플레임리스 레이션 히터

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 개발 배경
- 2.2. 개발 과정
3. 작동 원리
- 3.1. 화학 반응
- 3.2. 구성 요소
4. 사용 방법
5. 안전성 및 폐기
- 5.1. 밀폐 공간 위험
- 5.2. 폐기
6. 개선 및 대안
참조

1. 개요

플레임리스 레이션 히터(FRH)는 군인들이 야외에서 간편하게 식사를 데울 수 있도록 개발된 장치이다. 기존의 휴대용 스토브나 연료 막대의 불편함을 개선하기 위해, 1973년 미국 육군 나틱 연구, 개발 및 엔지니어링 센터에서 연구가 시작되었다. FRH는 마그네슘과 철 합금 분말의 화학 반응을 통해 열을 발생시키며, 1990년 대량 발행 승인을 받아 걸프 전쟁에 투입되었다. 사용 방법은 봉투에 물을 넣고 식품 파우치를 넣어 가열하는 방식이며, 안전을 위해 밀폐된 공간에서의 사용은 권장되지 않는다.

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플레임리스 레이션 히터
개요
프레임리스 레이션 히터 포장
종류	군용 전투 식량 가열기
작동 원리	화학 반응 (마그네슘과 철 합금의 산화)
발열 방식	화학 반응열
발열 시간	약 10~12분
가열 온도	최대 약 100℃
주요 성분	마그네슘-철 합금 분말 염화나트륨 수산화칼슘
기타 성분	셀룰로스 규산나트륨
폐기 방법	일반 쓰레기로 폐기
주의 사항	사용 중 발생하는 수증기에 화상 주의 밀폐된 공간에서 사용 시 환기 필요 가열기 자체는 먹을 수 없음
역사
개발 배경	기존 알코올 고체 연료의 단점 보완
개발 목적	야전 환경에서 빠르고 안전하게 전투 식량 가열
최초 개발 국가	미국
상용화	1990년대
사용 국가	미국 대한민국 기타 여러 국가
작동 원리 상세
화학 반응	마그네슘 금속이 물과 반응하여 수소 가스와 열 발생
반응식	Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂ + 열
반응 촉진제	염화나트륨 (NaCl)
발열량 조절	마그네슘 합금의 조성 및 입자 크기 조절
안전 장치	수산화칼슘 첨가로 인한 pH 조절 및 급격한 반응 방지
구성 요소
발열 패드	마그네슘 합금 분말, 염화나트륨, 수산화칼슘 혼합물
발열 봉투	내수성 재질
물 붓는 선	정확한 물 양 조절
전투 식량 파우치	가열된 파우치에 삽입
포장재	습기 방지 및 보관 용이
장점 및 단점
장점	휴대성 및 사용 편의성 빠른 가열 속도 외부 화기 불필요 안전성 (알코올 연료 대비)
단점	일회용 화학 반응으로 인한 환경 문제 가능성 밀폐 공간 내 수소 가스 발생 주의 습기에 취약

2. 역사

FRH는 휴대용 스토브나 스테르노 젤처럼 불을 사용하는 기존의 식량 가열 방식의 문제점을 해결하기 위해 개발되었다. 기존 방식은 추운 날씨나 바람이 부는 환경에서 사용하기 어려웠고, 밤에는 불빛 때문에 위치가 노출될 위험이 있었다.

1973년 미국 육군 나틱 연구소에서 FRH 개발이 시작되었다. 1990년 대량 생산 승인을 받아 걸프 전쟁에 사용되었으며, 1993년부터는 MRE에 포함되어 보급되기 시작했다.

2. 1. 개발 배경

FRH 개발 이전, 군인들은 스테르노 젤이나 휴대용 스토브에 물통을 올려 음식 파우치를 데웠다.^[1] 이는 추운 날씨나 바람이 부는 환경에서 비효율적이었고, 밤에는 불꽃 때문에 위치가 노출될 위험이 있었다.^[1] 뜨거운 차량 엔진이나 배기 매니폴드에 데우는 방식도 있었지만, 항상 가능한 것은 아니었고 음식이 제대로 데워지지 않는 경우도 있었다.^[1]

1973년, 미국 육군 나틱 연구소에서 물과 반응하는 마그네슘-탄소 화학 가열 제품을 연구하기 시작했다.^[1] 1980년, 미국 해군이 개발한 마그네슘-철 합금 분말이 더 효율적이라는 것을 알고, 신시내티 대학교에 의뢰하여 '디스마운티드 레이션 히팅 장치(DRHD)'라는 프로토타입 MRE 히터를 개발했다.^[1] 이후 발명가들은 Zesto-Therm Inc.를 설립하고, 'ZT 에너지 패드'라는 식사 가열 제품을 특허내어 민간에 판매했다.^[1]

1986년, 미국 육군은 ZT 에너지 패드를 평가했지만, 음식을 제대로 데우지 못하고 잔여물을 남긴다는 문제점을 발견했다.^[1] 26명의 군인을 대상으로 한 설문조사에서, Zesto-Therm 패드보다 트리옥산 연료 막대가 더 선호되었지만, 플레임리스 레이션 히터는 작고, 일회용이며, 휴대가 간편하고 청소할 필요가 없어 선호도가 높았다.^[1] 플레임리스 레이션 히터는 트리옥산 연료 막대보다 비쌌지만, 추운 환경에서는 트리옥산 막대가 여러 개 필요했기 때문에, 결과적으로 플레임리스 레이션 히터가 더 저렴했다.^[1]

마운티드 레이션 히팅 장치(MRHD), 프로토타입 플레임리스 레이션 히터.

차량 전원을 이용하는 '마운티드 레이션 히팅 장치(MRHD)' 등 다른 프로토타입도 개발되었지만, 모든 차량에 연결 장치가 있는 것은 아니었고, 여러 군인이 번갈아 사용해야 하는 불편함이 있었다.^[2]

Zesto-Therm은 절연 조리 파우치를 출시했지만, MRE와 함께 제공하기에는 비쌌다. 고밀도 폴리에틸렌 봉투가 개발되었는데, 식품 접촉 재료에 안전하고, 보관 중 우발적 활성화를 막고, 조리 온도를 견디며, 투명하여 물의 양을 측정하기 쉬웠다.^[1]

1990년 5월, FRH 대량 발행이 승인되었다.^[1] 보통 4~6년 걸리는 계약 절차가 1년 만에 완료되어, 사막의 폭풍 작전에 사용될 수 있었다.^[1] 5,100만 개의 FRH가 2500만달러에 구매되었고, 약 450만 개가 걸프전에 투입되었다.^[1] 1993년부터 각 MRE에 FRH가 하나씩 포함되었다.^[1]

2. 2. 개발 과정

1973년 미국 육군 나틱 연구, 개발 및 엔지니어링 센터에서 플레임리스 레이션 히터(FRH) 연구 개발이 시작되었다.^[1] 초기에는 특허받은 물 활성화 마그네슘-탄소 화학 가열 제품이 연구되었다. 1980년, 나틱 연구소는 미국 해군이 개발한 마그네슘-철 합금 분말을 이용한 발열 기술을 활용하기 시작했다. 이 기술은 더 비용 효율적이었으며, 신시내티 대학교와의 협력을 통해 프로토타입 MRE 히터인 디스마운티드 레이션 히팅 장치 (DRHD)가 개발되었다.^[2]

이후, DRHD 개발에 참여한 발명가들은 Zesto-Therm Inc.를 설립하고 식사 가열 제품(현재 ZT 에너지 패드)을 특허내어 민간용으로 판매하기 시작했다.^[2] 그러나 1986년 미국 육군의 평가 결과, ZT 에너지 패드는 음식을 항상 적절하게 데우지 못하고 음식 파우치 외부에 잔여물을 남기는 문제점이 발견되었다. 26명의 군인을 대상으로 한 설문 조사에서 FRH가 트리옥산 연료 막대보다 선호되는 것으로 나타났다. FRH는 작고, 일회용이며, 휴대와 청소가 용이하다는 장점이 있었다. 트리옥산 연료 막대보다 약 두 배 비쌌지만, 추운 환경에서는 여러 개의 트리옥산 막대가 필요했기 때문에 FRH가 전체적으로 더 저렴했다.^[2]

차량 전원을 이용하는 마운티드 레이션 히팅 장치(MRHD) 등 다양한 프로토타입이 개발되었다. MRHD는 Zesto-Therm 패드보다 선호되었지만, 모든 차량이 장치에 전원을 공급할 수 있는 것은 아니었고, 여러 군인이 교대로 사용해야 하는 불편함이 있었다.^[2]

화학 반응 중에도 음식을 안전하게 조리할 수 있도록 고밀도 폴리에틸렌 봉투가 개발되었다. 이 봉투는 식품 접촉 재료에 안전하고, 보관 중 우발적인 활성화를 방지하며, 조리 온도를 견딜 수 있고, 투명하여 물의 양을 쉽게 측정할 수 있도록 디자인되었다.^[2]

1990년, FRH는 대량 발행 승인을 받았으며, 사막의 폭풍 작전에 투입되어 성능을 입증하였다. 5,100만 개의 FRH가 2500만달러에 구매되었고, 약 450만 개가 걸프전에 사용되었다.^[2] 1993년부터는 각 MRE에 FRH가 하나씩 포함되기 시작했다.^[2]

3. 작동 원리

레이션 히터는 산화 환원 반응이라고 하는 전자 전달 과정에서 열을 발생시킨다. 물은 마그네슘 금속을 산화시키는데, 이 반응은 철이 산소에 의해 녹스는 것과 유사하며 매우 느리게 진행되어 사용 가능한 열을 생성하기에는 부족하다.^[3]^[4]^[5] 반응 속도를 높이기 위해 금속 철 입자와 식염(NaCl)이 마그네슘 입자와 함께 사용된다.

철과 마그네슘 금속은 전해질에 담겨 있을 때 갈바니 전지를 형성하여 전기를 생성한다. 물을 넣으면 소금이 녹아 소금물 전해질이 형성되고, 각 마그네슘과 철 입자는 작은 배터리가 된다. 이 작은 배터리들은 빠르게 소모되며, 이 과정을 "초고속 부식 갈바니 전지"라고 부른다.^[4]

마그네슘 기반 히터의 주요 단점은 수소 가스 발생인데, 이는 화재 위험을 초래할 수 있다. 따라서 염화 알루미늄과 산화 칼슘(AlCl₃/CaO) 조합, 오산화 인과 산화 칼슘(P₂O₅/CaO)과 같이 수소 가스를 제거하기 위한 대체 제형이 개발되었다.^[7]

3. 1. 화학 반응

FRH는 마그네슘과 물의 산화 환원 반응을 통해 열을 발생시킨다. 반응식은 다음과 같다.

: Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂ [+ 열]

이 반응은 철이 산소에 의해 녹스는 것과 비슷한 속도로 진행되어, 사용 가능한 열을 생성하기에는 너무 느리다. 반응 속도를 높이기 위해 금속 철 입자와 식염(NaCl)이 마그네슘 입자와 함께 사용된다.^[3]^[4]^[5]

철과 마그네슘 금속은 전해질에 담겨 있을 때 전기를 생성할 수 있는 갈바니 전지를 형성한다. 레이션 히터에 물을 넣으면 소금이 녹아 소금물 전해질이 형성되어 각 마그네슘과 철 입자가 작은 배터리로 변한다. 마그네슘과 철 입자가 접촉하기 때문에 본질적으로 수천 개의 작은 단락된 배터리가 되어 빠르게 소모되는 것이다. 특허 보유자는 이 과정을 "초고속 부식 갈바니 전지"라고 불렀다.^[4]

어떤 브랜드의 자가 발열식 레이션은 불활성 충전제와 소포제를 포함하여, 7.5그램의 분말 마그네슘-철 합금을 사용하며, 이는 중량 기준으로 마그네슘 95%와 철 5%, 소금 0.5그램으로 구성된다. 1USoz의 물을 첨가하면 이 혼합물은 약 226.80g 식사 팩의 온도를 약 10분 만에 약 55.6°C만큼 높일 수 있으며, 약 80와트에서 대략 50kJ의 열 에너지를 방출한다.^[6]

3. 2. 구성 요소

FRH는 일반적으로 마그네슘-철 합금 분말(마그네슘 95%, 철 5%), 소금, 불활성 충전제, 소포제 등으로 구성된다.^[6] 반응을 가속화하기 위해 금속 철 입자와 식염(NaCl)이 마그네슘 입자와 혼합된다.^[3]^[4]^[5]

일반적인 자가 발열식 레이션은 7.5g의 분말 마그네슘-철 합금을 사용하며, 이는 중량 기준으로 마그네슘 95%와 철 5%, 소금 0.5그램으로 구성된다. 1USoz의 물을 첨가하면 이 혼합물은 약 226.80g 식사 팩의 온도를 약 10분 만에 약 37.8°C만큼 높일 수 있으며, 약 80와트에서 대략 50kJ의 열 에너지를 방출한다.^[6]

철과 마그네슘 금속은 전해질에 담겨 있을 때 전기를 생성할 수 있는 갈바니 전지를 형성한다. 레이션 히터에 물을 넣으면 소금이 녹아 소금물 전해질이 형성되어 각 마그네슘과 철 입자가 작은 배터리로 변한다. 마그네슘과 철 입자가 접촉하기 때문에 본질적으로 수천 개의 작은 단락된 배터리가 되어 빠르게 소모되어 특허 보유자가 "초고속 부식 갈바니 전지"라고 부르는 과정에서 열을 발생시킨다.^[4]

4. 사용 방법

무염 화염 전투 식량 히터는 사용 설명서가 인쇄된 비닐 봉투에 담겨 제공된다. 봉투 안에는 실제 가열을 담당하는 소량의 금속 분말이 들어 있다. 식사를 데우려면 먼저 봉투를 뜯고 밀봉된 식품 파우치를 안에 넣는다. 그런 다음 봉투에 인쇄된 선을 기준으로 약 30ml의 물을 넣는다. 화학 반응이 즉시 시작되며, 식품 파우치를 약 60°C까지 데우는 데 약 12~15분이 걸린다. 부상을 방지하기 위해 히터를 전투 식량(MRE)과 함께 제공되는 판지 상자 안에 넣고, 물이 새어 나와 반응이 조기에 중단되지 않도록 똑바로 세워 놓는 것이 권장된다.^[3]

사용 설명서에 히터를 "돌이나 다른 것"에 기대어 놓으라고 권고하고 있다.

5. 안전성 및 폐기

MRE 히터는 제대로 활성화되지 않은 경우 유해 폐기물로 폐기해야 한다. 활성화되지 않은 MRE 히터를 고형 폐기물 용기에 폐기하는 것은 미국 법률 위반이며, 매립장에서 젖으면 화재 위험이 있다.^[9] FRH는 활성화되어 식은 후 가정 쓰레기로 폐기할 수 있다.^[10]

5. 1. 밀폐 공간 위험

미국 교통부(DOT) 연방 항공국(FAA)은 시험을 실시하고 보고서를 발표했는데, 요약하면 "... 이러한 무염 발열 식단 히터에서 발생하는 수소 가스의 양은 여객기 내에서 잠재적인 위험을 초래할 수 있을 정도로 충분하다."^[8]^[13] 이 시험은 밀봉된 전자레인지/끓는 용기에 들어있는 식사와, 열리지 않은 무염 발열 파우치, 소금물 봉지, 스티로폼 접시/트레이로 구성된 상업용 '히터 식사'를 대상으로 수행되었다.

5. 2. 폐기

활성화되지 않은 플레임리스 레이션 히터(FRH)는 유해 폐기물로 분류되어 별도로 폐기해야 한다. 활성화되지 않은 FRH를 일반 쓰레기 용기에 버리는 것은 미국 법률 위반이며, 매립지에서 물에 젖으면 화재 위험이 있다.^[9] 완전히 활성화되어 식은 FRH는 일반 가정 쓰레기로 폐기할 수 있다.^[10] 대한민국 환경부 지침에 따라, FRH 폐기 시에는 관련 규정을 준수해야 한다.

6. 개선 및 대안

마그네슘 기반 히터의 주요 단점은 수소 가스 발생이다. 현장에서 사용할 때는 위험하지 않지만, 소비자 사용 시 화재 위험을 초래할 수 있다. 염화 알루미늄과 산화 칼슘(AlCl₃/CaO) 조합, 오산화 인과 산화 칼슘(P₂O₅/CaO) 조합과 같이 수소 가스를 줄이거나 없애기 위한 대체 제형이 개발되었다.^[7]

참조

_[1] 웹사이트 Development of the Flameless Ration Heater for the Meal, Ready-to-Eat https://apps.dtic.mi[...] United States Army Natick Research, Development, and Engineering Center 1993-04-01
_[2] 웹사이트 Evaluation of Alternative Concepts for Remote Feeding https://apps.dtic.mi[...] United States Army Natick Research, Development, and Engineering Center 1991-04-01
_[3] 웹사이트 Hot Meals http://heatermeals.c[...] Chem Matters 1992-02-01
_[4] 특허 Powdered metal source for production of heat and hydrogen gas https://www.google.c[...]
_[5] 특허 Supercorroding galvanic cell alloys for generation of heat and gas https://www.google.c[...]
_[6] 특허 Flameless heater and method of making same https://www.google.c[...]
_[7] 웹사이트 Applications of New Chemical Heat Sources, Phase 1 https://apps.dtic.mi[...] U.S. Army Soldier and Biological Chemical Command Soldier Systems Center 2001-01-01
_[8] 웹사이트 The Fire Safety Hazard of the Use of Flameless Ration Heaters Onboard Commercial Aircraft, DOT/FAA/AR-TN06/18 http://www.fire.tc.f[...] Federal Aviation Administration 2006-06-01
_[9] 웹사이트 MRE (Meal, Ready-to-Eat) Heater Disposal https://www.miramar.[...] 2007-08-29
_[10] 웹사이트 How to safely use a Flameless Ration Heater https://luxfermagtec[...] 2021-08-04
_[11] 웹사이트 How MREs Work http://science.howst[...] Howstuffworks 2003-04-15
_[12] 웹사이트 Hot Meals http://heatermeals.c[...] Chem Matters 1992-02-01
_[13] 웹사이트 The Fire Safety Hazard of the Use of Flameless Ration Heaters Onboard Commercial Aircraft, DOT/FAA/AR-TN06/18 http://www.fire.tc.f[...] Federal Aviation Administration 2006-06-01

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