우주의 극한 환경에서도 버티는 우주복의 구조와 원리

글을 시작하며

안녕하세요. 과학과 우주를 좋아하는 아빠 도도한 쭌냥이입니다.

어떻게 우주의 혹독한 환경에서 연약한 인간이 견딜 수 있을까요? 우주인들이 입고 있는 우주복의 원리와 구조에 대해서 알아보았습니다.

우주복을 만들 때 고려사항

우주인이 우주선 밖에 있다면 다양한 위험 요소에 노출되게 됩니다. 기압, 복사 등 다양한 위험 환경에 대해서 알아보았습니다.

1. 태양 복사열

우주에서는 대기권이 없어 태양에서 방사되는 강력한 자외선, 가시광선, 적외선 복사열에 직접적으로 노출 됩니다. 이는 우주복의 온도를 상승시킵니다.

2. 지구 복사열

지구 표면에서 반사되는 태양 복사열에 노출됩니다. 이는 우주인이 지구를 공전하는 동안 발생할 수 있으며, 우주복의 온도에 영향을 미칠 수 있습니다.

3. 우주 배경 복사

우주는 매우 낮은 온도의 우주 배경 복사열을 가지고 있으며, 이는 우주복 내부의 온도를 낮아지게 할 수 있습니다. 우주 배경 복사의 온도는 약 2.7K(-270.45℃)입니다.

4. 열 전도 및 방사

우주복 내외부의 소재 간의 열 전도 현상이 발생합니다. 연전도는 주로 우주복 내부 시스템에서 발생하는 열을 외부로 전달하는 방향으로 발생하게 됩니다.

5. 신체 대사열

우주인의 신체 활동과 대사 과정에서 발생하는 열입니다. 이는 주로 작업, 호흡, 소화 과정에서 발생하며, 우주복 내부의 온도를 상승시키는 요인으로 작용합니다.

6. 기압

우주 공간의 기압은 매우 낮습니다. 지구로부터의 위치에 따라 압력이 달라지며 심우주에 가까울 수록 진공과 유사해집니다.

우주복의 설계

위의 항목들을 고려했을 때, 우주복 설계 시 고려해야 할 사항은 두 가지로 구분할 수 있겠네요.

우주복 내부의 온도를 어떻게 유지할 것인가?
우주복 내부의 압력을 어떻게 유지할 것인가?

1. 온도를 유지하는 방법

우주복이 내부 온도를 유지하는 것은 다양한 기술과 시스템을 통해 이루어집니다.

첫째, 액체 냉각 및 환기 시스템 (Liquid Cooling and Ventilation Garment, LCVG)이 있습니다.

우주복에는 LCVG라는 특수한 복장이 포함되어 있는데, 이 복장은 우주인의 몸을 감싸는 밀착형으로, 내부에는 냉각수 튜브가 설치되어 있습니다. 차가운 물이 이 튜브를 통해 순환하면서 우주인의 체온을 조절하여 과도한 체온 상승을 방지합니다. 동시에, 공기 환기 시스템이 작동하여 우주복 내부의 이산화탄소와 땀, 체열을 제거하고, 깨끗한 공기를 공급하여 쾌적한 환경을 유지합니다.

둘째, 단열 레이어 (Insulation Layers)가 있습니다.

우주복의 중간 레이어는 여러 겹의 Mylar와 Dacron으로 구성되어 있습니다. 이 소재들은 열을 반사하고 외부의 극한 온도로부터 내부를 보호합니다. Mylar는 열을 반사하여 우주복 내부의 온도를 일정하게 유지하는 데 중요한 역할을 하며, 열 반사 필름은 다층으로 구성되어 열의 복사와 전도를 효과적으로 차단합니다.

셋째, 통합 온도 조절 시스템 (Integrated Thermal Control System)이 있습니다.

우주복 내부에는 전기 히터와 팬이 설치되어 있어 필요에 따라 가열하거나 냉각할 수 있습니다. 이는 특히 우주선 내부에서 대기 상태를 유지할 때 유용합니다. 또한, 우주복에는 온도와 습도를 모니터링하고 조절하는 전자 제어 장치가 포함되어 있어 실시간으로 내부 환경을 관리할 수 있습니다.

넷째, 우주복 재질의 특성입니다.

외부와 내부 레이어 사이에 사용되는 고성능 단열 재료는 열전도를 최소화하고 외부 환경과의 온도 차이를 극복하는 데 도움을 줍니다. 또한, 내부 라이너는 우주인의 피부와 접촉하며 습기와 열을 흡수하여 쾌적한 상태를 유지합니다. 이 라이너는 흡습 속건성의 기능성 섬유로 만들어져 있습니다.

다섯째, 우주선과의 연결입니다.

우주복은 우주선과 연결되어 우주선의 생명 유지 시스템에서 공기와 전력을 공급받습니다. 이를 통해 우주인은 외부 활동 시에도 필요한 자원을 안정적으로 공급받을 수 있습니다.

이러한 시스템과 재료들의 조합은 우주복이 극한의 온도 변화 속에서도 내부 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 도와줍니다. 우주복은 우주인의 생명을 보호하기 위해 고도로 설계된 복합 구조로, 다양한 기술이 통합되어 최적의 환경을 제공하는 것이 핵심입니다.

2. 압력을 유지하는 방법

우주복 내부의 압력을 유지하는 방법은 여러 가지 기술과 시스템을 통해 이루어집니다.

첫째, 밀폐 구조 (Sealed Structure)입니다.

우주복의 내부 레이어는 네오프렌 코팅 나일론과 같은 밀폐성이 뛰어난 소재로 제작되어 공기와 기체가 누출되지 않도록 합니다. 이 레이어는 우주복 전체를 밀폐하여 내부 압력을 유지하는 역할을 합니다. 또한, 우주복의 모든 개구부, 즉 지퍼, 장갑, 헬멧 연결부 등에는 특수한 밀폐 지퍼와 실링 기술이 사용되어 공기 누출을 방지하고 내부 압력을 일정하게 유지합니다.

둘째, 공기 공급 시스템 (Air Supply System)입니다.

우주복의 백팩에는 생명 유지 시스템 (PLSS: Primary Life Support System)이 장착되어 있습니다. 이 시스템은 우주복 내부에 필요한 공기를 공급하며, 이산화탄소를 제거하고 공기의 순환을 유지합니다. PLSS에는 내부 압력을 일정하게 유지하기 위한 조절 밸브가 포함되어 있어 필요에 따라 공기의 양을 조절할 수 있습니다.

셋째, 압력 조절 밸브 (Pressure Regulation Valve)입니다.

우주복에는 자동 압력 조절 밸브가 설치되어 있어 내부 압력을 지속적으로 모니터링하고 필요한 경우 압력을 조절합니다. 이는 우주복 내부의 과압이나 저압을 방지합니다. 일부 우주복에는 우주인이 직접 압력을 조절할 수 있는 수동 밸브도 포함되어 있어 비상 상황에서 유용하게 사용할 수 있습니다.

넷째, 압력 모니터링 시스템 (Pressure Monitoring System)입니다.

우주복에는 압력 센서가 장착되어 있어 내부 압력을 실시간으로 모니터링합니다. 이 정보는 헬멧 내부 디스플레이나 팔목에 부착된 디스플레이에 표시되어 우주인이 압력을 확인할 수 있도록 합니다. 또한, 압력에 이상이 발생할 경우 경고 시스템이 작동하여 우주인에게 알립니다. 이는 빠른 대응을 가능하게 합니다.

다섯째, 응급 압력 유지 장치 (Emergency Pressure Maintenance Device)입니다.

우주복에는 비상 상황에서 사용할 수 있는 추가 산소 공급 장치가 포함되어 있습니다. 이는 내부 압력이 급격히 떨어질 경우 일시적으로 압력을 유지할 수 있도록 도와줍니다. 우주복의 주요 부위는 이중 밀폐 구조로 설계되어 있어 한 층이 손상되더라도 다른 층이 내부 압력을 유지할 수 있습니다.

이러한 시스템과 기술의 조합은 우주복이 우주 환경에서 내부 압력을 안정적으로 유지할 수 있도록 보장합니다. 이는 우주인의 생명과 안전을 지키는 데 필수적이며, 우주 임무 수행 중에도 쾌적한 작업 환경을 제공합니다.

3. 우주복 단열 구조 상세

우주복의 단열 구조는 극한의 온도 변화로부터 우주인을 보호하기 위해 매우 정교하게 설계되어 있습니다. 이 구조는 다양한 소재와 여러 겹의 층으로 구성되어 있습니다.

첫째, 외부 레이어 (Outer Layer)입니다.

이 레이어는 특수 폴리에스터 소재로 제작되며, 내구성이 강하고 미세한 파편과 우주 먼지로부터 보호하는 역할을 합니다. 일반적으로 Nomex, Kevlar 또는 다른 고강도 섬유가 사용됩니다. 외부 레이어는 또한 태양의 강한 자외선과 다른 유해한 방사선으로부터 보호하며, 작은 운석과 같은 고속 입자의 충격을 견딜 수 있도록 설계되어 있습니다.

둘째, 중간 레이어 (Middle Layers)입니다.

여러 겹의 Mylar (금속화된 폴리에스터 필름)과 Dacron (폴리에스터 섬유)가 포함되어 있습니다. 이들 소재는 열을 반사하고 적절한 온도를 유지하는 데 도움을 줍니다. 중간 레이어는 진공 상태에서 열 전도를 방지하는 데 중요한 역할을 하며, Mylar와 같은 반사 필름이 여러 겹으로 구성되어 있어 열을 반사하고 단열을 강화합니다.

셋째, 내부 레이어 (Inner Layer)입니다.

이 레이어는 우주인의 몸을 밀폐하고 공기와 다른 기체의 유출을 막는 역할을 합니다. 보통 네오프렌 코팅 나일론으로 만들어져 있으며, 이는 밀폐성과 유연성을 제공합니다. 내부 레이어에는 온도 조절을 위해 액체 냉각 및 환기 시스템이 포함되어 있어 우주복 내부의 열을 제거하고 우주인의 몸을 쾌적한 온도로 유지합니다.

넷째, 라이너 (Liner)입니다.

내부 라이너는 우주인의 피부와 직접 접촉하는 부분으로, 온도 조절과 땀을 흡수하는 기능을 갖춘 소재로 만들어집니다. 보통 흡습 속건성의 기능성 섬유가 사용됩니다.

추가적으로 Thermal Micrometeoroid Garment (TMG)가 있습니다.

TMG는 외부의 극한 환경으로부터 보호하기 위한 복합 구조로, 방열 기능과 함께 미세 운석의 충격을 견디는 보호 기능을 합니다. 또한 여러 겹의 단열재가 사용되어 열전도를 최소화하고 우주인의 체온을 유지하도록 돕습니다.

이러한 복잡한 구조와 다양한 소재의 결합은 우주복이 우주 환경에서 우주인을 안전하게 보호할 수 있도록 합니다. 각 레이어는 서로 보완하며 작동하여 우주인이 직면하는 극한의 온도 변화, 방사선, 미세 운석 등의 위험 요소로부터 보호합니다.

글을 마치며

우주복의 구조와 원리에 대해서 간략하게 알아보았습니다.

해당 내용을 살펴 봤을 때 HVAC의 중요성을 한 번 더 확인 할 수 있었습니다. 사람을 혹독한 환경에서 버틸 수 있게 해주기 위해서 우주복을 단열과 기밀을 통해서 외부 환경과 격리된 밀폐 시스템으로 만들고 우주복 내부 환경을 조절하는 장치들을 부착하여 생명을 유지할 수 있는 환경을 만들어 낸다는 것, 간단한 것 같지만 분명 엄청만 기술력이 집약되었을 것이라 생각합니다.

이상으로 글을 마치도록 하겠습니다. 끝까지 읽어주셔서 감사합니다.