사용된 로켓은 위험한 우주쓰레기이지만 궤도에서 우주정거장으로 개조될 수 있다.
10월 초, 수명을 다한 소련위성과 버려진 중국로켓의 상부단계는 지구 저궤도에서 충돌을 간신히 피했다. 물체가 추락했다면 충격으로 인해 물체가 날아가고 수천 개의 새로운 위험한 우주파편이 만들어졌을 것이다. 불과 며칠 전, 유럽우주국 (European Space Agency)은 연간우주환경보고서를 발표했는데, 이 보고서는 버려진 로켓몸체를 우주선에 대한 가장 큰 위협 중 하나로 강조했다. 이 위험을 완화하는 가장 좋은 방법은 로켓발사공급자가 페이로드를 전달한 후 로켓을 분리하는 것이다. 그러나 Jeffrey Manber에게 물어 보면 로켓들은 완벽하게 좋은 거대한 금속튜브의 낭비라고 한다.
Manber는 국제우주정거장에서 개인탑재물을 호스팅하는 것으로 가장 잘 알려진 우주물류회사 Nanoracks의 CEO이며 지난 몇 년 동안 사용된 로켓의 상위단계를 소형우주정거장으로 바꾸는 계획을 수립 해 왔다. 새로운 아이디어는 아니지만 Manber는 이제 때가 왔다고 본다. "NASA는 연료탱크를 수리하는 아이디어를 여러 번 검토했다. 하지만 항상 버려졌다. 기술이 없었기 때문이다. NASA의 모든 이전 계획은 많은 제조및 조립작업을 수행하는 우주 비행사에 의존하여 프로젝트를 비싸고 느리고 위험하게 만들었다." Manber의 비전은 우주 비행사가 실험실, 연료저장소로 사용하기에 적합할 때까지 사용된 로켓의 몸체를 절단, 구부리고 용접하는 자율로봇으로 대체되는 외계절단상점을 만드는 것이다.
Outpost로 알려진 Nanoracks 프로그램은 두 번째 생명을주는 임무완수후 로켓을 수정한다. 첫 번째 전초 기지는 새로운 로켓의 상위단계에서 만들어진 비대칭 기지이지만 Manber는 미래의 기지가 사람들을 수용하거나 이미 궤도에있는 로켓단계에서 건설 될 수 있다고 말한다. 처음에 Nanoracks는 로켓 내부를 사용하지 않고 실험용 탑재 하중, 전원공급장치모듈 및 소형추진 장치를 동체 외부에 장착한다. 회사 엔지니어가이를 파악하면 로켓 내부를 가압실험실로 개발할 수 있다.
궤도로 향하는 로켓은 각각 자체 추진 탱크와 엔진이 장착된 최소 2단계로 발사된다. 큰 첫번째단계는 분리되어 지구로 떨어지기 전에 로켓을 우주 가장자리로 밀어 올리거나 SpaceX의 경우 바다의 자율무인항공기에 착륙한다. 두번째단계가 더 작으면 페이로드를 해제하기 전에 궤도속도까지 올린다. 그 시점에서 상부 스테이지는 일반적으로 엔진을 발사하기에 충분한 연료가 남아있어 지구로 다시 떨어진다. 상부 스테이지가 타지 않으면 제어되지않는 위성으로 행성을 계속 돌게된다.
Nanoracks 팀은 이미 우주정거장에 필요한 많은 특성을 가지고 있기 때문에 개발을 위해 이러한 상위단계를 목표로하고 있다. 로켓의 연료탱크는 압력을 견디도록 설계되었으며, 혹독한 발사를 견딜 수 있도록 믿을 수 없을 정도로 내구성이 뛰어난 소재로 제작되었다. 또한 넓다. SpaceX의 Falcon9의 상단단계는 직경 12피트, 높이 약 30피트로 뉴욕 아파트거주자가 질투 할 수있는 충분한 공간이다.
그러나 이 탱크는 실험이나 우주비행사가 이용하기 전데 약간의 리모델링이 필요하다. 첫 번째 단계는 폭발을 방지하기 위해 남은 연료를 배출하는 것이다. 그런 다음 로봇이 인수한다. 이 자동장치는 태양전지판, 표면장착커넥터 또는 소형추진장치와 같은 필수구성요소를 부착한다. Nanoracks의 전초기지프로젝트 관리자 Nate Bishop은 회사가 전체 상부무대를 작동하는 우주 정거장으로 전환하기 전에 몇 가지 작은 공간 내 데모를 수행 할 것이라고 말한다. Bishop은 “현재 우리는 실제로 아무것도 수정하지 않는다. 어태치먼트로 상위 스테이지를 제어 할 수 있음을 보여주는 데 중점을 둔다. 하지만 앞으로는 더 많은 커넥터와 그런 것들을 추가하기 위해 무대를 오르 내리는 작은 로봇무리를 만든다.”
한 가지 문제가 있다. 이전에 궤도에서 우주정거장을 변환하는 데 필요한 핵심 금속가공 및 제조기술을 입증 한 사람은 아무도 없다. 내년 5월, Nanoracks는 첫 번째 전초 기지 시범임무에서 이를 변경한다. 이 회사는 SpaceX 승차공유임무의 일부로 다른 여러 탑재물과 함께 배치될 소형챔버를 개발했다. 챔버 내부에는 빠르게 회전하는 드릴비트가 달린 작은 로봇팔이 로켓연료탱크에 사용 된 것과 동일한 재료로 만들어진 3개의 작은 금속조각을 절단한다. 실험이 잘 진행되면 이 도구는 파편을 생성하지 않고 정밀한 절단을 할 수 있어야한다. 우주의 진공속에서 금속이 절단된 것은 이번이 처음이다.
궤도에서 로켓을 변환하는 기본적인 과제는 물질이 우주환경에 어떻게 반응하는지 이해하는 것이다. 예를들어 한면이 태양을 향하고 다른면이 반대쪽을 향하면 재료의 온도가 수백도까지 다를 수 있다. 시도할 공간이 없으면 재료가 절단 또는 용접과 같은 표준 제조기술에 어떻게 반응할지 예측하기 어려울 수 있다. 태양전지판용 박막재료를 만드는 것과 같은 다른 기술은 결함을 방지하기 위해 초순수 환경이 필요하다. 우주는 진공이지만 여전히 지구에서 수출되는 기존의 제조공정을 방해 할 수있는 상당한 양의 먼지와 방사선을 포함하고 있다.
"70년이 지난 지금도 우주 제조에 대해 아는 것이 얼마나 적다는 것은 놀랍다. 정말로 우주 하드웨어에서 재사용 할 수 있는지 배워야한다. 이런 종류의 일은 평범해 보이지만 단계적으로 수행하면된다."
Outpost와 같은 미션 확장 프로그램은 우주산업에 새로운 것이다.
스푸트니크 이후 궤도에 놓인 물질은 의도적으로 궤도를 벗어났거나 버려져 지구로 다시 떨어졌다. 연료가 떨어지면 위성을 이동하거나 버려진 로켓선체를 지휘하는 기술이 없었다. 그리고 그것을 안전하게하는 방법에 대한 어떠한 규정도 없었고, 그것이 합법적인지에 대한 합의가 없었다.
하지만 상황이 바뀌기 시작했다. 작년에 Northrop Grumman 위성은 연료공급이 고갈된 다른 위성에 성공적으로 연결되어 새로운 궤도로 이동했다. 이 기동은 위성의 수명을 최소 5년 연장하고 공식적으로 우주임무확장 시대를 열었다. 올해 International Astronautical Congress에서 열린 강연에서 Northrop Grumman의 자회사 Space Logistics의 부사장 Joseph Anderson은 역사적인 임무를 시작하기 위해 라이선스 요구사항을 수정하기 위해 여러 미국 기관과 협력해야하는 방법을 설명했다. 앤더슨은 “미국정부가 수립한 라이선스 구조에 맞지 않았다. 궁극적으로 FCC가 주요 감독기관역할을하는 솔루션에 도달했다."
Nanoracks가 로켓을 우주 정거장으로 바꾸고 싶다면,이를 실현하기 위해 새로운 라이선스정책을 수립해야한다. Northrop Grumman의 임무는 궤도로 향하는 새로운 로켓의 수명을 연장하기위한 기반을 마련했을 수 있지만, 궤도에 버려진 로켓을 발사한 국가 또는 회사의 허가없이 로켓을 개조할 수 있는지 여부는 명확하지 않다.
우주 로펌 Mobius Legal Group의 수석변호사 James Dunstan이 수년간 고민해 온 문제이다. 지구상에서 국제해사법은 선원들이 바다에서 발견한 잔해를 구출 할 수 있도록 허용하고 있지만 Dunstan은 1967년에 체결된 국제협정인 우주조약에 따라 사용한 로켓은 발사한 사람의 재산으로 남아있다고 말한다. 이 법에 따르면 회사나 국가가 허가없이 버려진 로켓무대를 점령하면 재산을 무단침입하는 것이다. 그러나 Dunstan은 이 법의 해석을 오류라고 설명한다. 출시국이나 출범회사 모두 소비된 단계에 대해 정말로 신경쓰지 않는다. 그들은 버려진 로켓이 없어지기를 바랄 것이다.
하지만 지금은 던스탄이 요청하지 않고 로켓무대를 지휘한 모든 회사에 대해 "법적위험이 중요 할 것"이라고 말한다. 그는 10년 이상 "찾기 및 구조" 해양법이 로켓본체와 같은 궤도잔해물에 적용되어야한다고 주장해 왔지만 FCC 및 연방항공국과 같은 기관의 규제당국은 느리게 행동했다고 말했다. Dunstan은 “인양문제를 해결하기 위해 실제로 테스트케이스가 필요하다. 그리고 Nanoracks는 이를 수행하는 회사가 될 수 있다."
Manber는 재활용 로켓을 궤도 상거래를 늘리고 태양계에서 인류의 범위를 확장하기위한 다음 논리적 단계로보고 있다. 우주로 물건을 발사하는 것은 비용이 많이 들지만 이미 존재하는 자원을 활용하는 기술을 개발하면 지구 밖에서 생활하고 일하는 데 드는 비용을 크게 줄일 수 있다. "15년 또는 20년 앞을 내다 보면 구제할 좋은 것을 찾는 스카우트 임무가있다."라고 Manber는 말한다. “당신은 부품을 찾고 그것을 우주조립에 사용하는 탐사자들을 갖게 될 것이다. 미래의 큰 시장 중 하나가 될 것이다.”
MANBER 'S VISION은 오래 전부터 나왔다. 지난 50년 동안 NASA의 엔지니어들은 오래된 로켓을 인간의 서식지로 바꾸는 여러가지 방법을 연구했다. 기관의 첫 번째 우주정거장 Skylab은 원래 Apollo우주비행사를 달로 운반하는 거대한 발사기인 Saturn V의 상부단계에서 건설 될 예정이었다. 습식 워크 스테이션으로 알려진 이 개념은 프로젝트의 엔지니어가 대신 맞춤형 우주 정거장을 시작하는 것이 더 쉬울 것이라고 결정하기 전에 상당히 개발되었다. 로켓 재활용의 꿈은 죽지 않았다.
Bill Stone은 지구상에서 가장 깊은 곳을 방문한 극한 동굴탐험가이며 목성과 토성의 얼음 달에서 바다를 탐험하기 위해 로봇을 만들기 위해 설립한 회사 Stone Aerospace의 CEO이다. 그 전에 그는 국립표준기술연구소에서 10년 동안 우주왕복선의 외부탱크를 궤도서식지로 바꾸는 작업을했다. 당시 NASA는 결국 국제우주정거장으로 변형될 우주정거장개념 Freedom을위한 엔지니어링 설계를 막 탐구하기 시작했다. NIST의 지도부는 Stone과 그의 동료들에게 NASA의 개선 방안을 모색하려는 계획의 모든 세부 사항을 평가하도록 지시했다.
스톤은 "계속 튀어 나온 것 중 하나는 우주왕복선을 100% 재사용 할 수 없다는 사실이었다."라고 말한다. NASA는 우주선궤도를 착륙시키고 때때로 바다에서 고체부스터를 회수 할 수 있지만 로켓의 가장 큰 요소인 외부탱크는 발사 할 때마다 손실되었다. Stone과 그의 팀에게 이것은 엄청난 자원낭비였다. 외부탱크가 셔틀에서 분사되었을 때 궤도에 도달하는 데 필요한 속도의 98%에 도달했다. 나중에 산업실험실로 변환 할 수있는 공간에 보관하는 데는 많은 추가지원이 필요하지 않다.
셔틀 외부 탱크는 실제로 두 개의 분리된 탱크로, 액체산소를위한 작은 탱크와 액체수소를위한 훨씬 더 큰 탱크로, 하나의 거대한 구조를 만들기 위해 탱크 간 링으로 연결되어 있다. NIST 팀의 계획은 승무원이 점령을 위해 더 큰 탱크 중 하나를 준비 할 때 탱크 간 구역을 임시가압 서식지로 사용하는 것이었다. 이것은 우주비행사가 내부에 들어갈 수 있도록 해치와 외부탱크의 바닥에 부착된 작은 모터와 같은 탱크에 대한 몇 가지 수정을 필요로했다. 그러나 그 대가는 창고나 연구실로 사용할 수있는 엄청난 공간이었다. 더 작은 액체산소탱크는 현재 ISS에서 사용할 수있는 것보다 25% 더 많은 거주 가능 공간을 제공했을 것이다. 전체 외부탱크를 사용한 경우
Stone은 “65,000 파운드의 알루미늄과 인간거주를 위해 가압할 수있는 기타 항공우주등급 부품이 모든 임무에서 버려졌다. "SpaceX가 오늘 저궤도를 향상시키기 위해 제공할 최고속도를 고려하더라도, 버려졌던 수천억개의 자산을 사용하지 않는 것이다."
NIST의 계획이 1980년대에 통합되면서 57개 대학의 컨소시엄이 NASA를 위해 사용한 셔틀탱크를 전환하는 External Tank Corporation이라는 민간벤처의 대다수 지분을 인수했다. 회사의 사장인 Randolph Ware가 1987년 Los Angeles Times에 말했듯이 이 프로그램은 우주정거장 Freedom에 대한 기관의 계획과 경쟁하기위한 것이 아니다. Ware는 “우주정거장을 대신 할 수 없으며 산업단지 가장자리에있는 창고이다. External Tanks Corporations가이 프로젝트를 상용화하기위한 노력을 주도함에 따라 Stone과 NIST의 동료들은 재활용 된 우주 정거장의 디지털 및 물리적 시뮬레이션을 실행했다. 80년대 후반까지 그들은 NASA의 마샬우주비행센터에있는 수영장에 셔틀탱크모형을 만들어 우주비행사가 출입을 연습 할 수 있도록했다.
NIST는 우주 왕복선의 외부 탱크를 설계 한 유일한 조직이 아니다. Lockheed Martin이 될 것의 절반인 Martin Marietta Aerospace의 엔지니어가 이끄는 연구는 탱크를 더 큰 우주정거장의 기초로 사용하는 아이디어를 떠 올렸고, 탱크를 스크랩 금속으로 사용할 것을 제안한 별도의 궤도에 건물구조를 공군에게 제안했다. 같은시기에 보잉과 국방고등연구원의 공동연구 프로젝트는 외부탱크를 대구경 망원경으로 변환 할 것을 제안했다. Hilton Hotels조차도 셔틀 부스터로 Space Islands라는 궤도호텔을 건설할 계획을 가지고 있었지만, 프로젝트가 개념적 단계를 넘어서지는 않았다.
사용한 셔틀 부스터를 우주 정거장으로 바꾸려는 꿈은 1993년 클린턴행정부가 국제우주정거장에 승인 스탬프를 주면서 무너졌다. NIST의 Stone과 그의 팀은 최근 NASA의 최고 수준을 거쳐 백악관으로 올라간 우주정거장으로 셔틀부스터를 전환하는 제안을 제출했다. 그러나 클린턴행정부가 ISS와 함께 나아갈 준비를했을 때 NIST의 이사는 그를 그의 사무실로 불러 나쁜 소식을 전했다. NASA가 프로그램을 급증시켰다. Stone은 “우주정거장은 전국적인 일자리 프로그램이되었고 이 프로젝트는 우주정거장에 대한 위협으로 간주되었다. “NASA가 외부탱크를 저장하지 않은 것은 비극적인 실수였다."
이후 20년 동안 NASA 엔지니어들이 ISS에 노력을 집중하면서 오래된 로켓에서 생활하고 일한다는 생각은 기억에서 사라졌다. Jacobs Engineering의 NASA 계약자 Brand Griffin이 차세대 우주발사시스템 로켓의 연료탱크를 깊은 식지로 바꾸는 방법에 대한 연구를 이끌었을 때 아이디어가 완만하게 복귀 한 것이다. 우주 탐사역사에서 그는 매립된 우주정거장 Skylab II를 다시 생각해냈다.
이름과 마찬가지로 Skylab II는 NASA의 SLS 상단단계에서 단일 부품으로 발사 될 것이다. 이 로켓은 기관이 인간을 달로 다시 보내는 데 사용할 로켓이다. 승무원실은 사용하지 않은 수소연료탱크로 만들어져 로켓상단에 탑재 물로 발사된다. 이것은 궤도에서 사용한 상부단계에서 변환 된 것이 아니라 지상에서 수정된 토성로켓의 세 번째 단계에서 만들어진 Skylab의 디자인과 유사하다. 탱크를 실행 가능한 서식지로 만드는 데 필요한 모든 구성요소 (태양 전지판, 안테나, 로봇 팔)는 발사 전에 통합 될 것이다. Nanoracks Outpost 아이디어와 마찬가지로 우주비행사가 기지를 조립할 필요가 없다. 개조된 수소탱크는 최대 4명의 우주비행사를 수용 할 수있는 충분한 공간과 달이나 화성주변을 다년간 여행 할 수있는 충분한 공간을 갖추고 있다. Skylab II가 궤도에 진입하면 승무원은 Orion 승무원차량을 통해 후속 발사에 전달되어 서식지에 도킹하고 임무를위한 추진력을 제공 할 수 있다.
Griffin은 SkylabII 연구의 동기가 깊은 우주탐사비용을 낮출 필요가 있다고 말한다. ISS를 구축하는 데는 비용이 많이 들었고 모든 구성요소를 궤도에 올리려면 수십 번의 발사가 필요했다. 달이나 화성 주변의 유사한 모듈 식 스테이션은 여전히 더 비싸다. 그러나 Skylab은 한 번에 가능한 우주정거장을 발사 할 수 있음을 입증했다. Griffin은 “우리는 경제를 시스월 서식지로 가져오고 싶었다. 연구 후 Griffin과 그의 팀은 NASA의 Marshall Space Flight Center에서 Skylab II 기지의 실물크기모형을 만들었다.
그러나 NASA 관계자들의 프로젝트에 대한 열정에도 불구하고 아이디어는 보류되었고 기관은 달우주정거장에 대한 새로운 계획인 게이트웨이를 진행했다. Skylab II와 달리 Gateway는 모듈식이며 ISS의 축소버전과 더 유사하다. "사람들이 변화를 받아들이지 않는 데에는 많은 이유가 있다."라고 Griffin은 말한다. “때때로 사람들은 솔루션이 어디로 갈 것인지에 대한 아이디어를 얻고 이미 너무 많은 투자를했다. 더 많은 압력이 필요했지만 사람들이 반대하는 것 같지는 않았다.”
Manber와 Bishop은 우주 쓰레기를 우주 정거장으로 바꾸려는 실패한 시도의 오랜 역사를 잘 알고 있다. 그러나 그들은 다른 사람들이 실패한 곳에서 성공할 수 있다고 믿는다. 오늘날 로봇은 셔틀시대에 우주비행사팀이 필요했던 일부 작업을 수행 할 수 있다. 급성장하는 우주경제는 더 많은 궤도 R&D 플랫폼에 대한 수요를 주도하고 있다. 그리고 NASA의 달의 야망은 기관이 심 우주 공급망을 재고해야 할 것이다. Nanoracks는 회사가 로켓을 재활용하기 전에 많은 기본기술을 시연해야하지만, 수십 년 만에 처음으로 미래의 우주비행사가 중고 우주정거장에서 살게 될 것이라고 본다. Wired.com
