우리 모두는 자동차 산업이 가솔린 및 디젤 차량의 연비를 개선하여 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 어떠한 노력을 해왔는지 알고 있습니다. 또한 여러분은 발전회사들이 온실가스(GHG) 배출량을 줄이기 위한 방법으로 이산화탄소 포집 및 수소 연소를 어떻게 보고 있는지도 읽어보셨을 것입니다. 그런데 여러분은 성장하는 우주 발사 산업이 추진 효율 향상과 유해 배출을 줄이는 청정 로켓 엔진을 위해서도 노력하고 있다는 사실을 알고 계셨습니까?
우주 발사의 확산으로 인해 이것의 중요성에 대한 인식이 커지고 있습니다. 특히, 공공 부문과 민간 부문의 조직들은 지구 저궤도(LEO)에 많은 수의 위성을 발사하기 위해 경쟁하고 있습니다. 이러한 위성 '컨스털레이션'의 주요 목적은 통신 인프라를 개선하고 확장하는 것입니다. 다른 단체들은 날씨 추적에서부터 교통 모니터링에 이르기까지 다양한 유형의 이미징 및 감지 데이터를 수집할 별자리를 계획하고 있습니다.
엔지니어들은 빠르게 성장하는 상업용 우주 발사 산업의 대기 영향을 최소화하기 위해 보다 효율적인 추진 시스템을 목표로 삼고 있습니다.
물론, 여러분이 로켓 엔진과 같은 것의 성능을 향상시키고 싶다면 그 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 자세히 아는 것이 큰 도움이 될 것입니다. 스웨덴 룰레오 공과대학의 키루나 우주 캠퍼스는 이를 위해 최근 Alexis Bohlin 박사를 영입하였으며 Bohlin 박사는 이곳에서 이스레인지 우주 센터와도 협력하고 있습니다.
Bohlin 박사는 레이저 진단, 특히 CARS(Coherent anti-Stokes Raman scattering) 분광학이라는 다소 복잡한 기술을 사용하는 다양한 연소 시스템 모니터링 분야에서 인정받는 리더입니다. Bohlin 박사는 이렇게 말합니다. “레이저 진단은 관심 측정 영역을 교란하지 않고 반응 흐름의 양을 측정할 수 있다는 장점이 있으며, 우수한 공간 및 시간 해상도로 유용한 정보를 얻을 수도 있습니다. 제 연구는 CARS 이미징을 사용하여 N2, O2, H2, CH4, C3H8, CO2, H2O 등을 포함한 여러 가지 화학 물질의 유효 온도와 농도를 최대한 정밀하고 정확하게 매핑하는 데 중점을 두고 있습니다.”
CARS는 레이저 빔을 사용하여 단순한 수소 화염에서부터 복잡한 로켓 엔진에 이르는 연소원을 분석합니다. 이미지 출처: Alexis Bohlin.
CARS는 과학 실험실에서 잘 알려진 기술로, Ultrafast 레이저를 사용하여 시스템의 화학적 세부사항을 원격으로 조사하고 이미지화합니다. CARS는 분자 구조에서부터 살아있는 조직의 3D 이미지에 이르기까지 이미 모든 것을 보는 데 사용되었습니다. 그러나 로켓 엔진의 문제점은 크기에 있습니다! 크기가 너무 커서 일반 실험실로 가져갈 수 없습니다. 그래서 Bohlin 박사와 같은 과학자들은 CARS를 로켓 엔진으로 가져갈 수 있는 방법을 찾아야 했습니다. 여러 개의 Ultrafast 레이저 구성 요소를 사용하고(2개 또는 3개의 별도 레이저 파장 필요) 모든 빔을 정밀하게 조정하고 정렬하기 위해 많은 광학 장치를 사용하는 CARS의 복잡성을 고려할 때 이것은 사소한 일이 아닙니다.
네덜란드 델프트 공과대학의 이전 연구실에서 Bohlin 박사와 그의 제자들은 모든 빔이 단일 산업용 Ultrafast 레이저, 특히 Astrella “원박스” 펨토초 증폭기를 기반으로 하는 CARS 분석 설정을 구축했기 때문에 Coherent는 Bohlin 박사를 잘 알고 있습니다. 이 증폭기의 높은(수 밀리줄) 펄스 에너지는 출력을 분할하고 펨토초 출력의 일부를 레이저 빔 중 하나로 직접 사용할 수 있습니다. 펄스 에너지의 다른 부분은 제2고조파 대역폭 압축기(SHBC)라는 장치를 사용하여 피코초로 변환되는 펄스를 구동하는 데 사용됩니다. Bohlin 박사와 그의 동료들은 이것을 기본 CARS 엔진으로 사용하여 연소 화염 및 플라즈마에 대한 다양한 연구를 성공적으로 수행했습니다.
지난 몇 년 동안 Bohlin 박사는 CARS 측정 기술을 혁신하고 개선했습니다. 아마도 CARS 시스템의 가장 중요한 점은 전통적인 접근 방식에 비해 안정적이고 상대적으로 단순하다는 점일 것입니다. 그는 다음과 같이 말합니다. “실험실로 가져올 수 있는 소형 엔진에만 사용 가능한 실험실에 얽매인 방법보다는 필요한 경우 연소 현장으로 가져올 수 있는 보편적으로 적용 가능한 방법이 필요했습니다.” 이를 계기로 그는 최근 룰레오 공과대학의 키루나 우주 캠퍼스에 채용되었으며, Coherent는 Astrella가 다시 그의 강력한 진단 장치의 핵심 역할을 하고 있음을 자랑스럽게 생각합니다.
따라서 연소를 조사하기 위해 CARS 분광학을 사용하는 경우 “이것이 바로 로켓 과학이다”라고 말할 수 있습니다.
자세한 내용은 백서 읽기를 참조하십시오.
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