생명 유지 장치
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1. 개요
생명 유지 장치는 생물의 생명 유지를 돕는 장치로, 의료 분야와 우주 환경에서 사용된다. 의료 분야에서는 호흡, 순환, 대사 기능을 보조하기 위해 인공 호흡기, 인공 심장, 인공 투석 등이 활용된다. 우주 환경에서는 우주선 내부나 우주복 내부를 생존 가능한 상태로 유지하기 위해 산소 공급, 이산화탄소 제거, 온도 및 습도 조절 기능을 수행하는 시스템으로 구성된다. 우주 생명 유지 장치는 대기, 물, 음식, 중력 등의 요소를 관리하며, 우주선 및 우주 정거장 시스템, 수중 및 포화 잠수 환경에서도 활용된다. 또한, 바이오스피어 2와 같은 자연형 시스템과 MELiSSA, CyBLiSS와 같은 실험적 시스템도 개발되고 있다.
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| 생명 유지 장치 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 인공적인 시스템 |
| 목적 | 인간 또는 다른 생명체를 적대적인 환경에서 생존할 수 있도록 지원 |
| 적용 분야 | 우주 탐사 해저 탐사 의료 재난 상황 |
| 주요 기능 | 생명 유지에 필요한 요소 제공 (산소, 물, 영양분 등) 유해 물질 제거 (이산화탄소, 노폐물 등) 적절한 온도 및 압력 유지 유해한 방사선 차단 |
| 우주 탐사용 생명 유지 장치 | |
| 주요 구성 요소 | 생명 유지 시스템 열 제어 시스템 방사선 차폐 시스템 폐기물 관리 시스템 |
| 중요성 | 우주 비행사의 생존과 임무 수행에 필수적 |
| 추가 정보 | 국제우주정거장 (ISS)과 같은 장기간 우주 임무에 매우 중요 |
| 해저 탐사용 생명 유지 장치 | |
| 사용 예시 | 잠수함, 심해 잠수정, 해저 기지 |
| 주요 기능 | 압력 유지 산소 공급 이산화탄소 제거 온도 유지 |
| 추가 정보 | 심해 환경의 극한 조건으로부터 인명 보호 |
| 의료용 생명 유지 장치 | |
| 사용 예시 | 인공호흡기 인공 심폐기 투석기 |
| 주요 기능 | 생명 유지에 필수적인 장기의 기능 대체 또는 보조 |
| 추가 정보 | 중환자 치료에 필수적 |
| 재난 상황용 생명 유지 장치 | |
| 사용 예시 | 방독면 생존 캡슐 지하 대피소 |
| 주요 기능 | 유해 환경으로부터 인명 보호 |
| 추가 정보 | 화재, 화학 사고, 핵 사고 등 다양한 재난 상황에 사용 |
2. 의료 분야에서의 생명 유지 장치
생명 유지 장치는 생체의 생명을 유지하는 기능이 저하되거나 정지했을 경우, 해당 기능의 대행을 수행하는 장치이다. 주로 호흡, 순환, 대사의 3가지 기능을 보조하는 장치가 있다.[1]
2. 1. 호흡 보조
폐 상태가 악화되어 호흡 기능을 수행할 수 없는 경우에는 인공 호흡기를 사용한다.[1]2. 2. 순환 보조
심장 및 폐 기능이 저하된 경우나 수술로 심장을 멈춰야 할 필요가 있을 때에는 인공 심장, 인공 심폐 장치를 사용한다.[1]2. 3. 대사 보조
신장이나 간장 기능이 악화되어 대사 기능이 저하된 경우에는 인공 투석 장치가 사용된다.[1]3. 우주 환경에서의 생명 유지 장치
우주 공간은 인간 생존에 극도로 부적합한 환경이기 때문에, 우주선이나 우주복 내부를 생물이 생존 가능한 상태로 유지하기 위한 장치가 필요하다. 이러한 생명 유지 장치는 산소 공급, 이산화 탄소 제거, 온도 및 습도 유지 기능을 수행하며, 통신기 및 전원 장치 등으로 구성된다.[3]
국제 우주 정거장에는 환경 제어 및 생명 유지 시스템('''ECLSS''')이 장착되어 있다.[4]
3. 1. 기본 원리
우주 생명 유지 장치는 인간이 우주 공간에서 생존하는 데 필요한 기본적인 요소들을 제공하고 관리하는 시스템이다. 승무원은 우주 임무에서 표준 활동을 수행하기 위해 하루에 약 5kg의 식량, 물, 산소가 필요하며, 폐 고형물, 폐 액체 및 이산화 탄소 형태로 비슷한 양을 배출한다.이러한 대사 과정은 다음과 같이 분석할 수 있다.
이 수치는 특정 임무의 활동 수준에 따라 달라질 수 있지만, 질량 보존의 원칙은 항상 유지되어야 한다. 실제 우주 임무에서는 샤워와 같은 비생물학적 사용으로 인해 물 사용량이 제시된 값의 두 배가 된다. 또한, 1주 이상 지속되는 임무에서는 머리카락, 손톱, 피부 각질, 기타 생물학적 폐기물 등 폐기물의 종류와 양이 임무 기간에 따라 달라진다.
방사선, 중력, 소음, 진동, 조명과 같은 다른 환경적 요인들도 우주에서 인간의 생리적 반응에 영향을 미치지만, 대사 매개변수만큼 즉각적인 영향을 주지는 않는다.
우주 정거장 시스템은 인간이 우주에서 장기간 생활할 수 있도록 돕는다. 여기에는 인간 폐기물 처리 및 공기 생산을 위한 여과 시스템 등이 포함된다.[2]
우주선이나 우주복 내부를 생물이 생존 가능한 상태로 유지하기 위한 장치는 산소 공급, 이산화 탄소 제거, 온도 및 습도 유지 기능을 수행하며, 통신기 및 전원 장치 등으로 구성된다.[3]
국제 우주 정거장에는 환경 제어 및 생명 유지 시스템('''ECLSS''')이 장착되어 있다.[4]
3. 1. 1. 대기
우주 생명 유지 장치는 최소한 산소, 수증기, 이산화 탄소로 구성된 대기를 유지한다. 각 구성 기체의 분압은 전체 기압에 더해진다.그러나 희석 기체의 제거는 화재 위험을 실질적으로 증가시키는데, 특히 구조적 이유로 전체 객실 압력이 외부 대기압을 초과해야 하는 지상 작전에서 더욱 그렇다. 아폴로 1호 참조. 또한 높은 산소 농도에서는 산소 중독이 문제가 된다. 이러한 이유로 대부분의 현대 유인 우주선은 일반 공기(질소/산소) 대기를 사용하며, 허용 가능한 우주복 유연성이 가능한 최저 팽창 압력을 요구하는 선외 활동 중 압력복에서만 순수 산소를 사용한다.
3. 1. 2. 물
승무원은 식수, 청소, 우주복(EVA) 열 제어, 비상 용도로 물을 소비한다. 현재 인류의 우주 탐사 과정에서는 물을 얻을 수 있는 곳이 없으므로, 물을 효율적으로 저장, 사용 및 재활용(폐수 및 내쉬는 수증기로부터)해야 한다. 미래의 달 탐사 임무는 극지방 얼음에서 얻은 물을 사용할 수 있으며, 화성 임무는 대기나 얼음 퇴적물에서 물을 얻을 수 있다.우주 임무에서 표준 활동을 수행하기 위해 하루에 필요한 물의 양은 3.54kg이지만, 실제 사용량은 주로 샤워와 같은 비생물학적 사용으로 인해 주어진 값의 두 배가 된다.
3. 1. 3. 음식
현재까지 모든 우주 임무에서는 공급된 식량을 사용해 왔다. 생명 유지 시스템은 건물이나 우주선 내부에서 식량을 재배할 수 있는 식물 재배 시스템을 포함할 수 있다. 이는 또한 물과 산소를 재생산한다. 그러나 아직까지 그러한 시스템은 우주 공간에서 운용된 적이 없다. 이러한 시스템은 (그렇지 않으면 손실될) 대부분의 영양소를 재사용하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 퇴비 화장실을 통해 폐기물(배설물)을 시스템으로 다시 통합하여 영양소가 식량 작물에 흡수되도록 할 수 있다. 작물에서 나오는 식량은 시스템 사용자들에 의해 다시 소비되고, 이 주기가 계속된다. 그러나 현재까지 이러한 시스템을 구현하는 데 관련된 물류 및 면적 요구 사항은 과도한 수준이다.[1]3. 1. 4. 중력
장기간 무중력 환경은 우주 적응 증후군, 체액 재분포, 뼈와 근육 손실 등 건강 문제를 야기하므로, 인공 중력 생성 기술이 연구되고 있다. 인공 중력을 생성하는 방법은 다음과 같다.- 선형 가속: 우주선의 엔진이 왕복 여행 내내 우주선 질량과 같은 수준의 추력을 지속적으로 낼 수 있다면, 초당 32.2ft/sec의 속도로 끊임없이 가속될 것이고, 승무원은 지구 중력(1g)과 같은 힘으로 우주선 후방 격벽 방향으로 당겨지는 것을 느낄 것이다. 이 효과는 가속률에 비례한다. 우주선이 중간 지점에 도달하면 방향을 돌려 감속을 위해 역방향으로 추력을 발생시킬 것이다.
- 회전: 만약 선실이 큰 원통형 벽으로 설계되었거나, 다른 선실 구역이나 균형추로 뻗어나가는 긴 빔으로 설계되었다면, 적절한 속도로 회전시키면 원심력이 발생하여 중력 효과를 시뮬레이션할 수 있다. 만약 ''ω''가 선박 회전의 각속도라면, 반경 ''r''에서의 가속도는 다음과 같다.
:
:이 효과의 크기는 회전 반경에 따라 달라지며, 이는 선실 설계에 따라 승무원에게 불편할 수 있다. 또한, 코리올리 힘(선실 내부의 운동에 직각으로 가해지는 힘)을 처리해야 한다. 그리고 회전이 전정 장애의 영향을 악화시킬 수 있다는 우려도 있다.
3. 2. 우주선 시스템
미국의 머큐리, 제미니, 아폴로 우주선은 무게와 복잡성을 최소화하기 위해 단기 임무에 적합한 100% 산소 환경을 사용했다. 우주왕복선은 지구와 유사한 대기 혼합물(22% 산소와 78% 질소)을 가진 최초의 미국 우주선이었다.[3] NASA는 우주왕복선의 경우, 승무원의 생명 유지와 탑재체의 환경 제어를 모두 제공하는 시스템을 ECLSS 범주에 포함시켰다. ''우주왕복선 참조 매뉴얼''에는 승무원실 캐빈 가압, 캐빈 공기 재생, 물 냉각 루프 시스템, 능동 열 제어 시스템, 공급 및 폐수, 폐기물 수집 시스템, 폐수 탱크, 에어록 지원, 우주복, 승무원 고도 보호 시스템, 방사성 동위원소 열전 발전기 냉각 및 탑재체용 기체 질소 정화에 대한 ECLSS 섹션이 포함되어 있다.[3]소유스 우주선의 생명 유지 장치는 KSOZh(Комплекс Средств Обеспечения Жизнедеятельности (KCOЖ)ru)라고 불린다. 보스토크, 보스호트, 소유스 우주선에는 약 101kPa(14.7psi)의 공기 같은 혼합물이 들어 있었다. 이 생명 유지 시스템은 해수면 부분 압력에서 질소/산소 대기를 제공한다. 대기는 KO2 실린더를 통해 재생되는데, 이 실린더는 승무원이 생물학적으로 생산한 CO2와 물의 대부분을 흡수하고 산소를 재생하며, LiOH 실린더는 남은 CO2를 흡수한다.[4]
패러곤 우주 개발 공사는 NASA의 상업 승무원 개발 (CCDev) 자금으로 부분적으로 자금을 지원받아 미래 우주선을 위한 플러그 앤 플레이 ECLSS(생명 유지 시스템)인 ''상업 승무원 수송-공기 재활성화 시스템''(CCT-ARS)을 개발하고 있다.[5] CCT-ARS는 고도로 통합되고 신뢰할 수 있는 시스템으로, 우주선 생명 유지에 필요한 다음의 7가지 주요 기능을 제공한다. 공기 온도 조절, 습도 제거, 이산화 탄소 제거, 미량 오염 물질 제거, 화재 후 대기 복구, 공기 여과 및 객실 공기 순환.[7]
3. 3. 우주 정거장 시스템
스카이랩은 72% 산소와 28% 질소로 구성된 대기를 사용했으며 총 압력은 5psi였다. 살류트와 미르 우주 정거장은 지구 대기와 유사한 산소/질소 혼합 기체를 사용했으며, 기압은 93.1kPa (13.5psi)에서 129kPa (18.8 psi) 사이였고, 산소 함량은 21%에서 40%였다.[8]비젤로우 에어로스페이스는 비젤로우 상업 우주 정거장을 위한 생명 유지 시스템을 개발하고 있다. 이 우주 정거장은 거주 가능한 선댄서 및 BA 330 팽창형 우주선 모듈로 구성될 예정이다. 2010년 10월 기준으로, ''선댄서''의 "인간-루프 환경 제어 및 생명 유지 시스템(ECLSS)" 테스트가 시작되었다.
3. 4. 수중 및 포화 잠수 환경
수중 서식지와 표면 포화 거주 시설은 며칠에서 몇 주 동안 거주자에게 생명 유지 장치를 제공한다. 거주자는 최대 몇 주에 걸친 감압 의무 때문에 즉시 표면 대기압으로 돌아갈 수 없다.표면 포화 거주 시설의 생명 유지 시스템은 압력 하에서 인원의 생명을 유지하기 위해 호흡 가스 및 기타 서비스를 제공한다. 수중 서식지는 주변 외부 압력이 내부 압력과 동일하므로 일부 엔지니어링 문제가 단순화된다는 점에서 다르다.
표면 포화 거주 시설 및 수중 서식지의 생명 유지 시스템 구성 요소는 다음과 같다.
- 가스 압축, 혼합 및 저장 시설
- 챔버 기후 제어 시스템 – 온도 및 습도 제어, 가스 여과
- 계측, 제어, 모니터링 및 통신 장비
- 화재 진압 시스템
- 위생 시스템
수중 서식지는 내부 압력과 주변 외부 압력의 균형을 맞춰 거주자가 특정 깊이 범위 내에서 주변 환경에 자유롭게 접근할 수 있도록 하는 반면, 표면 시스템에 수용된 포화 잠수부들은 가압 하에 이송되어 밀폐형 다이빙 벨에서 작업 깊이로 이동한다.
벨의 생명 유지 시스템은 호흡 가스의 주요 공급을 제공하고 모니터링하며, 제어 스테이션은 다이버와의 배치 및 통신을 모니터링한다. 벨에 대한 주요 가스 공급, 전력 및 통신은 여러 호스 및 전선이 함께 꼬여 유닛으로 배치된 벨 엄빌리컬을 통해 이루어진다. 이는 다이버 엄빌리컬을 통해 다이버에게 확장된다.
숙소 생명 유지 시스템은 챔버 환경을 거주자의 건강과 편안함을 위한 허용 범위 내에서 유지한다. 온도, 습도, 호흡 가스 품질, 위생 시스템 및 장비 기능이 모니터링되고 제어된다.
4. 실험적 생명 유지 시스템
애리조나의 바이오스피어 2와 같은 자연형 생명 유지 장치는 미래의 우주 여행이나 식민지 건설을 위해 연구되고 있다. 이러한 시스템은 폐쇄 생태계라고도 불린다. 이들은 태양 에너지를 유일한 1차 에너지원으로 사용하고 연료에 대한 물류 지원으로부터 독립적이라는 장점을 가지고 있다. 자연형 시스템은 여러 기능을 통합하여 효율성이 가장 높다. 또한, 우주에서의 장기간 체류에 필요한 인간에게 적절한 환경을 제공한다.
미세 생태 생명 유지 시스템 얼터너티브(MELiSSA)는 유럽 우주국이 주도하는 프로젝트로, 인공 생태계의 작동 방식을 이해하고 장기 유인 우주 임무를 위한 미래의 재생 생명 유지 시스템 기술 개발을 목표로 한다. 미생물과 고등 식물을 기반으로 하는 생태계를 구축하는 것을 목표로 한다.
CyBLiSS (시아노박테리아 기반 생명 유지 시스템)는 NASA, 독일 항공우주센터, 이탈리아 우주국 등 여러 우주 기관의 연구자들이 개발한 개념이다. 시아노박테리아를 사용하여 화성에서 이용 가능한 자원을 유용한 제품으로 직접 가공하고, 생물재생 생명 유지 시스템 (BLSS)의 다른 핵심 유기체에 대한 기질로 사용할 수 있도록 한다.[9] CyBLiSS의 목표는 미래의 인간 거주 기지를 화성에서 지구로부터 가능한 한 독립적으로 만들고(탐험가가 "현지에서" 생활), 임무 비용을 줄이고 안전을 증가시키는 것이다. CyBLiSS는 독립적으로 개발되었지만, 다른 BLSS 프로젝트(MELiSSA 등)를 보완할 수 있으며, 화성에서 발견되는 물질에 연결하여 지속 가능하고 확장 가능하게 만들 수 있다. 폐쇄 루프에 의존하는 대신, 현장에서 발견되는 새로운 요소를 시스템에 가져올 수 있다.
참조
[1]
웹사이트
Definition of LIFE-SUPPORT SYSTEM
https://www.merriam-[...]
2023-06-14
[2]
문서
NASA, 2008
[3]
문서
NASA-HSF
[4]
웹사이트
Habitation module of Soyuz spacecraft
https://www.russians[...]
2024-05-15
[5]
문서
Paragon Projects
[6]
문서
NASA 2010
[7]
문서
Paragon Press Release
[8]
문서
Bigelow Volunteers
[9]
논문
Sustainable life support on Mars – the potential roles of cyanobacteria
2015-08-03
[10]
문서
NASA, 2008
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