[논문 리뷰] Debris Engine: A Potential Thruster for Space Debris Removal

Lei Lan, Jingyang Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 23.

Space Satellite Systems and Control참고 문헌 24인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 궤도 상의 쓰레기를 추진제로 사용하는 새로운 우주 추진기인 Debris Engine를 제안한다. 이 시스템은 쓰레기를 캡처하고 분쇄해 마이크론 크기의 분말로 만들며, 전기적으로 충전한 후 전기력선 가속기로 가속시켜 연속적인 추진력을 생성한다. 이 과정은 쓰레기 제거와 추진력 생성을 동시에 가능하게 하며, 특정 임파ulse는 전기적 잠재력과 분쇄된 쓰레기 입자의 전하-질량 비율에 따라 결정된다.

ABSTRACT

We present a design concept for a space engine that can continuously remove the orbit debris by using the debris as a propellant. Space robotic cleaner is adopted to capture the targeting debris and to transfer them into the engine. Debris with larger size is first disintegrated into small pieces by using a mechanical method. The planetary ball mill is then adopted to grind the pieces into micrometer or smaller powder. The energy needed in this process is get from the nuclear and solar power. By the effect of gamma-ray photoelectric or the behavior of tangently rub of tungsten needles, the debris powered is charged. This behavior can be used to speed up the movement of powder in a tandem electrostatic particle accelerator. By ejecting the high-temperture and high-pressure charged powered from the nozzle of the engine,the continuously thrust is obtained. This thrust can be used to perform orbital maneuver and debris rendezvous for the spacecraft and robotic cleaner. The ejected charged particle will be blown away from the circumterrestrial orbit by the solar wind. By digesting the space debris, we obtain not only the previous thrust but also the clean space. In the near future, start trek will not just a dream, human exploration will extend to deep universe. The analysis shown, the magnitude of the specific impulse for debris engine is determined by the accelerating electrostatic potential and the charge-to-mass ratio of the powder.

연구 동기 및 목표

• 궤도 상의 쓰레기 위협 증가 문제를 해결하기 위해, 동시에 쓰레기 제거와 추진력을 생성하는 추진 시스템을 개발한다.
• 쓰레기 청소 우주선이 궤도 상 자원을 현지에서 이용함으로써 장기간 연속적인 궤도 조작을 가능하게 한다.
• 분쇄된 쓰레기 입자를 전기력선 가속기에서 추진제로 사용할 수 있는지의 실현 가능성을 탐색한다. 이는 높은 특정 임펄스를 달성하는 데 기여한다.
• 쓰레기 제거가 직접적으로 추진력 생성에 기여하는 폐쇄형 시스템을 구현함으로써 기존 추진제 의존도를 낮춘다.
• 행성 간 임무에 응용 가능한 쓰레기 제거 기술의 재사용 가능성을 탐구하여 탐사 임무의 가능성을 확장한다.

제안 방법

• 목표된 수집을 위해 우주 로봇 청소기로 궤도 쓰레기를 캡처한다.
• 분쇄 이전에 기계적 방법을 사용해 큰 쓰레기를 더 작은 조각으로 분해한다.
• 행성 구형 분쇄기를 사용해 쓰레기 조각을 마이크로미터 이하 크기의 분말 입자로 분쇄한다.
• 태양열 및 핵 에너지원을 통해 분쇄 및 충전 과정에 필요한 에너지를 공급한다.
• 감마선 광전 효과 또는 wolfram 나선을 이용한 탄성 마찰을 통해 분말 쓰레기를 충전한다.
• 이온화된 분말 입자를 터널형 전기력선 입자 가속기로 통과시켜 노즐을 통해 방출함으로써 연속적인 추진력을 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 궤도 쓰레기를 전기력선 가속에 적합한 1미크론 이하 크기의 입자로 효과적으로 분쇄할 수 있는가?
• RQ2 전기력선 가속과 전하-질량 비율을 고려할 때, 분쇄된 쓰레기를 추진제로 사용하는 추진기의 도달 가능한 특정 임펄스는 얼마인가?
• RQ3 태양열 및 핵 에너지원으로부터의 에너지가 쓰레기 분쇄 및 입자 충전에 얼마나 효율적으로 활용될 수 있는가?
• RQ4 무중력 조건에서 쓰레기 입자의 전기력선 충전이 지속적이고 제어 가능한가?
• RQ5 쓰레기 추진에서 발생하는 추진력이 궤도 조작 및 쓰레기 수거 임무 수행에 얼마나 기여할 수 있는가?

주요 결과

• Debris Engine의 특정 임펄스는 가속하는 전기적 잠재력과 분쇄된 쓰레기 입자의 전하-질량 비율에 의해 결정된다.
• 시스템은 쓰레기를 현지에서 추진제로 활용함으로써 연속적인 추진력을 생성할 수 있으며, 기존 추진제 보충의 필요성을 줄인다.
• 행성 구형 분쇄기를 사용해 쓰레기를 마이크론 크기 이하로 분쇄하는 것은 전기력선 가속에 적합한 추진제를 준비하는 데 실현 가능한 방법이다.
• 감마선 광전 효과 또는 wolfram 나선을 이용한 기계적 마찰을 통해 쓰레기 입자를 전기적으로 충전할 수 있다.
• 방출된 전하를 띤 입자들은 태양풍에 의해 저궤도에서 분산되어 장기적인 궤도 정화가 가능할 것으로 예상된다.
• 논문은 그림 1에 중요한 부호 오류가 있었기 때문에 철수되었다. 이는 제안된 메커니즘의 주요 기술적 검증을 무효화시켰다.