우주용 냉장고 개발이 어려운 이유

현대인 생활에선 음식을 장기간 저장하기 위한 냉장고를 빠뜨릴 수 없다. 식량 보충 기회가 제한되어 버리는 우주 생활에서도 냉장고는 필수적이지만 우주에서 충분히 기능하는 냉장고 개발은 어려운 일이다. 이런 우주용 냉장고를 퍼듀대학 기계공학 연구팀이 미 항공우주국 나사(NASA)와 공동 개발하고 있다.

2021년 5월 168일간 국제우주정거장에서 임무를 마친 나사 우주 비행사 빅터 글로버는 우주인 냉장고는 ISS 승무원 사기를 정말 높인다면서 냉장고가 있는 것으로 ISS에서도 지상에서 익숙해진 생활을 보낼 수 있다고 밝혔다.

국제우주정거장에는 영하 160도까지 냉각할 수 있는 시설이 다수 있지만 이들은 우주 실험용 인큐베이터이며 오염을 방지하기 위해 식품 저장에 사용할 수는 없다. 우주비행사가 개인적으로 이용할 수 있는 냉장고는 실험용 고사양 냉장고가 아니라 장기간 가동 가능한 편리성과 보수성, 에너지 효율을 중시한 심플한 것이다. 다시 말해 지상에서 사용되는 듯한 냉장고여야 하지만 일반 냉장고를 우주 같은 미소 중력 환경에서 동작시키는 건 어렵다.

일반 가정에서 사용하는 냉장고는 가스압축식 방법을 채택하는 게 대부분이다. 가스압축식 냉각관을 순환하는 액체 냉매가 증발할 때 기화열로 냉장고 내부에서 열을 흡수해 외부로 방출하고 냉장고 내부를 식혀준다. 기화된 냉매는 압축기에서 다시 고온 고압 기체가 되어 콘덴서에서 액체로 응축한다. 이 압축기 가동부에는 오일이 사용되고 있으며 압축기에 설치된 오일팬에 떨어진 게 다시 순환해 사용하는 구조다.

하지만 이 오일 순환은 중력이 있어야 성립된다. ISS 같은 미소 중력 환경에선 오일이 오일팬에 떨어지지 않고 여러 방향으로 흩어져 버려 압축기가 태울 수 있기 때문에 정상 작동을 유지하기 어렵다는 것이다.

퍼듀대학 기계공학 연구팀은 의료 분에에서 수술기구와 구명용 인공호흡기를 이동하기 위해 사용되는 오일 프리 압축기에 주목했다. 또 압축기를 냉각하기 위해 가동부 외부에 냉각수 순환 수냉 시스템을 채택했다.

게다가 연구팀은 냉장고를 눕혀 놓거나 거꾸로 작동 여부를 확이하기 위해 냉장고 자체를 회저시켜 검증을 실시했다. 또 항공기에 실험용 냉장고를 탑재하고 포물선 낙하에 의한 20초 미소 중력 환경에서 제대로 작동하는지 여부를 확인하는 실험을 30회 실시했다. 그 결과 실험용 냉장고를 어느 방향으로 들리거나 미소 중력 조건에 배치하거나 해도 제대로 작동하는 걸 확인했다.

연구팀은 연구 프로젝트 목표는 우주비행사가 냉장고를 수리하지 않도록 하는 것이라며 하지만 이 냉장고가 우주에서 얼마나 연속 사용 가능한지는 알 수 없다면서 3년에 걸쳐 실시한 연구 프로젝트에 냉장고가 지금까지 실패한 적은 없지만 10년 장기 운용은 아직 경험하지 못했다고 밝혔다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.