1. 서론
최근 국내에서는 한국해양과학기술원 주관으로 해저공간 창출ㆍ활용을 위한 설계, 시공, 운영ㆍ관리 기술 개발과 실증을 위한 ‘해저공간 창출 및 활용 기술개발(22–26)’ 연구를 수행 중에 있다. 이를 위해 수심 30 m, 3인, 약 27일 거주의 실증을 위하여 Fig. 1의 개념 설계안과 같이 해저공간 플랫폼(platform) 테스트베드(test-bed) 개발을 시작하였다[1]. 이러한 해저공간 플랫폼 개발을 위해서는 수중 구조물 개발, 구조물 기초설계 및 시공 등 신뢰성 높은 구조체 제작 기술이 필요하다. 그리고 이와 더불어 체류자 3명이 27일 동안 거주하기 위한 해저 플랫폼 내부 환경제어, 공기 관리, 물 공급 관리 등과 관련한 환경제어 및 생명유지시스템(environment control and life support system, ECLSS: 생명유지시스템) 또한 필수적인 시스템이고 기술이다. 그리고 이러한 생명유지시스템은 실제 구조물이 제작되기 전에 개발, 시험, 검증을 통해 설치되어야 하므로 생명유지시스템을 검증할 수 있는 해저공간 플랫폼 환경을 모사할 수 있는 지상실험모듈 개발이 필요하다. 이에 본 논문은 이러한 지상실험모듈 개발에 필요한 요구사항 분석하였고, 향후 이 결과를 통해 본 생명유지시스템 및 해저기지 플랫폼의 실제 구현을 위한 설계과정에 활용하고자 한다. 해저거주공간 플랫폼 개발은 2022년 4월부터 한국해양과학기술원에서 총괄기관으로 수행을 하며, 플랫폼 내부의 생명유지시스템 개발은 공동연구 기관인 한국항공우주연구원에서 개발을 수행하고 있다.
한국항공우주연구원의 생명유지시스템 연구는 우주탐사 및 해저 활용을 목적으로 공기정화장치, 이산화탄소 제거장치, 산소발생장치 등의 공기관리시스템을 중심으로 연구를 수행 중이며[2], 지상실험모듈은 생명유지 공기관리시스템(산소발생 시스템, 이산화탄소 제거시스템, 온습도 제어시스템 등)을 실제 해저거주공간 플랫폼에 적용하기 전에 이 모듈을 활용하여 시험 및 검증 등 개발을 수행하는데 활용하게 된다. 따라서 우선 지상실험모듈은 공기관리시스템의 시험을 위해 압력 및 기밀 환경, 사용자에 의한 온습도 제어환경, 실험 모듈 내 공기 조성, 공조장치 등의 시험 환경을 조성해 주어야 한다. 또한 공기관리시스템의 산소발생 시스템과의 기계적, 전기적 접속을 통해 해저와 유사하게 조성된 환경에서 산소발생시스템에 대한 성능과 신뢰성, 운영 시나리오 도출 등을 위한 시험 공간이 요구된다. 공기관리시스템에서 이산화탄소 제거시스템의 최적 설계를 위하여 해저공간 플랫폼과 유사한 이산화탄소 환경 조성을 위한 이산화탄소 공급장치, 이산화탄소 제거장치용 실험장치의 제작도 필요하다. 지상실험모듈은 내부의 해저공간 플랫폼의 온습도 제어장치의 시제품 등 개발 모델을 적용 가능하도록 하여, 온습도 제어장치의 설계, 운영시나리오 도출 등을 위한 시험 공간도 요구된다. 그리고 해저거주공간 플랫폼에 생명유지시스템을 적용함에 있어 안전 및 긴급상황 등을 고려하여 통합 제어와 운영할 통합운영장치에 대한 시험 및 검증이 가능한 시험 플랫폼도 필요하다.
2. 지상실험모듈 개발 요구사항 개요
지상실험모듈은 향후 해저거주공간 플랫폼이 해저 30 m에 설치되기 이전에 해저 플랫폼에 적용될 생명유지 공기관리시스템을 시험 및 검증하기 위한 모사 환경을 제공하는 시설이다. 따라서 지상실험모듈은 Fig. 2와 같이 공기관리시스템 실험실, 장비실, 제어실 등으로 나눠지고 각 실은 서로 독립된 환경(공조, 온습도 등)을 제공한다. 전체 실험 모듈은 해저 공간 플랫폼의 거주 모듈을 크기와 동일하게 만드는 것은 불가능하여 3인이 거주가능한 표준화된 크기를 적용하여 실험실이 약 6 m(L) × 2.4 m(W) × 2.4 m(H) 이상 구성되도록 한다. 그리고 장비실과 제어실은 약 6 m 길이로 구성되도록 한다. 지상실험모듈은 내부에서 장비 운영이 가능한 전력과 통신 시스템이 구축되고, 이와 더불어 내부로 물 공급, 공기(가스)가 공급 및 제어가 가능하도록 한다. 외부 재질은 철합금 구조로 제작되고, 실험실은 약 1.2 기압의 가압 환경에서 일정 시간의 기밀유지가 가능하도록 한다. 그 외 각 실 간의 통신장치 구축과 경보기, 카메라, 화재장치, 산소공급기 등의 안전장치가 구축된다.
실험실은 실험자가 머무르며 생명유지시스템의 시험을 수행하는 곳으로 다른 실과 1.2 기압 내외의 환경에서 기밀유지가 되도록 한다. 이를 위해 제어실로 연결되는 문을 이중으로 구성되도록 한다. 그리고 장비실로부터 공급받는 공기(산소, 질소, 이산화탄소 등)에 의해 산소발생시스템, 이산화탄소 제거시스템, 온습도 제어시스템 등의 생명유지시스템에 대한 데모와 시험을 수행한다. 이를 위해 화재감지와 진압, 실내 안전용 실내마스크 등 안전장치가 필수적으로 구축된다. 장비실은 생명유지시스템 시험을 위해 실험실 내부로 사용자가 원하는 공기를 조성하고 공급하는 공간이다. 이를 위해서 장비실에는 산소발생시스템의 설치와 산소 생산을 위한 물 공급과 배수, 전력 시스템 구축하고, 발생하는 산소는 유량제어기로 공급하고, 수소는 실험 모듈 외부로 배기시켜야 한다. 그리고 별도의 고압 가스(이산화탄소, 산소, 질소) 공급시스템이 구축된다. 이렇게 생성되는 모든 공기는 사용자에 의해 공기 조성과 공급량, 속도 제어가 가능한 유량제어기 구축이 요구된다. 제어실은 실험실 및 장비실 내부에 설치되는 생명유지시스템에 대한 시스템 상태를 모니터링(monitoring) 및 제어와 실험실 및 장비실 내부 공기 및 온습도 관련 센서 데이터 취득을 위한 통합제어 및 모니터링 시스템이 구축되어 사용자가 외부에서 전체 시스템을 제어 가능하도록 한다.
3. 지상실험모듈 주요 기능 및 구성
지상실험모듈은 해저 30 m에 설치되는 해저거주공간 플랫폼의 모사환경을 제공하고, 산소발생 시스템, 이산화탄소 제거시스템, 온습도 제어시스템 등 생명유지 공기관리시스템 각각의 성능시험 및 데모, 각 장비의 복합적 운영/제어, 긴급상황 대처 등 여러 상황에 대한 운영시험을 위한 테스트베드이다. 따라서, 모듈은 실험환경 조성을 위하여 공기 공급 제어 및 압력 제어, 실험의 안전을 위한 안전장치 등으로 구성된다. 개발하고자 하는 지상실험모듈의 세부적인 기능과 구성은 다음과 같다.
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○ 지상실험모듈 제작
<구조체>
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- 외부는 철합금 구조로 제작되고 전체하중을 견딜 수 있도록 제작
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- 지상실험모듈은 공기관리시스템 실험실, 장비실, 제어실로 구성되고, 각 실은 서로 독립된 환경(공조, 온습도 등) 제공
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- 전체 크기는 약 12 m(L) × 2.4 m(W) × 2.4 m(H) 내외로 제작하고, 실험실과 장비실은 각각 최소 6 m(L), 4 m(L) 이상이 되도록 구성
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- 각 실에 출입구 및 창 등이 구성되도록 함
<내외부 장치>
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- 지상실험모듈에 최대 20 kW 전력 수용 가능한 전기설비를 구축
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- 각 실에 필요한 전원구성, 조명 등을 구성함
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- 실내로 산소발생시스템을 위한 물 공급 및 배수 시스템, 온습도 제어장치를 위한 물 순환장치 구축
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- 장비실에서 생성된 공기/가스를 실험실로 공급하기 위한 유량제어장치와 지장실험모듈 외부로 배기되는 수소/산소 등의 가스를 위한 장치 구축
<안전 장치>
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- 각 실 간의 마이크/스피커 등 통신장치, 실내 모니터링 카메라, 화재 감지/진압(스프링 쿨러) 장치, 산소마스크 등 안전장치
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○ 실험실 내부 가스 유량 제어 및 압력(기밀) 유지
<산소발생장치 유량 제어>
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- 산소발생 시스템을 장비실에 설치하여 기계적, 전기적인 접속을 구축
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- 증류수 생산장비에 필요한 수돗물 공급/배수 시스템 구축
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- 산소발생 시스템에서 발생하는 산소(2.5 g/min 발생)를 유량 제어기로 연결하고, 발생하는 수소는 실험 모듈 외부의 안전한 공간으로 배기
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- 장비실 및 실험실 내부의 산소 및 수소 농도 측정 및 모니터링
<산소, 질소, 이산화탄소 공급장치>
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- 실험실 내부로 공기(산소 및 질소) 및 이산화탄소 고압가스 구축
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- 각 고압가스는 유량제어기로 연결되어 실험실 내부로 공급
<공기 유량 제어기>
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- 산소발생기 및 고압가스(산소, 질소, 이산화탄소) 공급장치에서 나오는 가스를 유량 제어기로 공급되고 유량제어기를 통해 실험실 내부로 공급
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- 실험실 내부에 기본적으로 산소 21%, 질소 79%를 조성된 환경에서 각 가스는 약 수 g/min– 수십 g/min 공급 가능하도록 함
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- 실험실 내부는 기본적으로 1 atm 수준에서 산소농도 18%–24% 유지
<실험실 모듈 압력(기밀) 유지>
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- 실험실 모듈 내부 기밀 유지: 최대 1.2 atm까지 가압이 가능하고 가압(1.1 atm) 환경에서 자연 감압속도 0.05 atm/일 이하로 유지
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- 압력 센서 설치 및 내부 압력 모니터링
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○ 실험실 이산화탄소 제거 제어
<이산화탄소 제거장치 구축 및 제어>
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○ 온도 및 습도 제어
<장비실 및 제어실 온습도 제어>
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○ 실험실 내부 공조장치
<실험실 공조 제어>
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○ 통합 제어 시스템 및 환경 모니터링
<공기질 측정 및 환경 모니터링>
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- 실험실 내부 산소, 질소, 이산화탄소, 휘발성 물질, 미세먼지, 수소 농도 측정 및 이상시 경고로 알림
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- 실험실 내부의 압력 측정 및 기밀환경 측정
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- 장비실 및 제어실 내부 산소, 수소, 이산화탄소, 질소 농도 측정 및 이상시 경고로 알림
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- 지상실험모듈 내부의 온습도 측정 및 이상시 경고로 알림
<통합 제어 시스템>
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- 유량제어기, 이산화탄소 제거시스템, 온습도 제어시스템, 내부 공조장치 등 주요 장치에 대한 통합 제어
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- 지상실험모듈의 기타장비(조명, 전력, 산소마스크, 마이크/스피커, 카메라 등)에 대한 제어
<안전 모니터링>
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- 지상실험모듈 내부 카메라 설치 및 영상 표시
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- 화재감지 및 이상동작 발생 시 경고 기능(LED 및 소리 등)
<통합 제어 시스템 프로그램>
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- 윈도우 기반 제어프로그램 및 PC와 연동 가능
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- GUI 형태로 사용자에게 제공
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- 30일 이상의 전체 데이터 저장 가능한 메모리 용량 및 데이터 외부전송 용이
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○ 기타
4. 지상실험모듈 개발을 위한 요구사항 상세분석
Table 1은 이전 지상실험모듈[3] 개발 경험과 해저 시스템의 요구사항 문서[4,5]를 참조하여, 해저거주공간 플랫폼 환경 모사 지상실험모듈의 개발을 위한 세부 요구사항 분석결과를 표로 정리한 것이다. 본 요구사항을 만족시키는 하드웨어(설비 및 장치)와 소프트웨어(제어 및 모니터링 프로그램)를 개발하고자 한다. 지상실험모듈은 산소발생시스템 2대(교대로 작동)를 설치하고, 실험이 가능하도록 설계에 반영하여야 한다. 이산화탄소 제거시스템의 카트리지는 시험이 가능한 형태로 별도 개발하며, 지상실험모듈에서 시험 후에 최종 제작에 착수할 예정이다. 그리고 통합제어시스템 개발에서도 안전을 위해 내부 및 외부에서 동시에 제어가 가능하도록 할 필요가 있다.
5. 요약
본 논문에서는 2022년 4월부터 ‘해저공간 창출 및 활용 기술개발(22–26, 해수부)’ 사업의 일환으로 인간이 체류할 해저거주공간 플랫폼 모사 지상실험모듈 개발을 위한 주요 요구사항 분석을 수행한 결과를 기술하였다. 본 요구사항 분석에 따라 생명유지 공기관리시스템을 설치하고 사전 실험을 수행할 지상실험모듈 제작을 수행할 것이다. 지상실험모듈은 향후 해저거주공간 플랫폼이 해저에 설치되기 이전에 해저 플랫폼에 적용될 생명유지 공기관리시스템을 시험 및 검증하기 위한 모사환경 제공 시설로써 공기관리시스템 실험실, 장비실, 제어실 등으로 구성된다. 향후 제작될 지상실험모듈의 하드웨어와 소프트웨어의 기능 및 성능시험도 이루어질 예정이며 시험 통과 후, 지상실험모듈을 활용한 공기관리시스템의 사전 실험이 진행될 계획이다. 실험 결과를 바탕으로 해저거주공간 플랫폼에 실제 설치할 산소발생 시스템, 이산화탄소 제거시스템, 공기중 유해물질 제거시스템, 온습도 제어시스템 등의 설계 및 제작이 향후 이루어질 예정이다. 본 연구의 해저공간 플랫폼 공기관리시스템은 국제우주정거장(ISS)과 같이 밀폐된 환경에서 인간의 거주에 필요한 환경제어와 생명유지를 위한 시스템(ECLSS, Environment Control and Life Support System)[6]과 거의 유사한 기능과 성능을 요구한다. 이에 본 연구는 향후 우주정거장, 유인 로버, 달 및 화성 기지 등 인간의 거주에 필요한 생명유지시스템 개발에 활용 가능할 것이다.
