우주
친환경적이고 효율적인: 열음향 스털링 엔진이 항공우주 분야를 혁신하는 방법
열음향 스털링 엔진(TASE)은 한 번에 이해하기에 복잡하게 들릴 수 있습니다. 하지만 원리적으로 이들은 스털링 엔진의 음향 등가물입니다. 따라서 TASE에 대해 더 깊이 파고들기 전에 스털링 엔진부터 시작해야 합니다.
스털링 엔진이란 무엇인가?
이 이름은 외부 열 엔진을 고안한 발명가 로버트 스털링 목사(Robert Stirling)에게서 유래했으며, 이는 자동차에 사용되는 전통적인 내부 연소 엔진과는 크게 다릅니다. 스털링 엔진은 세 가지 핵심 특징을 가진 스터링 사이클을 사용한다는 점에서 차별화됩니다.
- 스털링 엔진 내부에서 사용되는 가스는 절대 엔진을 떠나지 않습니다. 가솔린이나 디젤 엔진과 달리, 이 엔진은 고압 가스를 배출할 배기 밸브가 없습니다. 또한 폭발도 일어나지 않습니다. 결과적으로 스털링 엔진은 매우 조용합니다.
- 내부 연소 엔진이 아니기 때문에 외부 열원을 필요로 합니다. 이 열원은 햇빛, 지열, 가솔린 또는 태양 에너지일 수 있습니다. 열은 부패하는 식물에서 나올 수도 있습니다.
- 마지막으로, 엔진을 시작하기 위해서는 부드럽게 회전하는 플라이휠 프로펠러만 있으면 됩니다.
스털링 엔진을 제작하는 전통 속에서 열음향 스털링 엔진, 즉 TASE가 등장했으며, 이는 스털링 엔진의 음향 등가물입니다.
TASE: 스털링 엔진의 음향 등가물
열음향 스털링 엔진은 제조 비용이 낮고 효율이 높으며 유지보수가 필요 없고 자체 시동이 가능한 특성 때문에 과학 연구 분야에서 큰 관심과 동향을 얻고 있습니다.
열음향 스털링 엔진 중 가장 인기 있는 카테고리 중 하나는 열음향 스털링 열 엔진(TASHE)입니다. 이 장치는 열을 매우 높은 효율로 음향 에너지로 변환할 수 있습니다. 움직이는 부품이 없고 구성 요소가 비교적 단순하다는 점이 잠재력의 핵심입니다. 이러한 시스템은 제조 및 유지보수 비용이 낮으며, 많은 사람들에게 청정하고 효율적인 에너지를 생산하는 수단으로 선호됩니다.
TASHE는 어떻게 작동하는가?
이 엔진의 에너지 변환 과정은 재생기(regenerator)에서 일어납니다. 재생기는 고온 열교환기(HHX)와 저온 또는 주변 열교환기 사이에 위치한 다공성 금속 블록입니다. 양쪽 끝에 배치됨으로써 축 방향의 평균 온도 구배를 유지합니다. 올바른 위상의 음향 파가 이를 통과하면 스털링 사이클과 유사한 열역학적 과정에 의해 증폭될 수 있습니다.
열음향 스털링 엔진이 왜 유리한가?
화석 연료의 부족은 인류가 당면한 단기적인 과제입니다. 화석 연료는 지구의 건강에도 도움이 되지 않으며 다양한 지속 가능성 문제를 동반합니다.
과학계는 대체 연료원 사용을 고민해 왔으며, 여기에는 태양 에너지, 지열, 바이오연료/바이오매스, 방사성 동위 원소 등이 포함됩니다.
이러한 상황에서 스털링 엔진은 높은 효율성, 폐쇄된 열역학 사이클, 무소음 작동, 낮은 진동, 긴 수명, 낮은 유지보수 덕분에 좋은 결과를 보여주었습니다.
스털링 엔진은 두 가지 유형이 있을 수 있습니다: 기존형과 고급형.
열음향 스털링 엔진의 진화: 혁신과 돌파구
TASE의 역사를 아는 것은 이들이 어떻게 목적을 달성하고 기술의 본질이 무엇인지 이해하는 데 중요합니다.
우리는 이미 양쪽의 고온 및 저온(또는 주변) 열교환기 사이의 구배를 통과하는 음향 파에 대해 언급했습니다.
1980년대까지 이 분야 대부분 설계의 효율은 보통 5%를 넘지 못했습니다. 1979년에 전환점을 맞이한 중요한 돌파구는 Ceperley에 의해 이루어졌습니다. 그는 이동 파가 음향 에너지를 더 효율적으로 추출할 수 있음을 보여주었으며, 이는 오늘날 사용되는 이동파 TASHE 설계 개념으로 이어졌습니다.
이 보다 효율적인 방식에서는 생성된 음향 파워의 일부가 피드백 루프를 통해 재생기로 되돌아가고, 나머지는 에너지 추출을 위해 공명기로 전달됩니다.
2000년대 첫 10년은 TASHE 기술의 추가 개선을 보았습니다. 2011년, Tijani와 Spolestra는 이동파 TASHE를 설계했으며, 전체 효율이 49%의 놀라운 효율을 달성했습니다. 참고로, Carnot 한계는 열 에너지를 유용한 일로 전환할 수 있는 절대적인 효율 한계를 설정합니다.
최근 TASE 분야의 development에서, 중국은 986°F의 열원으로부터 140 hp(또는 102 kW)의 전력을 제공할 수 있는 고효율 열음향 스털링 발전기를 최근 개발했습니다. 이 개발은 중국 과학원 물리·화학 기술 연구소의 연구원들이 수행했습니다. 이는 이러한 스털링 발전기가 처음으로 134 hp(또는 100 kW) 이상의 전력을 낼 수 있게 된 사례입니다.
많은 사람들은 이 중국 혁신을 다재다능함 때문에 잠재적인 게임 체인저로 보고 있습니다. 다양한 열원과 결합할 수 있으며, 에너지 생산 방식을 변화시켜 다양한 에너지 수요에 대한 솔루션을 제공할 수 있습니다.
이를 혁신한 팀에 따르면, 신뢰성, 단순 설계, 다양한 열원과의 호환성이 증기 터빈의 효율과 경쟁할 수 있게 합니다. 모터 설계는 시스템에서 진동을 제거하고 기밀성을 유지하도록 돕습니다. 이 혁신은 중국이 초저소음, 비핵 잠수함을 만드는 데 기여할 수 있습니다.
또 다른 2017년 연구는 LNG 냉에너지와 저온 폐열을 이용한 열음향 스털링 발전을 제안했습니다. 이 연구는 4 MPa 헬륨 가스로 작동하며, 최고 exergy efficiency의 외부 효율 0.253을 달성하며, 차가운 측은 110 K, 뜨거운 측은 500 K로 유지되는 설계의 열음향 스털링 발전기를 설계했습니다.
보다 높은 에너지 효율을 도입하기 위한 해결책으로서 열음향 스털링 엔진의 진화는 전 세계 연구자와 첨단 기술자들에 의해 면밀히 연구되었습니다. 그리고 대규모 기업 솔루션 분야에서도 많은 작업이 진행되었습니다.
열음향 스털링 엔진을 활용하는 조직
1. NASA
NASA는 열음향 스털링 엔진 분야에서 큰 진전을 이루었습니다. 스털링 열음향 전력 변환기 및 마그네토스트릭 교류발전기라고 알려진 이 솔루션은 최대 효율과 신뢰성을 위해 모든 움직이는 부품을 제거합니다.
NASA 글렌 연구소에서 개발한 새로운 기술
이 기술은 스털링 엔진을 보다 효율적이고 비용 효율적으로 만듭니다. 소리를 이용해 열을 전기로 변환하는 열음향 전력 변환기를 활용합니다. 시스템은 열에 의해 구동되는 압력 및 부피 진동을 이용해 압전 교류발전기 또는 기타 전력 변환 기술에 전력을 공급합니다. 이 장치는 타의 추종을 불허하는 효율로 전기를 생산할 수 있습니다.
NASA 혁신의 영향은 광범위합니다. 열음향 전력 변환기는 기존의 토로이드 형태 스털링 엔진을 직선형 배열로 재구성하는 데 기여했습니다. 이 혁신을 통해 향후 시스템은 고장 가능성이 높은 기계적 관성 및 컴플라이언스 튜브에 의존하지 않아도 됩니다. 목표는 전자 부품을 활용한 음향 공명을 이용해 달성될 수 있습니다.
이 혁신은 효율적이고 신뢰성 있으며 저비용, 소형, 다목적의 솔루션을 탄생시켰습니다. 이를 분산형 발전 및 주거용 전력 시스템, 열병합 발전 시스템, 집광 태양광 발전, 하이브리드 전기차, 냉동 시스템, 히트펌프, 수중 및 해양 전력 시스템, 보조 전원 장치 등에 활용할 수 있습니다.
2. SpaceX
다른 우주 및 항공 기술 대기업인 SpaceX가 곧 TASE를 탐색할 가능성이 높습니다. 이는 열을 기계적 작업으로 변환하는 효율을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.
낮은 제조 및 유지보수 비용은 더 가벼운 우주선을 저비용으로 제작하는 데 기여할 수 있습니다. 또한 SpaceX가 열을 효과적으로 관리하고 심우주 임무에서 향상된 전력 생산 능력을 확보하는 데 도움이 될 것입니다.
2023년 8월 중순에 발표된 보고서에 따르면, SpaceX의 급증한 매출은 2023년 1분기에 수익성을 확보하게 했으며, 1월~3월 기간 동안 15억 달러 매출 중 5,500만 달러의 이익을 기록했습니다. 최근 직원 주식 매각 시 기업 가치는 약 1,500억 달러에 달했습니다.
3. Sierra Lobo, Inc.
오하이오주 프리몬트에 기반을 둔 Sierra Lobo, Inc.는 전 세계에 특화된 우주 및 항공 테스트, 평가, 엔지니어링 서비스를 제공합니다. 다양한 전력/열원으로 작동할 수 있는 완전한 열음향 스털링 열 엔진을 개발했으며, 높은 효율과 신뢰성을 갖추고 움직이는 부품이 없습니다. 이 엔진은 소형이며 확장 가능하고, 중력에 의존하지 않는 작동으로 우주 적용에 사용할 수 있습니다.
이 열 엔진은 지상, 수중 및 우주 적용을 위한 음향 전력 및 압력 파 생성, 전기 생산 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대됩니다. 전기와 냉각 전력을 동시에 생산하고, 전기 생산을 위한 선형 교류발전기를 구동하며, 냉각을 위한 냉장고 및 크라이오쿨러 역할도 수행할 수 있습니다.
앞으로의 도전 과제와 기회
열음향 스털링 열 엔진(TASE)은 스털링 엔진의 특정 카테고리로, 심우주 여행에 적합한 전원 개발에 큰 잠재력을 보여주었습니다. 특히 NASA의 글렌 연구소는 이 기술의 효율성과 저유지보수 특성을 활용하는 데 앞장서 왔습니다. 이 기술은 더욱 발전하여 달과 화성 기지 전력 공급을 포함한 다양한 우주 탐사 프로젝트에 필수적인 전력 시스템을 지원할 것으로 기대됩니다.
이 엔진은 다른 열 엔진에 비해 매우 높은 열-전기 효율을 제공한다는 점에서 선호됩니다. TASE는 베어링 시스템과 움직이는 부품이 없어 고장 위험과 제조 비용을 크게 줄입니다.
하지만 가장 선호되는 선택이 되기 위해서는 이 기술을 정교화하는 데 아직 상당한 작업이 필요합니다. 현재 TASE는 부피와 무게 측면에서 도전에 직면해 있습니다. 이는 고온 및 저온 열교환기를 모두 포함하는 설계 때문에 동일한 출력의 전통적인 내부 연소 엔진보다 부피가 크고 무게가 무겁기 때문입니다.
또한, TASE는 고유한 열관성으로 인해 시동이 느린 경우가 많아 빠른 시동이나 급격한 속도 변화를 요구하는 상황에서 적용이 제한됩니다. 그럼에도 불구하고 지속적인 기술 혁신이 이러한 과제를 극복하려 하고 있으며, TASE는 첨단 우주 운영 및 그 너머에서 핵심 구성 요소로 자리매김하고 있습니다.
