인간 폐기물을 로켓 연료로 전환시키는 공정

달을 탐사하는 장기적인 유인 우주 임무(manned long term exploratory missions)를 위한 폐기물 처리와 관리(waste treatment and management)는 보다 더 길어진 임무 수행을 달성하는 데 도전과제가 될 것이다. 이 연구는 우주선에서 사용될 수 있는 적합한 소화 기술(digester technologies)을 조사했다.

미국 플로리다 대학(UF; University of Florida) 소속의 연구진은 나사의 요청으로 분뇨를 포함한 인간 폐기물(human waste)을 로켓 연료(rocket fuel)로 전환하는 방안에 대하여 제안했다. 관련 연구의 제목은 “장기적인 달 탐사 임무를 수행하는 동안 폐기물 관리와 연료 생성을 위한 혐기성 소화조의 디자인과 운영(Design and operation of an anaerobic digester for waste management and fuel generation during long term lunar mission)”이다.

우주 프로그램을 위하여 개발된 다른 많은 것과 마찬가지로 이 공정이 갖는 장점은 동일한 공정이 지구에도 잘 적용될 수 있다는 점이라고 플로리다 대학 농업 및 생물 공학부 조교수인 Pratap Pullammanappallil은 밝혔다. 이 공정이 폐기물을 연료로 전환하는 캠퍼스, 마을 또는 어느 장소라도 사용될 수 있다고 Pullammanappallil은 덧붙였다.

2006년, 나사는 2019년부터 2024년 사이에 달 표면에 거주 시설을 구축하는 계획을 수립하기 시작했다. 나사의 달 거주 시설 구축 목표의 일환으로, 나사는 지구를 떠나는 우주선의 무게를 줄이는 방안을 모색하기를 원했다. 역사적으로 우주비행 동안 생성된 폐기물은 더 이상 사용되지 못했다. 지구 대기를 통과하여 되돌아올 때 연소시키는 우주 화물선 차량에 탑재될 때까지, 나사는 폐기물을 컨테이너 내부에 저장한다. 미래 장기적인 임무를 위하여, 지구로 귀환할 때까지 모든 폐기물을 우주선에 저장하는 것은 실용적인 방안이 아니다.

달 표면에 폐기하는 것 역시 바람직한 선택 사항이 아니다. 따라서 항공 우주국은 플로리다 대학 연구진의 시험적인 아이디어를 개발하는데 합의했다. Pullammanappallil과 석사 과정 학생인 Abhishek Dhoble은 이러한 도전 과제를 수락했다.

연구진은 먹지 않는 식품, 식품 포장재 및 분뇨 등으로부터 얼마나 많은 메탄(methane)이 생성될 수 있는지 규명하는데 주력했다고 Pullammanappallil은 밝혔다. 이 아이디어는 우리가 로켓을 진수하는데 충분한 연료를 만들 수 있는지 또는 우주여행에서 복귀하기 위하여 지구에서 출발했던 자체적인 무게와 모든 연료를 수송할 수 없는지 등을 확인하는 것이다. 메탄은 로켓을 추진하기 위하여 사용될 수 있다. 충분한 메탄이 달에서 귀환하기 위하여 생성될 수 있다고 연구진은 제안했다.

나사는 시뮬레이션된 식품 폐기물, 수건, 목욕 수건, 의복 및 포장 재료 등을 포함한 화학적으로 생성된 인간 폐기물의 모든 형태를 플로리다 연구진에 공급함으로써 연구를 시작했다. Pullammanappallil과 현재는 일리노이 대학 박사 과정인 Dhoble은 폐기물로부터 얼마나 많은 메탄이 생성되는지, 얼마나 빨리 생성되는지를 확인하기 위하여 실험실 테스트를 운영했다.

연구진의 결과는 인간 폐기물로부터 생성되는 병원균을 사멸시키고 폐기물에 포함되어 있는 유기물을 분해함으로써 메탄과 이산화탄소(carbon dioxide)의 혼합물인 바이오가스(biogas)를 생성하는 혐기성 소화조 공정(anaerobic digester process)의 생성으로 이어졌다. 지구를 기반으로 하는 응용에서, 생성된 연료는 난방, 전기 생산 또는 수송 등에 사용될 수 있다.

젓는 효과, 운영 온도, 유기물 부하 속도 및 메탄 수율과 메탄 생성 속도에 대한 반응기 디자인 등이 연구됐다. 동일한 소화 기간 동안, 혼합되지 않은 소화조는 혼합된 시스템보다 20~50% 더 많은 메탄을 생성했다.

고체로부터 분리된 수용성 성분과 처리된 고체가 별개로 구성된 2 단계 디자인은 1 단계 시스템보다 훨씬 더 신속한 역학 속도를 나타냈으며, 1 단계 시스템보다 1/2 더 적은 보유 시간에 목표한 메탄 발생량(methane potential)을 생성했다. 2 단계 시스템은 1 단계 시스템보다 6% 더 많은 고체를 분해했다. 2 단계 디자인은 1년 동안 달을 탐사하는 동안 4명 의 우주인에 대하여 맞춤 제작된 시제품 소화조를 기반으로 형성됐다.

또 소화조 공정은 폐기물로부터 연간 약 200갤런의 잡용수(non-potable water, 세정, 냉각, 세차, 청소 등의 목적으로 공급되는 물)를 생성할 수 있다. 이것은 유기물 분해(organic matter decomposes)로부터 배출되는 유기물 내에서 얻어진 물이다. 전기분해(electrolysis)를 통하여 이후 물은 수소와 산소로 분해되고, 우주인은 예비 시스템으로 산소를 호흡할 수 있다. 배출된 이산화탄소와 수소는 공정에서 메탄과 물로 전환될 수 있다고 연구진은 밝혔다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 인간 폐기물을 로켓 연료로 전환시키는 공정