우주선의 모양 -3 (Children of a Dead earth 번역글)

이번에는 우주선의 라디에이터에 대해 살펴보겠다.

 

라디에이터는 우주선 내부의 장비들을 식히기 위해 필요하다. 핵발전기는 엄청난 양의 열을 내뿜고 다른 것들도 아주 많은 열을 내뿜는다. 현실의 핵발전기들은 바다에 열을 배출하면 되지만, 비행기나 지상 장비들은 어디에 열을 배출해야 하는가?

 

우주에도 딱히 해결책이 없다. 우주에는 아무것도 없기 때문에 열을 다른 곳으로 전달할 수 없다. 따라서 복사를 통해 방출해야 한다. 모든 물체는 흑체복사를 통해 열을 방출한다. 그리고 방출하는 열의 양은 온도에 달려있다.

 

그래서 라디에이터가 있는 것이다 ISS에는 이미 달려 있다.

태양전지 옆에 라디에이터가 있다.

라디에이터는 관이 달려있는 얇은 판이다. 한쪽으로 뜨거운 액체가 들어가고 한쪽으로 찬 액체가 나온다. 이런 식으로 라디에이터는 온도를 내려준다. 각각의 라디에이터는 다른 기계를 냉각시킨다. 그래서 라디에이터가 각각 다른 색으로 빛나는 것이다(오렌지, 노란색, 적외선 등등).

 

한 개의 라디에이터로 모든 열을 내뿜을 수 없는 이유는 열역학 제 2 법칙 때문에 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흘러서 특정 모듈은 냉각이 아니라 가열이 될 수도 있기 때문이다.

 

예시로 293K의 온도인 승무원 모듈과 1000K의 온도인 원자로 온도가 햡쳐지면 그 중간의 온도로 된다. 원자로는 시원해지겠지만, 승무원 모듈은 녹아버릴 것이다.

라디에이터는 왜 이렇게 생겼는가? 열의 발산은 표면적과 관련있다. 따라서 넓은 판이 가장 열을 방출하기 효과적이다. 구부러진 건 라디에이터를 일시적으로 접을 수 있게 하기 위해서이다(열추적 미사일이 날아오거나 라디에이터를 보호하려고).

 

다른 디자인의 라디에이터도 존재한다. 그러나 문제점들이 있다. 액체 방울 라디에이터는 분사기와 흡수기로 나뉘어 있는 구조이다. 이 액체 라디에이터는 물질의 끓는점까지 온도를 올릴 수 있게 해준다. 이 방법의 문제는 온도가 그닥 중요한 요소가 아니라는 것이다.  실리콘 카바이드나 refractory ceramics 는 3000K 넘게 가열될 수 있고, 더 특이한 물질인 하프늄 카바이드 같은 것들은 4000K넘게 가열될 수 있다. 이들의 물질 특성은 더 낮은 온도에서 약해지지만, 그래도 여전히 쓸만하며, 스스로의 열팽창으로 부서지거나 하지 않는다.

액체 벨트형 라디에이터

열역학에 의해 라디에이터는 자기가 냉각하는 시스템보다 차가워질 수 없다. 이 게임에서 라디에이터는 3000K정도까지 올라가지만, 라디에이터는 그 절반 정도까지만 올라간다. 이 게임에서 쓰이는 핵발전기는 1688K의 원자로 온도와 1200K정도의 라디에이터 온도를 갖고 있는 정도이다. 아래 핵발전기를 보여주겠다.

13MW 원자로

물질들이 이 두 배의 온도를 견딜 수 있으면서 왜 이렇게 차가운가? 원자로와 라디에이터를 연결하는 부위 또한 이 열을 버텨야 하고, 온도가 낮을 때 더 잘 작동하기 때문이다.

 

원자로는 온도의 차이를 이용한 열전기 발전기를 사용한다(터빈식 발전기도 비슷한 한계를 가졌을 것이다.). 여기서 열전대는 높은 온도를 버텨야 한다. 열전대는 제벡 상수가 큰 물질을 요구하는데, 이런 물질들은 낮은 녹는점을 가진다. 또한 높은 온도 차는 많은 열팽창 스트레스를 견뎌야 하는데 이런 물질들은 견딜 수 없다.

 

열전대는 두 개 사이의 온도차가 클 때 가장 효율적이다 그런데 라디에이터는 온도가 높을 때 열을 가장 잘 발산한다. 이 말은 열전대가 효율적일수록 냉각시키기 힘들다는 것이다. 이거 두 개를 적절히 만족시켜야 한다.

 

흑체 복사 색깔과 온도

위 그림을 통해 라디에이터의 용도를 알 수 있다.

 

그럼 라디에이터 간의 반사는 무엇인가? 키르히호프 복사 법칙에 따르면 서로의 열이 다시 흡수될 수 있다. 같은 파장의 빛을 방출하기 때문이다.

 

서로의 열을 흡수하고 있는 라디에이터

흑체복사는 단순히 수직으로 빛을 내뿜지 않는다. 구면으로 내뿜는다. 강도는 수직에서 코사인만큼씩 떨어진다. 0도가 되면 서로 반사되거나 하지 않는다. 라디에이터가 서로 겹친다면, 효율은 줄어들겠지만, 제 기능을 다하긴 할 것이다.

 

라디에이터는 장갑화될 수 있는가? 그렇다. 그저 판이 있고 튜브가 있는 관이기 때문이다. 단순히 판의 두께만 늘리면 된다. 그러나 열 전달에 악영향을 주기 때문에 라디에이터의 효율성이 떨어진다. 라디에이터가 피해를 입을 확률과 낮은 효율과 무게 사이에서 균형을 잡아야 한다.

 

Children of a Dead Earth는 극사실주의 SF게임이다 스팀에서 구매할 수 있다.

출처:

childrenofadeadearth.wordpress.com/2016/04/25/why-does-it-look-like-that-part-3/