플라즈마를 이용한 우주선 및 고고도 제트기용 냉각장치의 개발
1997년 영화 배트맨앤로빈에서 악당 Mr. Freeze(아놀드 슈워제네거 역)가 적을 얼리는 데 사용하는 광선 총이 개발될 수도 있습니다. 버지니아 대학의 한 교수는 현대의 과학기술로 그것을 만드는 방법을 알아냈을지도 모른다고 생각합니다. 그러나 아이러니하게도 열을 발생시키는 플라즈마에 의존하여 냉동시키는 이 기술은 무기를 위한 것이 아닙니다. 기계항공 우주공학 교수인 패트릭 홉킨스(Patrick Hopkins)는 우주선 및 고고도 제트기 내부의 전자 장치를 위한 플라즈마를 이용한 냉각장치를 연구중에 있습니다.
목차
우주선 및 고고도 제트기용 냉각장치 개발의 필요성
"우주선과 고고도 제트기 선상에는 많은 전자 장치가 있고 발열 때문에 뜨거워지지만 식힐 방법이 없습니다. 그것이 가장 큰 문제입니다."
- 패트릭 홉킨스(Patrick Hopkins) -
해군이나 육군은 전자장치를 사용함에 있어 공기나 바다물 또는 강물 등 자연을 통해 냉각하는 기술이 있지만, 공군은 진공 상태인 우주에 있거나 식힐 수 있는 공기가 거의 없는 상층 대기에서 기기를 운용하고 있어, 안그래도 계속 복잡해지고 있는 공군의 전자 장치는 계속 뜨거워지고 있습니다. 냉각수의 탑재는 무게가 증가하고 효율성이 떨어지기 때문에 다른 기술이 필요합니다.
미 공군은 패트릭 홉킨스 교수의 동결광선에 희망을 가지고 있고, 교수의 ExSiTE Lab(열 공학 실험 및 시뮬레이션)에 3년 동안 75만 달러를 지원하였습니다. 연구소는 시제품 제작을 위해 홉킨스 교수가 설립한 UVA Laser Thermal과 파트너십을 맺을 예정입니다.
플라즈마
물질은 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재합니다. 그러나 과학적으로는 네 번째 상태인 플라즈마가 있습니다. 지구에서는 상대적으로 드문 것처럼 보일 수 있지만 플라즈마는 우주에서 가장 흔한 형태의 물질이며, 바로 별을 만드는 재료입니다.
가스에 에너지가 공급되면 플라즈마가 발생할 수 있습니다. 가스 유형 및 기타 조건에 따라 달라지지만 플라즈마는 고유한 특성이 있습니다. 플라즈마는 핵의 궤도에서 전자를 내보내고, 에너지를 통해서 광자, 이온 및 전자의 흐름을 방출하는 초기 화학 반응입니다.
예를 들어 갑자기 번쩍이는 번개나 네온사인의 따스한 빛에서 놀라운 결과를 목격할 수 있습니다.
플라즈마의 수수께끼 반응
플라즈마는 태양만큼 뜨거운 온도에 도달할 수 있는 에너지입니다. 그런데 패트릭 홉킨스 교수는 열역학 제2법칙을 위반하는 것처럼 보이는 이상한 특성을 발견합니다. 플라즈마가 어떤 표면에 닿으면 가열되기 전에 차가워 지는 것을 발견하였습니다.
홉킨스 교수는 매우 빠르고, 매우 작은 온도 변화를 측정하는 맞춤형 현미경 기기가 있습니다.
실험에서 그들은 세라믹으로 싸인 속이 빈 바늘을 통해 헬륨에서 생성된 보라색 플라즈마를 발사했습니다. 대상은 금도금 표면이었습니다. 실험 결과를 왜곡할 수 있는 플라즈마 빔에 의한 표면 식각을 피하기를 원하기에 불활성인 금을 선택하였습니다.
홉킨스 교수의 현미경은 플라즈마를 켰을 때 플라즈마가 닿는 즉시 온도를 측정할 수 있었고 표면이 어떻게 변했는지 확인할 수 있었습니다. 그는 먼저 표면이 식은 다음 가열되는 것을 확인하였습니다.
식었다가 가열되는 정밀 온도변화는 이전에 누구도 실험한 적이 없어 관련 문헌이 없었기에 홉킨스 교수팀은 계속 실험하였고, 결과는 몇 번이고 반복되었습니다.
이러한 현상과 표면 냉각은 수영 후 물이 피부에서 증발할 때도 유사한 과정이 일어납니다.
"몸에서 물 분자가 증발할 경우 에너지가 필요합니다. 몸에서 에너지를 가져 오기 때문에 추위를 느끼는 것입니다. 마찬가지로 플라즈마는 흡수된 에너지를 급격히 방출하여야 하기 때문에 이 과정에서 냉각이 발생합니다."
- 패트릭 홉킨스(Patrick Hopkins) -
우주선 및 고고도 제트기 냉각장치 솔루션
공기 및 우주 전자 장치에 대한 일반적인 냉각 솔루션은 전자 장치에서 열을 방출하는 라디에이터 쪽으로 열을 전도하는 냉각판이었습니다. 그러나 고급 전자 장치의 경우에는 냉각 성능이 충분하지 않을 수 있습니다.
홉킨스 교수팀은 매우 짧은 시간 동안 냉각되었다 가열되는 플라즈마의 특성을 이용하여, 매우 정밀한 냉각 장치를 개발하고 있습니다. 아주 짧은 시간동안 매우 정밀하게 국소적으로 냉각을 시키는 것입니다. 이것은 냉각장치처럼 보이지 않을 수도 있지만 고급 전자 장치에서 이 정밀한 온도차이는 매우 중요합니다.
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