전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2023.10 Hot News (p18-20)

도요타의 달표면 탐사차는 재생형 연료전지 채택
LIB와 비교해 전원을 대폭 소형 경량화, 10년 수명과 1만km의 주행거리 목표

도요타자동차는 2023년 7월 21일, 2029년의 발사를 목표로 개발 중인 유인 달 표면 탐사차(유인 여압로버) ‘LUNAR CRUISER’의 최신 개발 상황 등을 기자들에게 설명했다.

LUNAR CRUISER는 유인 달 표면 탐사차로, 2명의 탑승원이 1개월 정도(최대 42일/년) 체재하며 미션을 수행하는 것을 상정하고 있다. 또한 사람이 탑승하고 있지 않을 때는 지상에서 원격 조작을 통해 무인으로 관측 미션을 시행한다(최대 320일/년).

일본도 참가하는 미국의 달 표면 탐사 계획 ‘아르테미스(Artemis)’에서 유인 달 표면 탐사는 핵심 미션이며, 거기서 사용할 탐사차를 제공하기 위해 개발을 추진하고 있다.

도요타는 2019년에 개발 프로젝트를 발표하고, 우주항공연구개발기구(JAXA)와 3년간의 공동연구를 실시해 왔다. 2022년부터는 JAXA에게 받은 개발위탁이 시작되었고, 현재는 선행연구개발(전체 시스템 개념검토/개념설계, 요소 시제 시험)을 진행하고 있다. 2024년부터 본체 개발을 개시할 예정이다. 또한 LUNAR CRUISER에 대해 상세한 내용을 기자를 대상으로 설명하는 것은 4년만이다.

LUNAR CRUISER는 10년의 수명과 1만km의 총 주행거리를 목표로 한다. 여기에 자동차에서 축적한 다양한 기술을 활용할 수 있다는 것이 도요타가 개발에 나서는 이유다. 그러나 진공에서 방사선이 쏟아지고, 중력은 지구의 1/6, 기온은 약 최고 120℃, 최저 -170℃로 환경이 전혀 다른 장소에서 사용하는 ‘달 표면 모빌리티’용으로 신규 개발 요소는 수없이 많다.

도요타자동차 달 표면 탐사차 개발 프로젝트장인 야마시타(山下) 씨는 핵심 기술로 (1) 재생형 연료전지(RFC: Regenerative Fuel Cell), (2) 오프로드 주행 성능, (3) 오프로드 자율주행, (4) 거주성, 시인성, 조작성 등의 UX(User Experience)를 꼽았다.

(1)의 재생형 연료전지는 수전해 장치와 연료전지를 조합한 시스템이다. 달 표면에서는 낮이 14일간 계속되고, 그 뒤에 밤이 14일간 계속된다. 낮 동안은 태양광으로 발전할 수 있지만 야간에는 발전이 불가능하다.

그래서 일조 시 태양전지의 전력을 사용해 수전해 시스템에서 수소와 산소를 생성하여 탱크에 저장해 둔다. 그리고 야간에 연료전지로 발전해, 생성물인 물을 저장했다가 수전해에 이용한다.

도요타의 시산에서는 재생형 연료전지를 사용하면, 야간에 리튬이온전지(LIB)에 저장한 전력을 이용하는 경우와 비교해 전원 시스템을 대폭으로 소형 경량화할 수 있을 가능성이 있다고 한다.

수전해 시스템은 협업하는 미쓰비시중공업이 개발을 담당한다. 미쓰비시중공업은 지금까지 심해 등 해양에서 이용하는 이동체를 위해 재생형 연료전의 연구를 추진해 왔다.

사용하는 연료전지의 방식에 대해서는 “구체적으로는 말할 수 없지만 달이라고 하는 특수 환경이므로 지상용에는 없는 대응이 필요하다. 미쓰비시중공업과 함께 몇 가지 베리에이션을 검토하고 있다”(야마시타 씨).

“과제는 달이라는 척박한 환경에서 정상적으로 작동시킬 수 있느냐 여부다. 시스템의 소형화도 포인트가 된다”(야마시타 씨). 또한 미쓰비시중공업과의 제휴는 재생형 연료전지뿐만이 아니라 탐사차 개발 그 자체에 대해 협력 관계를 체결했다고 한다. 미쓰비시중공업은 현재 JAXA와 인도가 협력해 추진 중인 달의 극지방 탐사미션(LUPEX)용 무인 탐사차를 개발 중이며, 25년에 발사할 예정이다.

-- 지상의 자율주행은 사용할 수 없다 --
(2)의 오프로드 주행 성능은 암석, 레골리스(달 표면을 덮는 모래), 크레이터, 그리고 경사가 있는 달 표면을 안정적으로 장거리 주행할 수 있는 능력이다. 타이어는 지상에서 사용하는 고무제가 부적합하기 때문에 브리지스톤이 개발하는 금속제 타이어를 채택할 예정이다. 그리고 도요타의 대형 크로스컨트리차 ‘랜드 크루저’를 통해 축적한 견고한 구조와 전동 기술을 융합한 서스펜션(Suspension)을 채택한다고 한다.

“현재, 실물 크기의 오프로드 주행 테스트 차량을 개발하려고 한다. 23년도에는 개발을 마칠 예정이다. 그 차량을 사용해 달의 환경을 모의한 테스트 코스에서 요구 사양을 판별한다. 테스트 코스는 도요타의 시설 내(옥외)에 만들고, 모두 실제 크기로 실험한다”(야마시타 씨). 레골리스는 톱밥 등을 이용해 모의 환경을 만들 계획이라고 한다.

그리고 LUNAR CRUISER의 차량 중량은 지금도 논의 중이지만 10톤 정도가 될 것이라고 한다.

(3)의 오프로드 자율주행은 지상 자동차용과 크게 다른 부분이다. 지상에서는 GPS를 사용할 수 있지만 달 표면에서는 사용할 수 없다. 게다가 달 표면은 온통 황야가 펼쳐지기만 하고 특징점이 적어 기존의 자율주행 시스템으로는 대응하지 못할 가능성이 높다.

기술로서는, 처음 보는 오프로드를 자율주행할 수 있도록 달 표면에서의 자기 위치 추정, 장애물 감지, 회피 경로 생성 등의 기술 개발이 필요하다. 자기 위치 추정은 전파를 이용해 자기 위치를 추정하는 전파항법, 항성의 위치에서 자세각을 추정하는 스타트래커(별 추적 장비), 3차원 가속도로 속도와 이동량을 추정하는 관성항법 등을 조합한다.

또한 장애물 감지에서는 LiDAR(레이저 레이더)를 이용해 주위의 장애물이나 경사를 파악해 주행 가능한 노면을 판정하는 기술이 필요하다.

앞으로는 앞서 설명한 실물 크기의 테스트 차량을 사용해 달 표면을 모방한 테스트 코스에서 자율주행 기술을 개발/평가한다고 한다.

-- 알면 알수록 난이도는 높아진다 --
(4)의 UX는 약 7.4㎡ 정도의 좁은 차 안에 2인이 약 한 달간 생활하는 탑승원의 정신적 부담을 완화하고 작업 효율과 의욕을 높이기 위해서도 중요한 요소다.

이를 위해 차량 내부가 넓게 느껴지는 공간 설계를 하거나 운전/생활/수면 시에 적합한 자세를 취할 수 있는 거주 공간을 만든다.

이 점에 대해서는 목업이나 드라이빙 시뮬레이터를 이용한 검증을 통해 탐사차의 쾌적성과 안전성을 높이겠다는 입장이다.

야마시타 씨는 “인류는 달 표면에서 탐사차 등을 가동시킨 지식을 거의 갖고 있지 않다. 실제로 달에 갈 수 없기 때문에 시뮬레이션 기반의 개발이 된다. 알면 알수록 난이도가 높아지고 있다”라고 말했다.

 -- 끝 --

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