국제 우주 정거장(ISS)-고도 약 400km에서 지구 궤도를 도는 거주 가능한 인공 위성-은 정교한 폐쇄형-루프 산소 시스템을 사용하여 한 번에 수개월 동안 7명의 우주 비행사(최대 수용력)로 구성된 승무원을 유지합니다. 대기 중에 산소가 풍부한 지구와 달리 우주는 자연적인 산소 공급원이 없는 진공 상태입니다. 즉, ISS는 온몸으로 산소를 생산, 저장, 분배 및 재활용해야 하며-이산화탄소(CO2)와 같은 폐가스도 관리해야 합니다. 시스템 설계에서는 신뢰성(생명-을 위협하는 오류 방지), 효율성(재보급 임무 최소화) 및 적응성(승무원 규모 변경 및 장비 오작동 처리)을 우선시합니다. 다음은 핵심 구성 요소, 작동 원리, 과제 및 백업 프로토콜을 포함하여 ISS 산소 시스템에 대한 포괄적인 분석입니다.
1. 거주 가능한 분위기 유지
기술적인 세부 사항을 살펴보기 전에 ISS 산소 시스템의 주요 목표, 즉 지구와 최대한 유사한 대기를 유지하는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 인간의 생존을 위해 ISS에는 다음이 필요합니다.
산소 농도: 21%(지구 대기와 동일), 이는 호흡과 저산소증(낮은 산소) 또는 산소 독성(높은 산소)을 피하기 위한 최적의 수준입니다.
압력: 101.3킬로파스칼(kPa) 또는 1기압(atm)-은 지구의 해수면 압력과 동일-합니다. 이를 통해 감압병(압력이 너무 낮아지면 위험)을 예방하고 우주비행사가 특수 장비 없이도 정상적으로 호흡할 수 있습니다(우주 유영 중 제외).
가스 세정: CO2(호흡에 의해 생성됨) 및 미량 오염물질(예: 장비 또는 식품의 휘발성 유기 화합물)과 같은 폐가스를 제거합니다.
이를 달성하기 위해 ISS 산소 시스템은 다음과 같이 작동합니다.세미-폐쇄 루프-새로운 산소를 생산하고, 폐수에서 산소를 재활용하며, 긴급 상황에 대비해 잉여 산소를 저장하고, 이를 스테이션 모듈 전체에 고르게 분배합니다.
2. 산소 발생 시스템(OGS)
ISS의 주요 산소 공급원은 다음과 같습니다.산소 발생 시스템(OGS), NASA와 러시아의 Roscosmos가 개발한 모듈식 설정입니다(유럽 우주국, ESA 및 일본 항공우주 탐사국, JAXA의 기여). OGS는 다음을 사용합니다.전기 분해-일부 지구-기반 산소 발생기-에서 물(H2O)을 산소(O2)와 수소(H2)로 분리하는 데 사용되는 것과 동일한 화학 공정입니다. 구성 요소 및 작동에 대한 자세한 분석은 다음과 같습니다.
2.1 OGS의 구성 요소
OGS는 각각 특수 하드웨어를 갖춘 세 가지 주요 하위 시스템으로 구성됩니다.
수처리 어셈블리(WPA): 전기분해 전 물을 정화하여 OGS 전극을 손상시킬 수 있는 오염물질(염분, 유기물 등)을 제거해야 합니다. WPA는 다음 세 가지 공급원에서 물을 수집합니다.
재활용수: 스테이션의 공기(호흡 및 땀으로 인한 수증기), 처리된 폐수(예: 싱크대, 샤워기에서 나오는) 및 소변(UPA 소변 처리 어셈블리에서 처리됨)에서 나오는 응축수입니다.
물 재공급: 재활용 시스템이 실패할 경우를 대비하여 화물 우주선(예: SpaceX의 Dragon, Northrop Grumman의 Cygnus)을 통해 물을 공급합니다.
연료전지수: 기존 발전소 연료전지의 부산물(태양전지판 설치 전 전기 생산에 사용) 연료전지는 더 이상 주요 동력원이 아니지만, 가능한 경우 잔여 물은 계속 사용됩니다.
전기분해 모듈(EM): OGS의 심장, EM은 두 가지를 담고 있습니다.고체 산화물 전기분해 전지(SOEC)-고온(600~800도)을 사용하여 물을 산소와 수소로 분리하는 고급 장치입니다. 액체 전해질을 사용하는 기존 전기분해 시스템과 달리 SOEC는 우주에서 더 효율적이고 컴팩트하며 내구성이 뛰어난 고체 세라믹 전해질을 사용합니다. 프로세스 작동 방식은 다음과 같습니다.
정제수는 증기 형태로 SOEC에 공급됩니다(효율성을 높이기 위해 기화).
ISS의 태양전지 어레이에서 나오는 전류가 SOEC의 전극(양극과 음극)에 적용됩니다.
양극에서 증기는 세라믹 전해질과 반응하여 산소 가스(O2), 전자 및 수소 이온(H⁺)을 생성합니다.
전자는 외부 회로를 통해 흐르고(소량의 추가 전기 생성), 수소 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동합니다.
음극에서는 수소 이온이 전자와 결합하여 수소 가스(H2)를 형성합니다.
산소 처리 하위 시스템(OHS): 생산 후 EM의 산소가 처리되어 분배됩니다.
냉각: 뜨거운 산소 가스(SOEC에서 발생)는 열 교환기(ISS의 열 제어 시스템에 연결됨)를 사용하여 실온으로 냉각됩니다.
건조: 남아있는 수증기는 분자체(지구- 기반 산소 농축기의 것과 유사)를 사용하여 제거되어 스테이션 파이프의 응결을 방지합니다.
분포: 건조하고 순수한 산소(순도 99.999%)는 밸브와 파이프 네트워크를 통해 ISS 대기로 보내져 기존 공기와 혼합되어 21% 농도를 유지합니다.
수소 배출: 수소 부산물은 ISS에서 사용되지 않으며(수소 연료 전지가 아닌 태양 에너지로 운영되기 때문에) 우주로 배출됩니다. 이는 수소를 사용하여 전기를 생산한 미르(Mir)와 같은 초기 우주정거장과의 주요 차이점입니다.
2.2 OGS의 효율성과 용량
OGS는 우주 비행사 1인당 ~0.84kg(1기압에서 ~588리터의 기체 산소에 해당)인 ISS의 일일 산소 요구량을 충족하도록 설계되었습니다. 7명의 승무원의 경우 하루 총 산소량은 ~5.88kg입니다. OGS의 주요 성과 지표는 다음과 같습니다.
생산율: 각 SOEC는 하루에 ~0.5kg의 산소를 생산할 수 있으므로 두 SOEC를 합치면 하루에 ~1kg의 산소를 생성합니다. 그러나 시스템은 마모를 줄이기 위해 시차 모드(SOEC 활성 1개, 대기 1개)로 작동하여 하루 최대 0.5kg의 순 생산량을 얻습니다. 이는 OGS만으로는 전체 승무원의 수요를 충족할 수 없으므로{5}}추가 산소 공급원이 필요함을 의미합니다(섹션 3 참조).
에너지 효율성: SOEC는 매우 효율적이어서 전기 에너지의 ~80%를 산소로 변환합니다(기존 전기분해 시스템의 경우 ~60%에 비해). ISS의 태양전지 어레이는 용량이 제한되어 있기 때문에 이는 매우 중요합니다(모든 시스템에 대한 전력은 최대 120kW).
신뢰할 수 있음: OGS의 설계 수명은 15년(원래 10년에서 연장)이며 고장 방지를 위한 중복 구성 요소(예: 백업 SOEC, 밸브)를 포함합니다. 2008년(ISS의 노드 3 모듈인 Tranquility의 일부로) 설치 이후 OGS는 원격 문제 해결을 통해 해결된 사소한 문제(예: 막힌 정수 필터)만 경험했습니다.
3. 백업 및 보완 시스템
OGS가 주요 산소 공급원인 반면 ISS는 3개의 보조 시스템을 사용하여 OGS가 오작동하거나 최대 수요가 있을 때(예: 승무원 규모가 일시적으로 증가하는 경우){0}}중요한 지속적인 공급을 보장합니다.
3.1 가압 산소 탱크(러시아 부문)
Zvezda(서비스 모듈) 및 Nauka(다목적 실험실 모듈)와 같은 모듈을 포함하는 ISS의 RS(러시아 세그먼트)-는{1}}사용합니다.가압 산소 탱크백업으로. 이 탱크는 다음과 같습니다.
설계: 각각 최대 40리터 용량의 티타늄 합금으로 제작된 원통형 탱크(고압 및 우주 방사선에 견딜 수 있음). 이 탱크는 지구 기반 스쿠버 탱크에 사용되는 것과 동일한 유형-고압 가스(3,000psi 또는 20.7MPa)-로 산소를 저장하지만{7}}우주용으로 개조되었습니다.
공급: 탱크는 러시아 화물 우주선(예: Progress)을 통해 ISS로 배달되고 RS의 외부 포트에 연결됩니다. 각 진행 임무에는 2~3개의 탱크가 탑재되어 임무당 ~100~150kg의 산소를 제공합니다(7명의 승무원을 ~20~25일 동안 지원하기에 충분함).
전개: OGS가 실패하면 RS의 생명 유지 시스템이 밸브를 열어 탱크의 산소를 정거장 대기로 방출합니다. 탱크는 우주 유영(EVA, Extravehcular Activity) 중에도 우주비행사의 우주복에 산소를 공급하는 데 사용됩니다.
3.2 산소 양초(화학적 산소 발생기)
긴급 상황(예: 화물 재공급 지연과 결합된 주요 OGS 오류)의 경우 ISS는 다음을 사용합니다.산소 양초열 반응을 통해 산소를 생성하는 -소형 화학- 기반 발생기입니다. 이 양초는 다음과 같습니다.
구성: 각 양초는 촉매(예: 철분말)와 연료(예: 알루미늄)가 혼합된 염소산나트륨(NaClO₃)의 고체 블록입니다. 염소산나트륨은 점화되면 고온(500~600도)에서 분해되어 산소가스와 염화나트륨(식염)을 생성합니다.
용량: 양초 1개(무게 ~1kg)는 ~60리터의 산소를 생산합니다(우주 비행사 한 명이 ~10시간 동안 사용할 수 있는 양). ISS는 쉽게 접근할 수 있도록 각 모듈(예: Zarya, Unity)의 내화 용기에 보관된 최대 100개의 양초를 운반합니다.
안전: 산소초는 우주에서 안전하도록 설계되었습니다.{0}}불길을 일으키지 않으며(열만 발생) 염화나트륨 부산물은 무독성입니다.-독성이 없습니다(필터에 수집되어 나중에 화물 임무 중에 제거됨). 그러나 용량이 제한되어 있고 수동 활성화가 필요하기 때문에 최후의 수단으로만 사용됩니다.
3.3 재생생명지원: CO₂로부터 산소를 재활용
ISS의환경 제어 및 생명 유지 시스템(ECLSS)CO2에서 산소를 재활용하여-새로운 산소 생산의 필요성을 줄이는 재생 구성 요소가 포함되어 있습니다. 이는 다음을 통해 수행됩니다.이산화탄소 제거 어셈블리(CDRA)(미국 부문) 및보즈두크 시스템(러시아어 부분):
CDRA(미국 부문): 다음과 같은 두-단계 프로세스를 사용합니다.고체 아민 수분 탈착CO2를 제거하고 산소를 생성하려면:
CO2 흡착: ISS의 공기는 고체 아민(CO2와 결합하는 화합물)층을 통해 펌핑됩니다. 아민은 CO2를 포집하고 CO2가 없는 깨끗한 공기는 스테이션으로 반환됩니다.
탈착 및 산소 생산: 아민베드가 포화되면 가열하여 갇혀있는 CO2를 방출합니다. 그런 다음 CO2는 OGS의 전기분해 공정에서 발생하는 수소와 반응합니다.사바티에 원자로(또 다른 ECLSS 구성 요소)를 사용하여 물(H2O)과 메탄(CH₄)을 생성합니다. 그런 다음 물은 OGS로 보내져 산소와 수소로 분리되어 폐쇄 루프를 만듭니다.
Vozdukh 시스템(러시아 세그먼트): 유사한 공정을 사용하지만 다른 화학물질(수산화리튬, LiOH)을 사용하여 CO2를 흡수합니다. CDRA와 달리 Vozdukh 시스템은 CO2를 산소로 재활용하지 않고-대신 LiOH가 포화된 후 폐기됩니다(화물 임무를 통해 교체됨). 그러나 CDRA보다 더 간단하고 안정적이므로 귀중한 백업이 됩니다.
재생 시스템은 ISS의 산소 요구량을 최대 40%까지 줄여줍니다.- 이는 재보급 임무의 필요성을 최소화하는 중요한 효율성 향상입니다. 예를 들어, 재활용하지 않으면 정거장에는 7명의 우주 비행사를 위한 하루 최대 9.8kg의 산소가 필요합니다. 재활용하면 이는 ~5.88kg으로 떨어집니다.
4. 비상사태에 대한 회복력 확보
2차 공급원 외에도 ISS에는 최대 수요 및 긴급 상황을 처리하기 위한 전용 산소 저장 시스템이 있습니다. 이러한 시스템은 고압 가스와 액체라는 두 가지 형태로 산소를 저장하도록 설계되었습니다.
4.1 고압-압력 가스 저장(미국 부문)
미국 부문고압-가스 탱크노드 1(Unity) 및 노드 3(Tranquility) 모듈에 있습니다. 이 탱크:
설계: 인코넬(부식 및 고온에 강한 니켈{0}}크롬 합금)으로 제작된 구형 탱크로 각각 최대 150리터의 용량을 갖습니다. 이 탱크는 6,000psi(41.4MPa)-Russian Segment 탱크 압력의 두 배로 산소를 저장하므로-더 작은 공간에 더 많은 산소를 저장할 수 있습니다.
용량: 각 탱크에는 ~100kg의 산소가 들어 있습니다(7명의 우주비행사가 ~17일 동안 사용할 수 있는 양). US 세그먼트에는 4개의 탱크가 있어 총 백업 용량이 ~400kg(~68일 동안 충분함)을 제공합니다.
사용 사례: 이 탱크는 수요가 가장 많을 때(예: 두 명의 우주비행사가 우주 유영을 할 때 산소 소비량이 최대 50% 증가하는 경우) OGS를 보충하고 OGS가 실패할 경우 백업으로 사용됩니다. 또한 우주 유영 후에 정거장에 압력을 가하는 데에도 사용됩니다(EVA 중에 일부 공기가 손실되기 때문입니다).
4.2 액체 산소(LOX) 저장(응급 상황에만 해당)
장기적인-긴급 상황(예: 몇 달 동안의- OGS 오류)에 대해 ISS는 다음을 저장할 수 있습니다.액체산소(LOX)-로켓 연료에 사용되는 것과 동일한 형태입니다. LOX는 다음 위치에 저장됩니다.
설계: LOX를 -183도(비등점 1atm)로 유지하기 위해 진공 단열층을 갖춘 이중{0}}벽 탱크입니다. 스테이션의 제한된 공간으로 인해 탱크는 작습니다(각각 ~50리터).
용량: 50리터 LOX 탱크에는 ~60kg의 산소(LOX의 밀도는 1.141kg/L이므로)를 담을 수 있으며 이는 7명의 우주비행사가 ~10일 동안 사용할 수 있는 양입니다. ISS에는 총 2개의 탱크가 있어 총 ~120kg(~20일 동안 충분)을 제공합니다.
도전과제: LOX를 우주에 보관하는 것은 관측소의 온도가 변동하기 때문에(-그림자에서는 120도에서 햇빛에서는 120도까지) 일부 LOX가 끓어오르기(기화) 발생하기 때문입니다. 증발을 최소화하기 위해 탱크에는 온도를 조절하는 히터와 과잉 가스를 배출하는 압력 방출 밸브(이후 포집되어 스테이션 대기에서 사용됨)가 장착되어 있습니다.
5. 모듈 전반에 걸쳐 균일한 공급 보장
ISS는 거주 공간(예: 승무원 숙소), 실험실(예: Columbus, Kibo) 및 서비스 모듈(예: Zvezda, Nauka)을 포함하여 16개 모듈(2024년 기준)로 구성된 복잡한 네트워크입니다. 모든 모듈의 산소 농도가 21%로 일정하게 유지되도록 스테이션에서는중앙 집중식 유통 시스템다음 구성 요소를 사용합니다.
5.1 공기 순환 팬
각 모듈에는 4~6개의공기 순환 팬분당 ~1입방미터의 속도로 공기를 이동시킵니다. 이 팬들은:
정체된 공기 주머니(모듈 모서리의 산소 수준이 낮아질 수 있음)를 방지합니다.
새로 생성된 산소를 기존 공기와 혼합하여 21% 농도를 유지합니다.
CDRA/Vozdukh 시스템을 통해 공기를 밀어 넣어 CO2와 오염 물질을 제거합니다.
미세 중력(무중력)에서는 공기가 대류로 인해 지구에서 순환하는 것처럼 자연적으로 순환하지 않기 때문에 팬이 중요합니다. 팬이 없으면 우주비행사는 산소 공급원에서 멀리 떨어진 지역에서 저산소증을 경험할 수 있습니다.
5.2 밸브와 파이프
네트워크스테인레스 스틸 파이프(직경 2~4인치)는 OGS, 저장 탱크 및 모듈을 연결합니다. 각 파이프에는 다음이 장착되어 있습니다.
솔레노이드 밸브: 산소 흐름을 조절하기 위해 열리고 닫히는 전기 제어 밸브입니다. 이 밸브는 누출을 방지하기 위해 중복되어 있습니다(각 파이프에는 두 개의 밸브가 있음).
압력 센서: 배관의 압력을 모니터링하여 스테이션의 대기압(101.3kPa)과 일치하는지 확인합니다. 압력이 떨어지면(예: 누출로 인해) 센서가 경보를 울리고 영향을 받은 밸브를 닫습니다.
필터: 팬 및 생명 유지 시스템의 손상을 방지하기 위해 산소에서 먼지와 이물질을 제거합니다.
5.3 모듈-특정 레귤레이터
각 모듈에는압력 조절기크기와 점유율에 따라 모듈로의 산소 흐름을 조정합니다. 예를 들어:
소형 모듈(예: ~10입방미터인 승무원 숙소)은 대형 모듈(예: ~75입방미터, 하루 ~0.5kg이 필요한 콜럼버스 실험실)보다 낮은 유량(일일 ~0.1kg의 산소)을 필요로 합니다.
또한 조절기는 다른 모듈에 재압력이 가해지는 경우에도(예: 우주 유영 후) 모듈의 압력이 101.3kPa로 유지되도록 보장합니다.
