니다.

3FeO23 + H2 → 2FeO34 + HO2
3FeO23 + CO → 2FeO34 + CO2

2001년 제안된 화성 탐사선은 화성 [27]대기에서 산소를 생산하는 것을 시연하고 태양전지 기술과 화성 먼지가 전력 시스템에 미치는 영향을 완화하는 방법을 테스트하기 위한 것이었다. 그러나 [28]프로젝트는 취소되었다.Mars 2020 탐사선 미션에는 대기 중 CO를 추출하여2 [29]O를 생성하는2 ISRU 기술 시연기(화성 산소 ISRU 실험)가 포함되어 있습니다.

화성의 건물은 단열성이 뛰어나 현무암으로 만들어질 수 있다는 주장이 제기됐다.이러한 유형의 지하 구조는 방사선 [30]피폭으로부터 생명체를 보호할 수 있다.

플라스틱을 만드는 데 필요한 모든 자원은 [31][32]화성에 존재한다.이러한 복잡한 반응의 대부분은 화성 대기에서 채취한 가스로부터 완성될 수 있다.유리 산소, 일산화탄소, 물, 메탄 등의 흔적이 [33][34]모두 존재하는 것으로 알려져 있다.수소와 산소는 이산화탄소와 수소의 사바티에 반응으로 이산화탄소와 메탄을 전기 분해하여 물, 일산화탄소 및 산소를 전기 분해하여 만들 수 있다.이러한 기본 반응은 플라스틱을 만들 수 있는 보다 복잡한 일련의 반응을 위한 구성 요소를 제공합니다.에틸렌은 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 플라스틱을 만드는 데 사용되며 일산화탄소와 [35]수소로 만들 수 있습니다.

2CO + 4H2 → CH24 + 2HO2.

달

주요 기사:달 자원

달은 달 자체에서 인간 활동을 촉진하기 위해 달 물질을 사용하는 것에서부터 시작해 지구-달 [36]시스템 내에서 미래의 산업 능력을 뒷받침하기 위해 달 자원을 사용하는 것까지 미래의 응용 계층과 잠재적으로 관련이 있는 풍부한 원자재를 보유하고 있다.천연 자원은 태양 에너지, 산소, 물, 수소, 그리고 [37][38]금속을 포함한다.

달 고원 재료 아노르사이트는 알루미늄 광석으로 사용될 수 있습니다.제련소는 아노르사이트로부터 순수 알루미늄, 칼슘 금속, 산소 및 실리카 유리를 생산할 수 있습니다.생 아노르사이트는 섬유 유리 및 다른 유리 및 세라믹 [39]제품을 만드는 데도 좋습니다.한 가지 특별한 가공 기술은 지구에서 가져온 불소를 불화칼륨으로 사용하여 달의 [40]암석으로부터 원료를 분리하는 것이다.

달 [7]레골리스에서 산소를 추출하기 위한 20가지 이상의 다른 방법들이 제안되었다.산소는 철분이 풍부한 달의 광물과 유리잔에서 산화철로 종종 발견됩니다.산소는 물질을 900°C 이상의 온도로 가열하여 수소 가스에 노출시킴으로써 추출할 수 있습니다.기본 방정식은 FeO + H2 → Fe + HO입니다2.이 과정은 최근 클레멘타인 [41]우주선이 달의 극지 근처에서 상당한 양의 수소를 함유한 레골리스를 발견함으로써 훨씬 더 실용화 되었다.

달 자재는 소결, 열간 프레스, 액화, 주조 현무암법 등의 가공 기술을 통해 일반적인 건축 [42]자재로 사용될 수도 있다.주조 현무암은 예를 들어 높은 내마모성이 [43]요구되는 파이프의 건설에 사용됩니다.유리와 유리섬유는 달과 [39]화성에서 가공하기 쉽다.현무암 섬유 또한 달의 레골리스 시뮬레이터로 만들어졌다.

지구에서 2개의 달 레골리스 시뮬레이터 MLS-1과 [44]MLS-2를 사용하여 성공적으로 테스트가 수행되었습니다.2005년 8월, NASA는 16톤의 모의 달 토양 또는 달 [45][46]레골리스 유사 물질의 생산을 계약했다.

화성의 위성, 케레스, 소행성

다른[47] 제안들은 포보스와 데이모스에 기반을 두고 있다.이 위성들은 화성 상공에서 상당히 높은 궤도에 있고, 매우 낮은 탈출 속도를 가지고 있으며, 화성과 달리 표면에서 LEO로 돌아오는 델타-v는 [citation needed]달에서 돌아오는 것보다 적다.

케레스는 델타-v가 높은 화성보다 멀리 떨어져 있지만 발사 창과 이동 시간은 더 좋고 표면 중력은 0.028g에 불과해 탈출 속도는 510m/s로 매우 낮다.연구자들은 케레스의 내부 구성이 바위가 [48]많은 핵 위에 물이 풍부한 맨틀을 포함하고 있다고 추측했다.

지구근처 소행성과 소행성대의 물체들은 ISRU의 [citation needed]원료가 될 수도 있다.

행성 대기

추진 유체 축적기라고 불리는 것을 사용하여 로켓 추진의 "광산"에 대한 제안이 제기되었습니다.산소와 아르곤과 같은 대기 가스는 낮은 [49]궤도의 추진 유체 축적 위성에 의해 지구, 화성, 그리고 외부 가스 자이언츠 같은 행성의 대기에서 추출될 수 있다.

ISRU 능력 분류(NASA)

2004년 10월, NASA의 고급 계획 및 통합 사무소는 ISRU 능력 로드맵 팀에 의뢰했습니다.팀의 보고서는 다른 14개 능력 로드맵 팀의 보고서와 함께 2005년 [50]5월 22일에 발행되었습니다.이 보고서는 7ISRU 능력을 식별합니다.[50]:278(나는)자원 채굴이나(ii)물질 취급 및 운송,(iii)자원 처리,(iv)표면을 자원의 제조,(v)표면 공사,(vi)표면 ISRU 제품과 소모품의 저장과 유통, 그리고(vii)ISRU 개발과 인증 기능.[50]:265

이 보고서는 달과 화성의 환경에 초점을 맞추고 있다.2040년까지의 구체적인[50]: 274 [50]: 280–281 일정과 능력 로드맵을 제시하지만 2010년과 2012년 [50]: 280 달 착륙선을 상정하고 있다.

ISRU 기술 시연자 및 프로토타입

화성탐사선 2001 랜더는 [51]화성 대기에서 산소가 생산되는 것을 시연하기 위한 시험탑재물인 MIP(Mars ISPP Premoter)를 화성까지 운반하려고 했으나 임무가 [citation needed]취소되었다.

Mars 산소 ISRU Experiment(MOXIE)는 화성 2020 탐사선 Peristance에 탑재된 1% 규모의 프로토타입 모델로, 고체 산화물 전기 [52][53][54][55]분해라고 불리는 프로세스에서 화성 대기 이산화탄소(CO2)로부터 산소를 생산합니다.이 [56]실험은 2021년 4월 20일에 처음으로 5.37그램의 산소를 생산했다.

달 탐사선은 달의 극지방에서 자원을 탐색하기 위해 설계되었으며,[57][58] 2022년에 발사될 것을 제안했다.미션 컨셉은 아직 제작 전 단계이며,[59][57][58] 2018년 4월 폐기되었을 때 프로토타입 로버가 테스트되고 있었습니다.그 과학 기구들은 나사의 새로운 상용 달 착륙 서비스(CLSP) 프로그램에 의해 계약된 여러 개의 상용 착륙선 임무에 대신 비행될 것이다. 이 프로그램은 여러 개의 탑재물을 여러 개의 상용 착륙선과 탐사선에 착륙시킴으로써 다양한 달 ISRU 과정을 테스트하는 데 초점을 맞추고 있다.첫 공식 청탁은 2019년 [60][61]중에 있을 것으로 예상된다.

「 」를 참조해 주세요.

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