새 집으로 빨리 이사를 가고 싶어도 지나가야 하는 통과의례가 있어요 새집 증후군 예방을 위한 ‘베이크 아웃’인데요. 각종 단열재와 마감재, 가구 등에 숨어있던 포름알데히드, 라돈과 같은 유해성분을 단기간에 배출시키기 위해 문과 창문틈까지 모두 막은 뒤 보일러 온도를 높여 집을 구워 환기하는 과정입니다. 벡아웃은 1980년대 이후 새집 증후군을 예방하는 방법으로 잘 알려져 있습니다만. 인공위성이야말로 벡아웃의 원조래요 인공위성도 새집증후군을 앓고 있을까요?
인공위성 단명의 원인으로 지목된 탈기체 현상 최소화를 위해 베이크아웃이 시작됐다. <사진 출처=NASA> 초기 인공위성은 왜 그랬는지 설계수명보다 빠르게 성능이 저하되었습니다. 섭씨 100도가 넘는 고온과 -200도가 넘는 저온환경에도 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 연구자들은 뜻밖에도 부품 자체의 결함이 아니라 오염물질이 원인이라는 것을 알아냈습니다. 그들이 미처 예상하지 못한 복병은 우주의 진공상태였습니다. 더 정확히 말하면, 물질에 포함된 기체가 진공 상태에서 배출되는 아웃거싱, 즉 탈기체 현상입니다.
인공위성 구성품에는 공기를 비롯한 수분, 각종 가스를 미세하게 포함하고 있습니다. 우리가 일상에서 사용하는 대부분의 것 역시 이 물질들을 포함하고 있지만, 대기압에서는 문제가 되지 않을 뿐입니다. 그러나 진공상태의 우주는 기압이 지상의 10억분의 1 수준에 불과해 인공위성 구성품 표면에 있는 불순물을 모두 빨아낸 것입니다. 마치 한의원에서 부종을 빼면 압력 차이로 체내의 노폐물이 배출되는 것과 같은 원리입니다. 탈기체 현상은 특히 고온에서 더욱 활발하게 이루어집니다.
물질 속의 불순물이 흘러들어오는 것이 왜 문제인지 궁금한데요. 이러한 불순물이 장시간 서서히 카메라 렌즈나 미러, 별/지구/태양 센서 표면, 방열판, 태양 전지판 등의 인공위성의 성능 구현과 밀접한 관계를 가지는 동시에 오염에 민감한 표면에 달라붙을 경우 카메라와 센서는 해상도가 현저히 떨어지고 열 제어 표면은 광학적 성치(물질의 물리적 성질을 나타내는 값)가 매우 나빠집니다. 결국은 위성이 설계수명을 누릴 수 없는 원인이 됩니다.
「인공위성 다층 박막 단열재(MLI) 베이크아웃→인공위성의 성능을 지키는 베이크아웃→거기에서 찾아낸 답이 베이크아웃입니다. 탈기체 현상이 예상되는 모든 소재와 탑재물을 우주와 같은 진공 고온 상태의 챔버에 넣어 말 그대로 ‘굽고’ 버리는 작업입니다. 새 집에 입주하기 전 보일러를 켜서 단기간에 불순물을 제거하는 것과 같은 원리입니다. 새로 지은 집의 내부를 진공으로 만들 수 있다면 그 효과가 더욱 커질 것입니다. 벡아웃 절차는 인공위성의 고장 위험을 예방하고 수명을 연장할 수 있다는 점에서 중요한 절차입니다.
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한국항공우주연구원은 지름 1.6m, 길이 1.8m 크기의 원통형 베이크아웃 챔버를 운용하고 있습니다. 베이크아웃 챔버는 가장 바쁘게 돌아가고 있는 장비 중 하나입니다. 대부분이 인공위성의 부품 레벨로 베크아웃 합니다만, 큐브 위성이나 「과학위성 4호」와 같은 작은 위성은 비행 모델 단계에서, 조립된 전체의 구조물을 통째로 굽기도 합니다. 특히 인공위성을 싸고 있는 단열재나 케이블은 오염물질을 많이 내포하는 부품이므로 베이크아웃을 꼭 하셔야 합니다.
위성 구조 패널 베이크아웃 → 완벽한 베이크아웃을 위한 레시피는?쿠키를 구울 때 최적의 온도와 시간을 알아야 하듯이 인공위성도 최적의 조건을 찾아야 돼요. 먼저 챔버 내부는 진공을 형성하고 압력은 1×10-3 Pa 이하로 유지한 상태에서 100℃까지 온도를 높입니다. 챔버 내부의 특정 공간에는 액체 질소로 냉각된 190℃ 극저온 상태의 오염 흡착판을 놓아야 합니다. 베이크아웃 중 서서히 배출되는 오염물질은 오염흡반에 부착되어 2차 오염을 피할 수 있습니다. 허용범위 내에서 챔버 내부의 압력과 오염흡반의 온도는 낮을수록, 인공위성의 온도는 높을수록 좋습니다. 굽는 시간은 약 48시간 정도입니다. 단위 시간 당 탈기 체량이 기준치 이하가 될 때까지 이루어지기 때문에 조금이라도 빨리 끝날 수도 있고, 더 길어질 수도 있어요.
베이크 아웃으로 배출되는 물질의 양과 종류도 알 수 있는 것입니까? 베이크아웃 중에는 정밀질량측정기 (TQCM, Thermoelectric Quartz Crystal Microbalance)를 이용하여 배출되는 분자의 질량을 실시간으로 측정할 수 있습니다. 또한 잔류 가스 분석기(RGA, Residual Gas Analyzer)로 물질 종류까지 확인이 가능합니다. 베이크아웃 종료 후에는 오염흡착판에서 채취한 오염물질을 적외선 분광기 등으로 보다 정밀하게 분석합니다.
과학자들은 오랜 베이크아웃 경험을 통해 인공위성 설계단계에서 불순물 함유량이 적은 재료를 선택했고, 불순물로부터 인공위성 탑재체를 보호하기 위해 표면처리 기술도 높였습니다. 그러나 여전히 가격적인 어려움과 대체 불가능한 소재의 한계 등에서 베이킹은 중요합니다.뜨거운 사우나로 노폐물을 제거하듯이 베이크아웃으로 더 깔끔하고 가벼워진 인공위성이 우주에서 건강한 장수를 누리기를 기대해 보세요.
기획/제작 : 항공우주 Editor 오요한자문 / 감수 : 우주환경시험부 조혁진 박사
