일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2024.5.22

달표면 경제권
'세계 최초'에 대한 도전이 가득
JAXA와 도요타의 유인 달표면 탐사차

2024년 4월에 열린 미일 정상회담에서, 미국이 추진하는 국제 달탐사 프로젝트 ‘아르테미스(Artemis)’에서, 일본이 제공/운용하기로 한 유인 달표면 탐사차(유인 여압 로버). 우주항공연구개발기구(JAXA)와 도요타자동차 등이 공동으로 개발하고 있는 이 로버는, 우주복 없이 거주나 이동이 가능한 세계 최초의 달표면 주행 시스템이다. 연간 1개월 정도(최대 42일), 유인 탐사 미션을 실시하는 것을 상정하고 있다. 이를 실현하기 위해서, 유인 여압 로버에는 수전해 장치와 연료전지를 조합한 재생형 연료전지(RFC: Regenerative Fuel Cell)를 비롯한 수많은 기술적인 브레이크스루가 요구된다. 닛케이 크로스테크는 JAXA에게 이 미션을 실현하기 위해서 중요한 기술 등에 대해 서면으로 질문하고, 응답을 받았다.

Q: 달표면에서는 기본적으로 낮과 밤이 14일마다 반복된다. 유인 여압 로버는 섭씨 영하 170도까지 떨어지는 밤을 지내기 위해 RFC를 사용한다. 월야(越夜: 달표면에서 약 14일간의 밤(달의 하루는 지구 시간으로 27.321 661일)을 넘어 우주기가 활동을 재개하는 것)에 필요한 전력량은 어느 정도이며, 그 요구를 충족시키기 위한 큰 포인트는 무엇인가?

A: 14일간의 월야에 필요한 전력량은 670kWh 정도를 예상하고 있다. 다만, 14일간의 월야를 하는 것은 우주 비행사가 타고 있지 않을 때의 무인 미션이다. 유인 미션의 월야는 최대 2일 정도를 예정하고 있다. 그 때에 필요한 전력량은 150kWh 정도이다.

RFC의 특징은 전력 밀도가 높다는 것이다. 수소가스/산소가스를 작은 탱크에서 (=고압으로) 저장할 수 있다는 점이 포인트다. 이를 위해 '고압 수전해'를 가급적 경량 시스템으로 할 필요가 있다. 또한 수전해 프로세스에서 발생하는 수소/산소 혼합기 가스에 의한 발화나 연소를 막기 위해 촉매 등을 이용한 혼합기 가스를 제거하는 기술도 중요한 기술이 된다.

Q: 연료전지는 여러 종류가 있다. 달표면에서 사용하는 연료전지는 어떤 방식을 상정하고 있는가?

A: 연료전지는 고압(수백 기압)의 100% 수소가스와 100% 산소가스를 반응시키는 타입이다. 달표면까지의 수송 비용은 1kg당 1억엔 정도로 비싸기 때문에 고압의 수소가스/산소가스를 저장할 수 있고, 경량의 탱크 기술이 필요하다.

또한 산소가스가 400기압 정도의 고압이 되면서 발화/연소의 위험성이 높아지는 것에 대해, 그 리스크를 높이는 불순물 혼입을 억제하기 위한 재료 가공이나 시스템 조립 프로세스의 개발이 필요하게 된다.

Q: 유인 여압 로버에 탑재하는 태양전지는 어떤 종류의 것을, 어느 정도의 면적을 사용하는가?

A: ‘박막 3 접합형’ 태양전지 셀을 나열한 스트림 모양의 패널을, 수직 방향으로 아코디언의 주름상자처럼 전개/수납하는 방식을 생각하고 있다. 그 전개/수납 기구를 차량 좌우에 하나씩 배치할 예정이다. 펼쳤을 때 좌우 각 패널의 면적은 약 40m2이며, 셀의 발전 효율은 약 30%를 상정하고 있다.

Q: 태양전지 패널은 '쌍안정 붐(Bistable Boom)'을 이용한 기구를 채택할 계획인 것으로 알고 있다. 이 기구는 어떤 것인가?

A: 길쭉한 CFRP(탄소섬유 강화 플라스틱) 박판에 미리 둥글게(C모양) 해 두면, 굽힘 방향의 강성을 얻을 수 있어 안정적이다. 그걸 감으면 그 상태에서도 안정적이다. 그런 붐을 쌍안정 붐이라고 부른다. 어린이 장난감인 '코끼리 피리'와 같은 원리이다. 또한 태양전지 패널은 주행 시의 진동에는 견딜 수 없을 것이기 때문에 정차 시에만 펼칠 예정이다.

-- 난이도가 높은 달표면 주행 --
Q: 달표면 주행에서는 GPS가 없는 환경에서의 실시간 자율 항법 기술이 필요한데, 어떠한 기술을 조합해 실현하는가?

A: 현재 달 주회 궤도에 GPS와 같은 시스템을 구축하는 계획이 진행 중이다. 지구용 GPS와 비교하면 정확도는 떨어지지만, 이를 통해 지상과 마찬가지로 실시간 위치를 확인할 수 있어 효율적으로 자율 주행이 가능하다.

물론, 그러한 시스템의 구축이 지연되거나 오류가 발생하는 것도 상정해야 하기 때문에 지상국으로부터의 전파 항법 기술과 함께, 유인 여압 로버 측에서는 INU(Inertial Navigation Unit: 관성 항법 장치)나 그 자리에서의 지형 관측 데이터를 이용한 절대 위치 추정 기술 등을 조합해 자율주행을 할 예정이다.

Q: 달표면은 특징점이 적은 황야로, 햇빛이 들지 않는 그림자 영역도 있는 것 같다. 장애물 감지는 어떻게 실시하나?

A: 장애물 감지는 그림자 영역에서도 사용 가능한 LiDAR(레이저 레이더)를 이용해 항상 주변 지형이나 암석을 식별하고, 유인 여압 로버가 위험 영역이나 장애물에 접근하면 자동으로 감속하거나 정지하는 제어 시스템을 탑재하는 것을 검토하고 있다.

Q: 달표면에서는 지상의 약 200배의 대량의 방사선이 날고 있는데, 유인 여압 로버에서는 어떤 방사선 대책을 실시하고 있나?

A: 국제우주정거장(ISS)과 동등한 밀도로 주위에 구조물이나 기기가 배치되어 있다면, 태양 플레어라는 폭발적인 현상이 있어도 아마 문제가 없을 것으로 보고 있다.

한편, 로버의 경량화도 추진하고 있다. 따라서 만약에 주위 구조물이나 기기의 밀도가 ISS와 동등한 밀도에 도달하지 않으면, 태양 플레어가 상정(흑점의 움직임 등으로 추정 가능)되었을 경우는 바위 그늘이나 유인 랜더의 그림자로 대피하는 등의 운용을 생각하고 있다.

Q: 로버에는 '단상류(單相流) 액티브'라는 배열 시스템을 채택한다고 하는데, 이 시스템은 어떤 것인가?

A: 달표면의 월야에서도 동결되지 않을 정도로 응고점이 낮은 불소계 액체를 펌프로 순환시키는 배열 시스템이다. RFC나 배터리 등의 고발열 기기에 그 액체를 사용해 냉각시킨다. 그 결과, 고온이 된 액체를 유인 여압 로버의 주위에 설치한 라디에이터에 보냄으로써 우주 공간에 복사로 배열하는 구조이다.

Q: 유인 여압 로버의 실용화를 위해, 기술 개발의 허들이 가장 높다고 생각되는 부분은 어디인가?

A: RFC나 태양전지 패널의 전개/수납 기구는 기술적 허들이 매우 높다. 그것과 동등하거나 더 높은 허들이라고 생각하는 것이 주행계 시스템이다.

일본의 자동차 관련 회사는 지상의 주행계 기술은 세계 제일 수준의 기술을 갖고 있지만 우주 전용 기술은 완전히 처음으로 경험하는 것이다. 특히 진공이나 중력이 6분의 1인 환경에서의 윤활 기술, 공냉에서의 배열이 불가능한 상황에서의 열설계 기술, (고무를 사용할 수 없기 때문에) 금속제 타이어의 개발, 6분의 1 중력에서의 주행 제어 기술, 스택에서 탈출하는 기술 등, 많은 기술을 개발해야 한다.

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