대기 관리 — 산소 공급과 CO₂ 제거 | 우주 여행 Wiki

국제우주정거장(ISS) 내부의 대기는 승무원의 생존을 위해 지구 지표면과 유사한 환경으로 정밀하게 유지됩니다. 대기 관리 시스템은 산소 공급, 이산화탄소 제거, 공기 정화를 하나의 통합 사이클로 운영하며, 이 중 하나라도 이상이 발생하면 즉각 생명에 위협이 됩니다.

ISS 내부 대기 목표 조성

아래 코드 블록은 ISS가 유지해야 하는 정상 대기 파라미터를 나타냅니다.

# ISS 내부 대기 목표 조성 (정상 운영 기준)
──────────────────────────────────────────────────
구성 요소         목표값          허용 범위
──────────────────────────────────────────────────
질소 (N₂)        79.0 %         78.0 – 80.0 %
산소 (O₂)        20.9 %         19.5 – 23.1 %
이산화탄소 (CO₂)   0.4 %         0.0 – 0.7 % (≤5.3 mmHg)
수증기 (H₂O)      ≈1.0 %         40 – 70 % 상대습도
──────────────────────────────────────────────────
전체 기압          101.3 kPa      70.3 – 102.7 kPa
온도              18 – 27 °C     18 – 27 °C (구역별 설정)
이슬점             4 – 16 °C     4 – 16 °C
──────────────────────────────────────────────────

CO₂ 농도가 1.0 %를 초과하면 두통과 피로가 시작되며, 3 % 이상이면 인지 기능이 현저히 저하됩니다. 5 % 이상은 즉각적인 위험 상황에 해당합니다.

전기분해 산소 발생 장치 (OGS)

산소 생성 시스템(Oxygen Generation System, OGS)은 전기분해를 이용하여 물에서 산소와 수소를 분리합니다.

기본 반응식:

2H₂O  →(전기분해)→  2H₂ + O₂

전압:  약 1.5 V (이론값), 실제 1.8 – 2.0 V 인가
전류:  약 100 A (ISS OGS 모듈 기준)
산소 생산량:  약 5.4 kg/일 (승무원 6명 기준)
수소 부산물:  약 0.68 kg/일 → 사바티에 반응기로 이송

OGS는 전기화학 전지(PEM, Proton Exchange Membrane) 방식을 사용합니다. 이온교환막이 양성자(H⁺)만 통과시키고 전자는 외부 회로로 흐르게 하여 수소와 산소를 물리적으로 분리합니다. 산소는 대기로 방출되고, 수소는 파이프라인을 통해 사바티에 반응기로 이송됩니다.

사바티에 반응기(Sabatier Reactor)와의 연계

사바티에 반응은 수소와 이산화탄소를 결합하여 물과 메탄을 생성하며, 자원 순환의 핵심 고리를 담당합니다.

CO₂ + 4H₂  →(촉매·약 400 °C)→  CH₄ + 2H₂O

생성된 H₂O → OGS로 재투입 (산소 재생)
생성된 CH₄ → 우주 공간으로 방출 (현재 ISS 기준)

이 반응은 대기 중 CO₂를 소비하는 동시에 물을 재생산하므로, OGS·WRS·CDRA가 하나의 물질 순환망을 구성합니다. 화성 탐사 미션에서는 메탄을 연료로 재활용하는 ISRU(In-Situ Resource Utilization) 기술과 통합될 예정입니다.

화학 산소 발생기 (Solid Fuel Oxygen Generator)

전기분해 시스템 고장 등 비상 상황에서는 염소산나트륨(NaClO₄) 연소 캔들이 사용됩니다.

반응식:  NaClO₄  →(점화·약 600 °C)→  NaCl + 2O₂
1캔들 산소 공급:  1명 × 약 1시간 분량
ISS 보유량:  수십 개 이상 (비상 대비 비축)
발열량:  상당한 열 발생 → 환기 필요

1997년 미르 정거장에서 연소 캔들이 화재를 일으킨 사례가 있어, 현재는 취급 절차가 매우 엄격하게 관리됩니다.

CO₂ 제거 방식 비교

방식	원리	용량/효율	주요 용도
LiOH 카트리지	LiOH + CO₂ → LiHCO₃ (비가역 흡수)	1인 1일 약 1 kg LiOH 소모	아폴로·셔틀 단기 임무, 비상용
CDRA (제올라이트 흡착)	제올라이트 분자체로 CO₂ 흡착 후 진공·열로 재생	연속 운전, 6인 기준 일 처리	ISS 상시 운용 주시스템
사바티에 반응기	CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O (촉매 반응)	CDRA 방출 CO₂ 활용	OGS 연계, 자원 재활용
전기화학 CO₂ 제거 (ECLS 신기술)	전기화학적 CO₂ 포집 및 분리	연구 단계	차세대 심우주 임무

LiOH는 일회용이라 장기 임무에 부적합하고, 아폴로 13호 사고에서 LiOH 카트리지 호환 문제가 생사를 가른 사례는 유명합니다.

CDRA 작동 사이클

탄소 제거 시스템(Carbon Dioxide Removal Assembly, CDRA)은 제올라이트 흡착제를 두 개의 컬럼에 교번 운전하여 연속적으로 CO₂를 제거합니다.

[CDRA 이중 컬럼 사이클]

1단계 — 흡착 (Adsorption)
  선풍기로 대기 통과 → 제올라이트 컬럼 A에 CO₂ 포집
  O₂·N₂는 통과, CO₂만 결합 (분자 크기·극성 차이 이용)
  지속 시간: 약 30분

2단계 — 재생 (Regeneration)
  컬럼 A 밸브 닫고 진공 펌프 연결 → 압력 저하
  동시에 히터로 120 °C 가열 → CO₂ 탈착
  탈착된 CO₂ → 사바티에 반응기로 이송

3단계 — 방출/대기
  컬럼 B가 흡착 역할 인계
  컬럼 A는 냉각 후 다음 사이클 대기

효율: CO₂ 제거율 약 70 – 80 % (1회 통과 기준)

미르 정거장 나우티루스 사건 — CO₂ 위험성 실례

1999년 미르 정거장 말기에 CDRA 계통 노후화와 보수 부족으로 CO₂ 수준이 정상 범위를 벗어난 사례가 보고되었습니다. 승무원들은 두통, 집중력 저하, 피로감을 호소하였으며, 이는 대기 관리 시스템 유지보수의 중요성을 강력히 시사한 사건으로 기록됩니다. 특히 장기 임무에서 CDRA의 흡착제 교체 주기와 필터 청결 상태는 생명 유지와 직결됩니다.

화성 탐사에서의 밀폐 대기 관리 설계 과제

지구~~화성 편도 비행에 6~~9개월이 소요되며, 이 기간 동안 재보급이 불가능합니다. 따라서 아래 과제들이 설계상 핵심 요구사항으로 부각됩니다.

완전 폐쇄 루프 달성: 현재 ISS 수준(약 90 % 산소 재활용)에서 98 % 이상으로 향상 필요
메탄 재활용: 사바티에 반응에서 발생하는 CH₄를 추진제 또는 에너지원으로 활용
흡착제 장수명화: 제올라이트 교체 없이 수년 운용 가능한 소재 개발
전력 의존성 감소: 태양광 감소 구간(화성 궤도)에서의 저전력 운용 모드 확보
화성 대기(CO₂ 95 %) 활용: 외부 CO₂ 포집으로 산소 생산(MOXIE 시험 성공, 2021)

공기 필터링 — 박테리아·곰팡이·VOC 제거

밀폐 환경에서는 인체, 기기, 식품에서 발생하는 다양한 오염 물질이 대기를 오염시킵니다.

오염원	제거 방법	특징
박테리아·바이러스	HEPA 필터 (0.3 μm 이상 99.97 % 제거)	6개월마다 교체
곰팡이 포자	HEPA + UV 조사	습도 관리와 병행
휘발성 유기화합물(VOC)	활성탄 흡착 + 촉매 산화	접착제·플라스틱 아웃가싱 대응
일산화탄소·암모니아	촉매 산화 + 워시 콜럼	화학 반응으로 무해화
먼지·부스러기	1차 메시 필터 + HEPA	미세중력 환경 특성상 부유 입자 많음

ISS에는 총 100여 개의 다양한 공기 질 센서가 탑재되어 있으며, 지상 관제팀이 24시간 대기 조성을 모니터링합니다. 이상 징후 발생 시 자동 경보와 함께 수동 개입 절차가 즉시 가동됩니다.

대기 관리 — 산소 공급과 CO₂ 제거