데네브의 DIY

과학 카테고리를 만들어 놓고 거의 10년 만에 글을 쓴다. ^^;

유튜브 '과학을 보다' 채널을 보다가 갑자기 떠오른 의문... 1977년 쏘아 올려져서 아직도 우주공간을 여행 중인 보이저호는 거의 50년이 지났건만 아직도 여러 가지 기기들을 작동시키고 지구로 수집한 데이터를 보내고 있다. 어떻게 이렇게 오랜 기간 보이저호에 전력 공급이 가능할까? 우리가 익히 알고 있는 배터리를 사용했다면 당연히 몇 달 혹은 몇 년이 안되어 전력이 고갈되었을 테고 당시의 배터리 기술로는 지금과 같은 고성능의 배터리 탑재도 불가능했었을 텐데... 그렇다고 태양전지판을 달기에는 태양빛이 미미한 심우주 탐사가 목표인 우주선에게 필요한 전력을 충분히 공급하는 게 불가능했을 텐데 아무튼 갑자기 생긴 궁금증에 조사를 해 보았다.

보이저호의 구조이다. 맨 아래 부분을 보면 RADIOISOTOPE  THERMOELECTRIC GENERATOR 라고 나오는 부분이 전력을 만들어내는 발전기이다. 발전기라는 말 그대로 보이저호에 전력을 공급하는 장치이다. 번역하면 방사성동위원소 열전기 발전기(RTG)라고 불린다. 배터리가 아니라 발전기이다.

RTG의 실제 모습

RTG의 구조이다. 가운데에 방사성 동위원소가 들어간다. 보이저호의 RTG에는 플루토늄-238(Pu-238)이라는 방사성 물질이 들어갔는데 그냥 가만히 두면 방사성 붕괴를 하면서 계속 열을 방출한다. RTG는 이때 방출되는 열을 이용해서 전기를 만든다. 그럼 열을 어떻게 전기로 바꿀 수 있을까? 열을 이용해 물을 끓여 수증기를 만들어 터빈이라도 돌리는 것일까? 물론 우주공간에서 그런 게 가능할 리 없다. 바로 펠티에 효과를 이용한 펠티어 소자(열전소자)를 이용해서 전기를 만든다.

시중에서 쉽게 구할 수 있는 펠티어 소자 혹은 열전소자라고 불리는 장치이다. 지금도 정수기의 온수나 냉수를 만들때, 소형 냉장고 등에 많이 사용되는 소자인데 1800년대에 프랑스의 과학자 장 펠티에가 발견한 펠티에 효과라는 현상을 이용한 소자이다. 여기에 전기를 가하면 한 쪽 면은 차가워지고 한쪽 면은 뜨거워진다. 반대로 한쪽면은 차갑게 한쪽면은 뜨겁게 유지하면 전기가 발생한다. RTG의 방사성 동위원소인 플루토늄-238의 방사성 붕괴열로 펠티어 소자의 한쪽 면을 뜨겁게 하고 다른 면은 우주의 차가운 온도에 노출시키면 전기가 발생되는 것이다.

펠티어 소자도 반도체의 원리를 이용하는데 열의 흐름이 발생하면 전자가 이동하고 전기가 발생하는 원리라고 한다. 결국 보이저호는 방사성 물질의 붕괴 때 나오는 열을 이용하여 열전소자(펠티어 소자)를 동작시켜 전력을 얻는 방식으로 여러 장치들을 50년이라는 긴 시간동안 작동시킬 수 있었던 것이다. 플루토늄-238의 반감기는 88년 정도인데 지금 보이저호가 발사된 지 49년 되었으니 아직도 반감기에 도달하지 못했다. 하지만 발생되는 열도 적어졌고 펠티어 소자도 오래되어 열화 되고 있다고 한다. 그래서 생산되는 전력도 계속 줄어들어서 여러 가지 장치들을 하나씩 끄면서 항해를 계속하고 있다고 한다. 

https://science.nasa.gov/mission/voyager/where-are-voyager-1-and-voyager-2-now/#instrument-status

나사 사이트에 들어가니 보이저호의 현재 위치와 거리가 실시간으로 나오고 있다.  인류가 만든 물체 중에 가장 지구와 멀리 떨어져 있는 보이저호. 앞으로도 RTG가 전력을 잘 생산해서 최대한 지구와 통신이 가능했으면 좋겠지만 현재 2030년 중에 완전히 지구와 통신이 끊길 것으로 예상하고 있다고 한다. 현재 지구와의 거리 255억 8천만 km...