로켓 발사를 덜 오염시키는 방법

로켓 발사는 21세기 세계에서 없어서는 안될 부분입니다. 그러나 기후 변화를 가속화하는 오염된 배기 가스를 어떻게 막을 수 있습니까?  카자흐스탄 초원지대는 카자흐스탄 북부에서 러시아까지 뻗어 있는 광대한 초원지대입니다. 그것은 세계에서 가장 오래된 우주 정거장인 Baikonur Cosmodrome이 있는 곳입니다. 발사대에서 세계 최초의 인공위성과 최초의 인간 우주선인 스푸트니크 1호 와 보스토크 1 호가 발사되었습니다.

Baikonur에서 발사된 많은 로켓에 사용된 연료는 UDMH (비대칭 디메틸히드라진)로, 선구적인 소련 과학자들에게 매우 유용한 추진제였습니다. UDMH는 점화원이 필요하지 않았습니다. 실온에서 보관할 수 있으며 많은 에너지를 방출합니다. 그러나 그것을 사용한 과학자들은 그것을 "악마의 독"이라고 부르게 되었습니다.

악마의 독은 인간에게 매우 발암성이 있으며 대초원의 넓은 지역을 생태 재해 지역으로 만드는 것으로 비난 받고 있습니다. UDMH가 사용된 양성자 로켓의 1단계와 2단계에서 흘러나와 수십 년 동안 토양을 오염시켰을 때 초원에 비가 내린 것으로 보고되었습니다.

텔레비전과 영화에서 우주 비행은 일반적으로 환경에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않는 것으로 표현됩니다. 그러나 로켓 엔진은 모든 형태의 연소 구동 추진체와 마찬가지로 대기 중으로 오염 물질을 내뿜는다는 점은 분명해야 합니다.

아마도 1년에 약 70회의 상업용 로켓 발사가 발생했을 때 검은 탄소 또는 그을음 및 기타 배출은 중요하지 않았을 것입니다. 이제 그 숫자는 두 배가 되었습니다. 위성 인터넷 서비스 및 우주 관광과 같은 서비스 에 대한 수요 증가 로 인해 향후 20년 동안 훨씬 더 증가할 것으로 예상됩니다 . 

로켓 방출이 대기, 온도 및 오존층에 미치는 영향에 대해 올해 최소 3편의 과학 연구 논문이 발표되었습니다. 일부 과학자들은 이러한 탄소 입자가 열을 흡수하여 일종의 지구 공학처럼 작용할 수 있다고 우려합니다.

NOAA 화학 과학 연구소 의 연구 과학자인 크리스토퍼 말로니(Christopher Maloney) 는 서류. "2000년대 초반으로 거슬러 올라가는 연구도 있고, 그 이전에도 몇 개 있긴 한데, 매년 발사되는 로켓의 숫자가 너무 적었기 때문에 크게 우려하거나 집중한 적은 없었다. 지금 궤적을 보면 업계 또는 여러 정부의 제안에 따라 향후 10년에서 20년 사이에 로켓 발사와 배출량이 10배 증가할 것으로 예상할 수 있으며, 이것이 갑자기 과학적 연구 측면에서 추진력을 얻기 시작하는 이유입니다."

카자흐스탄의 바이코누르 발사장은 막대한 양의 유독성 로켓 연료가 토양으로 스며들어 큰 오염 지역을 만들었습니다(제공: Bill Ingalls/Nasa)

또한 로켓 방출이 대기에 미치는 영향에 대해서도 많은 불확실성이 있습니다. Martin Ross 와 같은 선구적인 과학자들의 작업에도 불구하고 로켓 발사가 드물고 배출량이 적으며 주요 기여로 간주되지 않았기 때문에 최근까지 우주 여행 배출량이 대기에 미치는 영향을 연구하는 추진력이 거의 없었습니다. 기후 변화 요인.

로켓 방출로 인한 오염은 세계가 직면한 다른 문제와 우주 산업이 21세기 세계에 가져오는 이점에 비해 미미해 보일 수 있습니다. 실제로 우주 산업에서 연소되는 화석 연료의 비율은 기존 항공에서 연소되는 비율의 약 1%에 불과합니다.

로켓 발사 시 방출되는 양을 항공기와 비교하면 많지 않은 것처럼 들린다 - Eloise Marais

보잉 747의 날개 아래에서 수평으로 소형 위성을 발사하는 Virgin Orbit의 특별 프로젝트 부사장인 William Pomerantz는 "작년의 임무 수는 전 세계적으로 144개였습니다."라고 말합니다. 지상 발사, 중량물 로켓 및 최근 발사에는 현재 기후 데이터 수집에서 핵심적인 역할을 하는 위성이 포함됩니다. "이 양을 감안할 때 우주 발사 산업은 전 세계적으로 2천만 회 이상 비행하는 상업용 항공기 및 기타 산업에 비해 대기 배출의 상대적으로 작은 동인으로 남아 있습니다."

유니버시티 칼리지 런던(University College London)의 물리 지리학 부교수이자 최근 연구 논문 중 하나의 공동 저자인 Eloise Marais는 이러한 비교가 "잘못된" 것이라고 생각합니다.

"로켓 발사에서 방출되는 양을 항공기와 비교할 때 많은 양처럼 들리지 않습니다."라고 그녀는 말합니다. "그러나 이 비교는 항공기가 대류권과 성층권 하부 내에서 오염물질을 방출하는 반면 로켓은 지구 표면에서 중간권까지 오염물질을 방출하기 때문에 항상 틀렸습니다. 땅에 묶인 근원보다 더 오랜 시간 동안."

Maloney와 Marais와 같은 연구원들이 지금까지 발표한 연구는 Rocket Propellant-1 또는 RP-1에 초점을 맞추는 경향이 있습니다. 이 고도로 정제된 형태의 등유가 가장 인기 있는 로켓 연료 중 하나이기 때문입니다. 새턴(Saturn), 델타(Delta), 아틀라스(Atlas), 소유즈(Soyuz)와 같은 상징적인 로켓과 21세기에는 SpaceX의 Falcon 9 및 Virgin Orbit의 수평 발사 로켓을 우주로 발사하는 데 도움이 되었습니다. RP-1은 저렴하고 실온에서 안정적이며 폭발 위험이 없기 때문에 인기가 있습니다. 그것은 또한 많은 펀치를 포장합니다.

작년에는 전 세계적으로 140회 이상의 로켓 발사가 있었지만 이는 크게 증가할 것으로 보입니다(제공: 한국항공우주연구원/게티이미지)

Marais와 UCL(University College London), 케임브리지 대학교(University of Cambridge), MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 연구원 팀은 3D 모델을 사용하여 2019년 로켓 발사 및 재진입의 분위기와 미래에 미치는 영향을 조사했습니다. Virgin Galactic 및 Blue Origin과 같은 회사에서 추진하는 우주 관광의 영향.

Marais의 팀 은 우주 관광을 시작한 지 3년이 지나면 검은 탄소 배출량이 두 배 이상 증가 하고 로켓에서 방출되는 입자가 다른 모든 그을음 발생원을 합친 것보다 대기에서 열을 유지하는 데 거의 500배 더 효율적이라는 사실을 발견했습니다. 강화된 온난화 기후 효과. 현재 우주 발사로 인한 오존 손실은 적지만 우주 관광 발사의 영향은 지구의 오존층을 고갈시키는 물질을 금지 한 1987년 몬트리올 의정서 의 성공 이후 경험한 오존층 회복을 저해할 수 있습니다 .

더 많은 출시의 누적 효과가 있을 때, 그것은 재미있을 것입니다 – Dimitris Drikakis

Maloney와 그의 팀은 매년 RP-1을 사용하는 로켓 발사가 총체적으로 약 1기가그램(1,000미터톤)의 블랙 카본을 성층권으로 방출한다고 계산했습니다. 발사된 로켓의 수가 증가함에 따라 성층권 일부의 온도가 섭씨 1.5도까지 상승하고 오존층이 얇아지는 것과 함께 수십 년 안에 연간 10기가그램에 도달할 수 있습니다. 대기로 방출되는 블랙 카본의 양이 1년에 30기가그램 또는 100기가 그램에 도달하면 이 블랙 카본 우산 아래 행성 표면이 약간 냉각될 것입니다.

연구 논문에서 키프로스 니코시아 대학의 과학자인 Ioannis Kokkinakis와 Dimitris Drikakis는 2016년 Space X Falcon 9 로켓의 실제 로켓 발사 데이터를 사용하여 "최초의 고해상도 및 고차 계산 모델"을 만들었습니다. 로켓 배출이 기후에 미치는 영향을 자세히 분석하는 유형입니다. 이 Space X 발사는 배기 가스의 유용한 웹캠 영상을 사용할 수 있었기 때문에 선택되었습니다. 그들이 발견한 "가장 큰 놀라움" 중 하나는 로켓 발사의 첫 번째 단계에서 165초 동안 약 116톤의 CO2가 방출되었다는 것입니다. Drikakis는 "상당히 중요합니다. "예, 대기 화학은 매우 복잡한 문제이기 때문에 대기에 대한 실제 영향을 알지 못하지만 더 많은 발사의 누적 효과가 있을 때,

Orbex, 연 12회 로켓 발사 계획 (Credit: Orbex)

또 다른 발견은 뜨거운 로켓 배기 가스에 의해 대기가 가열되어 질소 산화물이 형성되었으며 낮은 고도에서의 영향은 로켓 노즐의 설계에 달려 있는 것 같습니다. Drikakis는 "로켓 설계가 이 효과를 잠재적으로 완화할 수 있기 때문에 이것은 중요합니다."라고 말합니다.

모든 모델은 지구 대기의 복잡한 특성으로 인해 효율성을 가정한 다음 엄격한 검증을 거칩니다. "만약 그것들이 모두 하나의 이야기에 수렴한다면, 당신은 그들이 무언가에 대해 꽤 좋은 확신을 가질 수 있습니다"라고 Maloney는 말합니다.

이제 RP-1 및 UDMH와 같은 기존 연료에 대한 대안을 개발하기 위한 경쟁이 진행 중이며 액체 메탄이 선두에 있는 것으로 보입니다. SpaceX의 Raptor와 유럽 우주국의 Prometheus 엔진 을 비롯한 여러 새로운 로켓 엔진 은 이 가스를 연료로 사용하도록 설계되었습니다. 이 가스는 다른 연료보다 성능이 높기 때문입니다. 비용이 저렴하다는 것은 로켓 발사 비용도 절감할 수 있음을 의미합니다.

몇몇 로켓 스타트업은 폐플라스틱이나 바이오매스로 만든 RP-1의 지속 가능한 대안을 실험하는 비교적 초기 단계에 있습니다.

그러나 메탄은 지구 온난화에 관한 한 최악의 가스 중 하나이기 때문에 논란의 여지가 있습니다. 일생 동안 이산화탄소보다 약 80배 더 따뜻 합니다 .

몇몇 로켓 스타트업은 폐플라스틱이나 바이오매스로 만든 RP-1의 지속 가능한 대안을 실험하는 비교적 초기 단계에 있습니다. 이러한 신생 기업은 일반적으로 탄소 발자국을 줄이고 우주 항구 주변의 환경을 보호하는 더 쉬운 작업과 성층권에서 배출을 줄이는 더 어려운 작업에 중점을 둡니다. 

Orbex 는 스코틀랜드의 Inverness 근처 Forres에 로켓 공장을 둔 영국 기반의 저가 발사 회사입니다. Orbex는 Prime이라는 소형 로켓을 최북단의 Space Hub Sutherland에서 연 12회까지 발사할 계획입니다.

Virigin Orbit가 실험한 것처럼 공중에서 로켓을 발사하는 것은 기존 발사에 대한 한 가지 대안이 될 수 있습니다(Credit: Virgin Orbital)

로켓이 사용하는 연료는 바이오 프로판으로, 바이오디젤 생산에서 폐기물로 생성되는 재생 가능한 바이오 연료입니다. Orbex의 로켓은 RP-1 연료 발사보다 약 90% 적은 배출량으로 끝날 수 있습니다. 또한 등유 사촌을 태우는 로켓보다 그을음이 적게 발생해야 합니다.

Virgin Orbit은 지속 가능한 로켓 연료의 사용을 조사하고 있습니다.

업계의 대기 영향을 줄이기 위한 다른 옵션은 NASA가 탐색하는 것처럼 Virgin Orbit처럼 수평으로 또는 슬링 샷 으로 인공위성을 발사하는 새로운 방법을 탐색하는 것입니다. 이것은 마치 어린이용 장난감처럼 전기 모터에 의해 매우 빠른 속도로 가속될 거대한 팔 끝에 로켓 탑재체를 부착하여 로켓을 우주로 튕겨내는 방식으로 작동합니다.

사람들은 우주 발사 산업의 분위기에 대한 불균형적인 영향에 깨어나기 시작했지만 우주에서는 아무 일도 서두르지 않습니다 - Chris Larmour

연구원들은 규제가 없고 안전하고 입증된 기술을 포기하기를 꺼리는 우주 산업, 그리고 새로운 추진제가 값비싼 새 엔진과 긴 테스트를 의미한다는 사실 때문에 우주 산업이 변화할 동기가 거의 없다고 우려하고 있습니다.

Orbex의 공동 설립자이자 CEO인 Chris Larmour는 "사람들은 우주 발사 산업의 분위기에 대한 불균형적인 영향에 깨어나기 시작했지만 우주에서는 아무 일도 일어나지 않습니다."라고 말했습니다. "규제가 시작될 것이라고 생각합니다. 정부는 배출 목표를 설정하고 우리는 이를 준수해야 합니다. 업계는 원하는 대로 로비를 할 수 있지만 결국 법을 만드는 것은 정치인입니다."

그러나 다른 사람들은 복잡한 문제에 대한 규제 솔루션에 지쳤습니다. 

Pomerantz는 "범용 솔루션은 광범위한 기술 유형을 고려할 때 매우 어렵습니다."라고 말합니다. "그러나 기술 혁신이 핵심이 될 것입니다. 추진 기술은 그 중 한 부분이지만 실제로 필요한 것은 전체 시스템의 효율성을 극대화하는 방법에 대한 전체적인 관점입니다. 어떤 종류의 우주선을 만들고 어떤 작업을 수행하며 어떻게 그들은 발사된다."