snow · 2026.5.30 23:54 · 조회 0
수자원 순환 시스템
우주 공간에서 물은 생존의 근본이자 자원 재활용 기술의 핵심입니다. 국제우주정거장(ISS)의 물 재활용 시스템(Water Recovery System, WRS)은 소변, 땀, 호기 중 수분, 실험 폐수를 모두 회수하여 음용 가능한 식수로 정제합니다. 현재 90 % 이상의 재활용률을 달성하고 있으며, 이는 심우주 탐사의 물 자급 기술 기반이 됩니다.
ISS 물 재활용 시스템 전체 흐름도
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ ISS 물 재활용 시스템 (WRS) 흐름도 │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
[소변 수집]──────→ [UPA 소변 처리 장치] ──→ [전처리 증류수]
(진공 증류·원심분리) │
↓
[호기 수분]──────→ [CCAA 습기 응축 회수] ──→ [회수 물(폐수 탱크)]
(땀·호흡 수증기) (열 교환·응축) │
↓
[실험 폐수]──────────────────────────────→ [통합 폐수 탱크]
[세척 폐수] │
↓
[WPA 수처리 장치]
┌─────────────────┘
│ 1단계: 다중 필터 (입자·유기물)
│ 2단계: 촉매 산화 (VOC 분해)
│ 3단계: 이온 교환 (금속 이온 제거)
│ 4단계: 요오드 살균 (미생물 억제)
└─────────────────┐
↓
[안전 식수 탱크]
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재활용률: 90 % 이상
일일 공급: 약 3.6 L/인
소변 처리 장치 (UPA — Urine Processor Assembly)
UPA는 진공 증류 방식으로 소변에서 수분을 추출합니다. 우주 공간의 진공 환경을 활용하면 낮은 온도에서도 물이 증발하므로 에너지를 절약할 수 있습니다.
원리 및 사양:
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 처리 방식 | 진공 증류 + 원심분리 (기포·수분 분리) |
| 처리 용량 | 약 9 L/일 (승무원 6명 기준) |
| 수분 회수율 | 약 85 – 90 % |
| 처리 시간 | 1 배치당 약 2.5시간 |
| 잔류 농축액 | 폐기 (진공 방출 또는 지구 귀환 폐기물) |
| 운용 온도 | 약 45 °C (진공 하에서 증발) |
미세중력 환경에서는 소변이 구형으로 뭉치는 경향이 있어, 전용 수집 깔때기와 진공 흡입 시스템을 사용합니다. UPA 내부 원심분리기는 액체와 기체를 분리하는 핵심 부품이며, 고장 시 수동 처리 절차로 전환됩니다.
수분 응축기 (CCAA — Common Cabin Air Assembly)
인체는 호흡과 땀을 통해 하루 약 1.8 L의 수분을 대기 중으로 방출합니다. CCAA는 이 수분을 회수합니다.
[작동 원리]
대기 흡입
↓
냉각 코일 통과 (온도를 이슬점 이하로 낮춤)
↓
수분 응결 → 응축수 생성 (미세중력에서 표면장력으로 코일에 부착)
↓
원심분리 또는 진공 흡입으로 응축수 수집
↓
폐수 탱크로 이송
↓
건조 공기 대기로 재방출
회수량: 약 3 L/일 (6인 기준)
상대습도 유지 범위: 40 – 70 %
CCAA는 습도 조절과 수분 회수를 동시에 수행하므로 대기 관리 시스템과도 긴밀히 연동됩니다.
정수 과정 4단계 상세
소변·폐수에서 회수된 물은 WPA(Water Processor Assembly)를 거쳐 4단계 정수 과정을 통해 식수로 전환됩니다.
1단계: 다중 필터 (입자·유기물 제거)
필터 구성:
- 1μm 메시 필터: 큰 입자 제거
- 활성탄 필터: 유기 화합물, 냄새, 색소 흡착
- 목적: 후처리 단계 부하 감소 및 물리적 오염원 제거
2단계: 촉매 산화 (VOC 분해)
방식: 고온(약 130 °C)의 촉매 산화기 통과
반응: 유기물 + O₂ → CO₂ + H₂O
대상: 잔류 요소·크레아티닌·휘발성 유기화합물
결과: 복잡한 유기 분자 분해, CO₂는 대기 관리 시스템으로 이송
3단계: 이온 교환 (금속 이온 제거)
방식: 양이온·음이온 교환 수지
제거 대상: Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, 중금속 이온, 불소
목적: 무기물 용존 고형물(TDS) 기준치 이하로 정제
교체 주기: 약 200 L 처리마다
4단계: 요오드 살균 (미생물 억제)
방식: 요오드(I₂) 소량 투입
농도: 약 2 – 4 mg/L (지구 수돗물 염소 처리와 유사 원리)
목적: 박테리아·바이러스 불활성화, 저장 중 재오염 방지
음용 전: 활성탄 필터로 요오드 농도 최종 조절
재활용률 90 % 이상 달성
ISS WRS는 2008년 가동 이래 꾸준한 기술 개선을 거쳐 현재 90 % 이상의 물 재활용률을 유지합니다.
| 연도 | 재활용률 | 주요 개선 사항 |
|---|---|---|
| 2008 | 약 74 % | WRS 최초 가동 |
| 2011 | 약 80 % | UPA 업그레이드 |
| 2016 | 약 85 % | 필터 교체 주기 최적화 |
| 2023 | 약 90 % | BWRS(Brine WRS) 추가 → 농축 폐수에서 추가 수분 회수 |
BWRS(Brine Water Recovery System)는 UPA 처리 후 남는 농축 잔류액에서 추가로 수분을 회수하여 재활용률을 획기적으로 끌어올렸습니다.
화성 임무 요구사항 — 99 % 이상 재활용
화성 편도 비행 6~9개월, 화성 체류 약 18개월을 포함한 총 3년 임무에서 물 재보급은 불가능합니다.
화성 임무 물 수지 계산 (4인 승무원 기준)
1인 1일 소비량: 약 2.0 kg (식사·음료·위생)
4인 1일 소비량: 약 8.0 kg
36개월(1095일) 총: 약 8,760 kg
현재 ISS 재활용률 90 % 적용 시:
초기 탑재 필요량: 약 8,760 kg / (1 - 0.90) = 87,600 kg → 불가능
99 % 재활용률 달성 시:
초기 탑재 필요량: 약 8,760 kg / (1 - 0.99) = 876,000 kg × 0.01 = 87.6 kg
실질 보충 필요량: 87.6 kg (초기 탑재량) + 화성 현지 조달
이를 달성하기 위해 NASA는 BWRS 고도화, 전기화학 정수 기술, 화성 지하수·수화 광물 활용 ISRU를 병행 연구하고 있습니다.
미세중력에서의 유체 취급 과제
[미세중력 유체 특성]
표면장력 지배:
→ 물방울이 구형으로 부유
→ 파이프 내 기포가 분리되지 않아 펌프 공동현상 발생 위험
해결책:
- 친수성 코팅 배관으로 액체 흐름 유도
- 원심분리기로 기포 강제 분리
- 다상 유동 감지 센서 설치
소변 수집 문제:
→ 소변이 구형 방울로 분리되어 오염 위험
해결책: 진공 흡입 수집 장치(깔때기 + 팬) 사용
응축수 수집 문제:
→ 수분이 코일 표면에 막을 형성, 기존 중력 배수 불가
해결책: 원심분리 또는 흡수 패드 사용
우주 식수 안전성 검증
ISS 식수는 NASA 음용수 기준(NASA-STD-3001)에 따라 지속적으로 검사됩니다.
| 검사 항목 | 방법 | 주기 |
|---|---|---|
| 미생물 오염 | 배양 검사 + ATP 발광 측정 | 매주 |
| 화학 오염물 | 이온 크로마토그래피 | 격주 |
| pH·TDS | 인라인 센서 자동 모니터링 | 실시간 |
| 요오드 농도 | 비색 분석 | 매일 |
| 중금속 | 지상 귀환 샘플 분석 | 분기별 |
지상 팀은 대조 표준 샘플과 비교하여 ISS 식수 품질을 검증하며, 기준 초과 시 해당 배치는 폐기하고 시스템 점검에 들어갑니다. 현재까지 ISS 식수는 지구 지표수 기준을 대체로 상회하는 품질을 유지하고 있습니다.
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