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플라이휠 에너지 저장 물리적 특성
플라이휠의 중앙 축은 단일 짐벌 역할을 하며, 수직으로 정렬되면 수평면에서 360도의 요잉을 허용한다. 그러나 예를 들어 오르막길을 주행하려면 두 번째 피치 짐벌이 필요하며, 경사면을 주행하려면 세 번째 롤 짐벌이 필요하다.
플라이휠 자체는 평평한 링 형태일 수 있지만, 차량 내부에서 자유롭게 움직이는 짐벌 마운트는 플라이휠이 자유롭게 회전할 수 있도록 구형 부피를 필요로 한다. 차량 내에서 회전하는 플라이휠은 자체적으로 지구의 자전을 따라 천천히 세차 운동하며, 지구의 곡면을 따라 장거리를 이동하는 차량에서는 더욱 세차 운동한다.
완전 동작 짐벌은 플라이휠이 하루에 한 번 완전히 뒤집혀 지구 회전에 따라 세차 운동할 수 있으므로 플라이휠 안팎으로 동력을 전달하는 방법에 대한 추가적인 문제가 있다. 완전한 자유 회전을 위해서는 각 짐벌 축 주위에 전력 도체를 위한 슬립링이 필요하여 설계 복잡성을 더욱 증가시킨다.
플라이휠 에너지 저장 물리적 특성
공간 사용을 줄이기 위해 짐벌 시스템은 제한된 움직임 디자인을 사용할 수 있으며, 충격 흡수 장치를 사용하여 특정 각도 범위 내의 갑작스러운 빠른 움직임을 완화하고 점진적으로 플라이휠이 차량의 현재 방향을 채택하도록 강제한다. 이는 링 모양의 플라이휠 주위의 짐벌 움직임 공간을 전체 구형에서 짧고 두꺼운 실린더로 줄여 예를 들어 플라이휠 주위의 모든 방향에서 ±30도 피치 및 ±30도 롤을 포함한다.
이 문제에 대한 대안적인 해결책은 서로 반대 방향으로 동기적으로 회전하는 두 개의 연결된 플라이휠을 사용하는 것이다. 이들은 총 각운동량이 0이고 자이로스코프 효과가 없을 것이다. 이 해결책의 문제점은 각 플라이휠의 운동량 차이가 0이 아닌 경우 두 플라이휠의 하우징이 토크를 나타낸다는 것이다. 각속도를 0으로 유지하려면 두 휠 모두 동일한 속도로 유지되어야 한다. 엄밀히 말하면, 두 플라이휠은 축을 구부리려는 엄청난 돌림힘 모멘트를 중심점에 가할 것이다. 그러나 축이 충분히 강하면 자이로스코프 힘이 밀폐된 용기에 순 영향을 미치지 않으므로 토크가 감지되지 않을 것이다.
힘의 균형을 더욱 맞추고 변형을 분산시키기 위해 단일 대형 플라이휠은 양쪽에 두 개의 절반 크기 플라이휠로 균형을 맞출 수 있거나, 플라이휠을 줄여 반대 방향으로 회전하는 일련의 교번 층이 될 수 있다. 그러나 이는 하우징 및 베어링 복잡성을 증가시킨다.
플라이휠 에너지 저장 응용 분야
1950년대에 자이로버스라고 알려진 플라이휠 동력 버스가 스위스 이베르동과 벨기에 헨트에서 사용되었고, 더 작고 가벼우며 저렴하고 용량이 큰 플라이휠 시스템을 만들기 위한 연구가 진행 중이다. 플라이휠 시스템이 전기 자동차와 같은 이동식 응용 분야에서 기존 화학 전지를 대체할 수 있기를 바라고 있다. 제안된 플라이휠 시스템은 낮은 용량, 긴 충전 시간, 무거운 중량, 짧은 유효 수명과 같은 기존 배터리 전력 시스템의 많은 단점을 제거할 것이다. 플라이휠은 실험용 크라이슬러 패트리어트에 사용되었을 수도 있지만, 이는 논란이 있다.
플라이휠은 또한 연속 가변 변속기에 사용될 것이 제안되었다. 펀치 파워트레인(Punch Powertrain)은 현재 그러한 장치를 개발 중이다.
플라이휠 에너지 저장 응용 분야
1990년대에 로젠 모터스는 소형 가스 터빈 엔진이 제공할 수 없는 가속 폭발을 제공하기 위해 55,000rpm 플라이휠을 사용하는 가스 터빈 동력 직렬 하이브리드 자동차 파워트레인을 개발했다. 플라이휠은 또한 회생 제동을 통해 에너지를 저장했다. 플라이휠은 티타늄 허브와 탄소 섬유 실린더로 구성되었으며, 차량 핸들링에 대한 불리한 자이로스코프 효과를 최소화하기 위해 짐벌 장착되었다. 시제품 차량은 1997년에 성공적으로 도로 시험을 마쳤지만 대량 생산되지는 않았다.
플라이휠 에너지 저장 응용 분야
2013년, 볼보는 S60 세단 후륜에 플라이휠 시스템을 장착했다고 발표했다. 제동 동작으로 플라이휠이 최대 60,000rpm으로 회전하고 전방 엔진을 정지시킨다. 플라이휠 에너지는 특수 변속기를 통해 차량에 부분적으로 또는 완전히 동력을 공급한다. 20-센티미터 (7.9 in), 6-킬로그램 (13 lb) 탄소 섬유 플라이휠은 마찰을 없애기 위해 진공 상태에서 회전한다. 4기통 엔진과 결합될 경우, 유사한 성능의 터보 6기통 엔진에 비해 연료 소비를 최대 25% 절감하고, 80 마력 (60 kW)의 출력을 추가하여 5.5초 만에 100 킬로미터 매 시 (62 mph)에 도달할 수 있다. 볼보는 이 기술을 자사 제품 라인에 포함시킬 구체적인 계획은 발표하지 않았다.
플라이휠 에너지 저장 응용 분야
2014년 7월, GKN은 윌리엄스 하이브리드 파워(WHP) 사업부를 인수했으며, 향후 2년 동안 도시 버스 운영업체에 500개의 탄소 섬유 자이로드라이브(Gyrodrive) 전기 플라이휠 시스템을 공급할 계획이다. 이전 개발자 이름에서 알 수 있듯이, 이 시스템은 원래 포뮬러 원 자동차 경주 애플리케이션용으로 설계되었다. 2014년 9월, 옥스포드 버스 컴퍼니는 브룩스 버스(Brookes Bus) 운영에 알렉산더 데니스의 자이로드라이브 하이브리드 버스 14대를 도입한다고 발표했다.
플라이휠 시스템은 작은 전기 기관차에 시험적으로 사용되어 입환 또는 차량 교환에 사용되었다(예: 센티넬-욀리콘 자이로 기관차). 더 큰 전기 기관차(예: 영국 철도 70형)에는 때때로 제3궤조의 간격을 통과할 수 있도록 플라이휠 부스터가 장착되기도 했다. 텍사스 대학교 오스틴의 133 kWh 팩과 같은 첨단 플라이휠은 정지 상태에서 열차를 순항 속도까지 가속시킬 수 있다.
플라이휠 에너지 저장 응용 분야
패리 피플 무버는 플라이휠에 의해 구동되는 동차이다. 2006년과 2007년에 잉글랜드 웨스트미들랜즈주의 스토어브리지 타운 지선에서 12개월 동안 일요일마다 시험 운행되었으며, 2대가 주문되면 2008년 12월에 철도 운영사 런던 미들랜드에 의해 정식 서비스로 도입될 예정이었다. 2010년 1월 현재 두 대의 유닛이 모두 운행 중이다.
플라이휠 에너지 저장 응용 분야
FES는 전철화된 철도 선로변에서 선로 전압을 조절하여 개조되지 않은 전기 열차의 가속을 개선하고 회생 제동 시 선로로 회수되는 에너지 양을 증가시켜 에너지 비용을 절감하는 데 사용될 수 있다. 런던, 뉴욕, 리옹, 도쿄에서 시험이 진행되었으며, 뉴욕 MTA의 롱아일랜드 철도는 현재 LIRR의 웨스트 헴프스테드 지선에 520만 달러를 투자하여 파일럿 프로젝트를 진행하고 있다.
이러한 시험 및 시스템은 네오디뮴-철-붕소 분말이 채워져 영구 자석을 형성하는 탄소-유리 복합 실린더로 구성된 로터에 운동 에너지를 저장한다. 이 로터는 최대 37,800rpm으로 회전하며, 각 100 kW (130 hp) 장치는 11 메가줄 (3.1 kWh)의 재사용 가능한 에너지를 저장할 수 있다. 이는 약 200 미터톤 (220 쇼트톤; 197 롱톤)의 무게를 0에서 38 km/h (24 mph)까지 가속시키는 데 충분한 양이다.
플라이휠 에너지 저장 응용 분야
2001년 현재 생산되는 플라이휠 전력 저장 시스템은 배터리와 비슷한 저장 용량과 더 빠른 방전율을 가지고 있었다. 이들은 주로 데이터 센터의 무정전 전원 장치와 같은 대규모 배터리 시스템의 부하 평준화를 제공하는 데 사용되는데, 이는 배터리 시스템에 비해 상당한 공간을 절약할 수 있기 때문이다.
플라이휠 유지보수는 일반적으로 기존 배터리 UPS 시스템 비용의 절반 정도이다. 유일한 유지보수는 기본적인 연간 예방 유지보수 루틴과 5~10년마다 베어링을 교체하는 것으로, 약 4시간이 소요된다. 최신 플라이휠 시스템은 유지보수가 필요 없는 자기 베어링을 사용하여 회전하는 질량을 완전히 부상시키므로 베어링 유지보수 및 고장을 줄인다.
완전히 설치된 플라이휠 UPS(전력 조절 포함)의 비용은 (2009년 기준) 킬로와트당 약 330달러였다(15초 풀로드 용량 기준).
플라이휠 에너지 저장 응용 분야
플라이휠 전력 시스템의 오랜 틈새 시장은 회로 차단기 및 유사한 장치를 테스트하는 시설이다. 심지어 작은 가정용 회로 차단기도 10,000 암페어 이상의 전류를 차단하도록 정격화될 수 있으며, 더 큰 장치는 100,000 또는 1,000,000 암페어의 차단 용량을 가질 수 있다. 이러한 장치가 시뮬레이션된 단락 회로를 차단하는 능력을 입증하기 위해 의도적으로 강제할 때 발생하는 엄청난 과도 부하는 이러한 테스트가 건물 전력에서 직접 수행되면 지역 그리드에 용납할 수 없는 영향을 미 미칠 것이다. 일반적으로 이러한 실험실에는 몇 분에 걸쳐 속도를 높일 수 있는 여러 대형 전동 발전기 세트가 있으며, 회로 차단기를 테스트하기 전에 모터는 분리된다.
토카막 핵융합 실험에는 짧은 시간 동안 매우 높은 전류가 필요하다(주로 대형 전자석에 몇 초 동안 전력을 공급하기 위함).
또한 토카막이 아닌: 러더포드 애플턴 연구소의 님로드 싱크로트론에는 30톤 플라이휠 두 개가 있었다.
플라이휠 에너지 저장 응용 분야
제럴드 R. 포드급 항공모함은 플라이휠을 사용하여 함선 전원 공급 장치에서 에너지를 축적하여 전자기 항공기 발사 시스템으로 빠르게 방출할 것이다. 함선 전원 시스템은 항공기를 발사하는 데 필요한 높은 전력 과도 전류를 자체적으로 공급할 수 없다. 4개의 로터는 각각 6400rpm에서 121 MJ (34 kWh)를 저장할 것이다. 이들은 45초 만에 122 MJ (34 kWh)를 저장하고 2~3초 만에 방출할 수 있다. 플라이휠 에너지 밀도는 28 kJ/kg (8 W·h/kg)이며, 고정자와 케이스를 포함하면 18.1 kJ/kg (5 W·h/kg)으로 감소하며 토크 프레임은 제외한다.
플라이휠 에너지 저장 응용 분야
이것은 미국 항공 우주국의 글렌 연구 센터에서 자금을 지원받아 실험실 환경에서 부품 테스트를 위해 설계된 것이다. 자기 베어링에 장착되어 60,000rpm으로 회전하도록 설계된 티타늄 허브가 있는 탄소 섬유 림을 사용했다. 무게는 250 파운드 (110 킬로그램)으로 제한되었다. 저장 용량은 525 Wh (1.89 MJ)이며 1 kW (1.3 hp)으로 충전 또는 방전할 수 있었고, 이로 인해 비에너지는 5.31 W⋅h/kg, 전력 밀도는 10.11 W/kg이었다. 페이지 상단 사진에 보이는 작동 모델은 2004년 9월 2일에 41,000rpm으로 작동했다.
너츠베리팜의 몬테주마의 복수 롤러코스터는 세계 최초의 플라이휠 발사 롤러코스터이며 미국에서 여전히 운행 중인 유일한 종류의 놀이기구이다. 이 놀이기구는 7.6톤의 플라이휠을 사용하여 4.5초 만에 열차를 시속 55마일(89km/h)로 가속시킨다.
유니버설 아일랜드 오브 어드벤처의 인크레더블 헐크 코스터는 일반적인 중력 낙하 방식 대신 빠르게 가속하는 오르막 발사를 특징으로 한다. 이는 강력한 견인 전동기를 통해 차량을 트랙 위로 던져 올리는 방식으로 이루어진다. 전체 코스터 열차를 오르막에서 최고 속도까지 가속시키는 데 필요한 짧고 매우 높은 전류를 달성하기 위해, 공원은 대형 플라이휠이 장착된 여러 전동 발전기 세트를 활용한다. 이러한 에너지 저장 장치가 없으면 공원은 새로운 변전소에 투자하거나 놀이기구가 발사될 때마다 지역 에너지망의 브라운아웃 위험을 감수해야 할 것이다.
보상 펄스 교류 발전기(compulsator)는 높은 에너지 밀도와 전력 밀도로 인해 핵융합 원자로, 고출력 펄스 레이저, 고속 전자기 발사기를 위한 펄스 전원 공급 장치로 가장 인기 있는 선택 중 하나이다.
별도의 플라이휠과 발전기 대신, 낮은 유도계수 교류 발전기의 대형 로터만이 에너지를 저장한다. (또한 단극 발전기 참조).
연속 가변 변속기 (CVT)를 사용하여 제동 중 구동계에서 에너지를 회수하여 플라이휠에 저장한다. 이 저장된 에너지는 CVT의 비율을 변경하여 가속 중에 사용된다. 모터스포츠 응용 분야에서는 이 에너지를 이산화탄소 배출량 감소 – 보다는 가속 성능 향상에 사용한다. 물론 동일한 기술을 일반 자동차에 적용하여 연료 효율을 개선할 수도 있다.
매년 르망 24시 경기와 르망 시리즈를 주최하는 오토모빌 클럽 드 웨스트는 현재 "운동 에너지 회수 시스템을 장착할 LMP1에 대한 특정 규정을 연구 중"이다.
윌리엄스 F1 레이싱 팀의 자회사인 윌리엄스 하이브리드 파워(Williams Hybrid Power)는 포르쉐의 911 GT3 R 하이브리드와 아우디의 R18 e-트론 콰트로를 위해 플라이휠 기반 하이브리드 시스템을 공급했다. 아우디가 2012년 르망 24시에서 우승한 것은 하이브리드(디젤-전기) 차량으로는 처음이다.
플라이휠은 순간적인 계통 상용 주파수 조절 및 공급과 소비 간의 갑작스러운 변화 균형을 위한 단기 회전 예비력으로 사용되기도 한다. 탄소 배출이 없고, 반응 시간이 더 빠르며, 비수기 시간에 전력을 구매할 수 있다는 점은 천연가스 터빈과 같은 전통적인 에너지원 대신 플라이휠을 사용하는 장점 중 하나이다. 작동은 동일한 응용 분야의 배터리와 매우 유사하며, 그 차이는 주로 경제적이다.
비콘 파워는 2011년 뉴욕주 스테펜타운에 5 MWh(15분 동안 20 MW) 규모의 플라이휠 에너지 저장 발전소를 개설했으며 200개의 플라이휠을 사용하고 2014년에는 헤이즐 타운십, 펜실베이니아주에 유사한 20 MW 시스템을 구축했다.
온타리오 주, 캐나다 민토에 0.5MWh(15분 동안 2 MW) 플라이휠 저장 시설이 2014년에 개장했다. 이 플라이휠 시스템(NRStor 개발)은 자기 베어링에 10개의 회전하는 강철 플라이휠을 사용한다.
앰버 키네틱스(Amber Kinetics, Inc.)는 퍼시픽 가스 앤드 일렉트릭(PG&E)과 캘리포니아 프레즈노에 위치한 20 MW / 80 MWh 규모의 플라이휠 에너지 저장 시설에 대한 계약을 체결했으며, 이는 4시간 동안 방전이 가능하다.
2024년 중국에서는 30 MW 규모의 플라이휠 계통 시스템이 가동을 시작했다.
플라이휠은 비수기 또는 강풍 시 풍력 터빈이 생성하는 에너지를 저장하는 데 사용될 수 있다.
2010년에 비콘 파워는 캘리포니아 테하차피의 풍력 발전소에서 자사의 스마트 에너지 25(Gen 4) 플라이휠 에너지 저장 시스템을 시험하기 시작했다. 이 시스템은 캘리포니아 에너지 위원회를 위해 수행되는 풍력 발전 및 플라이휠 시연 프로젝트의 일부였다.
많은 장난감 자동차, 트럭, 기차, 액션 장난감 등에 동력을 공급하는 마찰 전동기는 단순한 플라이휠 모터이다.
산업 분야에서는 토글 액션 프레스가 여전히 인기가 있다. 일반적인 배열은 매우 강한 크랭크축과 프레스를 구동하는 고성능 커넥팅 로드를 포함한다. 크고 무거운 플라이휠은 전기 모터에 의해 구동되지만, 플라이휠은 클러치가 활성화될 때만 크랭크축을 회전시킨다.
플라이휠 에너지 저장 전기 배터리와의 비교
플라이휠은 온도 변화의 영향을 덜 받으며, 훨씬 더 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있고, 화학 이차 전지의 많은 일반적인 고장에 영향을 받지 않는다. 또한, 대부분 화학적으로 불활성이거나 무해한 물질로 만들어져 환경에 잠재적으로 덜 해롭다. 플라이휠의 또 다른 장점은 회전 속도를 간단히 측정하여 저장된 에너지의 정확한 양을 알 수 있다는 것이다.
대부분의 배터리가 유한한 기간(예를 들어 리튬 인산철 배터리의 경우 약 10년) 동안만 작동하는 것과는 달리, 플라이휠은 잠재적으로 무한한 작업 수명을 가진다. 제임스 와트 증기 기관의 일부로 만들어진 플라이휠은 200년 이상 연속적으로 작동해 왔다. 아프리카, 아시아, 유럽의 여러 지역에서 주로 제분 및 도예에 사용된 고대 플라이휠의 작동 예시를 찾을 수 있다.
플라이휠 에너지 저장 전기 배터리와의 비교
대부분의 현대 플라이휠은 일반적으로 서비스 수명 동안 최소한의 유지보수만 필요한 밀봉된 장치이다. 위에 묘사된 NASA 모델과 같이 진공 인클로저에 있는 자기 베어링 플라이휠은 베어링 유지보수가 필요 없으므로 총 수명 및 에너지 저장 용량 면에서 배터리보다 우수하다. 그들의 유효 서비스 수명은 아직 알려지지 않았기 때문이다. 기계식 베어링이 있는 플라이휠 시스템은 마모로 인해 수명이 제한될 것이다.
고성능 플라이휠은 폭발하여 고속 파편으로 주변 사람들에게 부상을 입힐 수 있다. 이러한 위험을 줄이기 위해 플라이휠은 지하에 설치될 수 있다. 배터리는 화재를 일으키고 독성 물질을 방출할 수 있지만, 일반적으로 주변 사람들이 대피하고 부상을 피할 시간이 있다.
배터리의 물리적 배열은 다양한 구성에 맞게 설계될 수 있지만, 플라이휠은 최소한 특정 면적과 부피를 차지해야 한다. 왜냐하면 저장하는 에너지가 회전 관성과 회전 속도의 제곱에 비례하기 때문이다. 플라이휠이 작아질수록 질량도 감소하므로 속도는 증가해야 하며, 따라서 재료에 가해지는 응력이 증가한다. 치수가 제약이 되는 경우(예: 기차 섀시 아래) 플라이휠은 실현 가능한 해결책이 아닐 수 있다.
플라이휠 에너지 저장 추가 자료
Koshizuka, N.; Ishikawa, F.; Nasu, H.; Murakami, M. 외 (2003). 《Progress of superconducting bearing technologies for flywheel energy storage systems》. 《Physica C》 386. 444–450쪽. Bibcode:2003PhyC..386..444K. doi:10.1016/S0921-4534(02)02206-2.
Wolsky, A. M. (2002). 《The status and prospects for flywheels and SMES that incorporate HTS》. 《Physica C》 372. 1495–1499쪽. Bibcode:2002PhyC..372.1495W. doi:10.1016/S0921-4534(02)01057-2.
플라이휠 에너지 저장 추가 자료
Sung, T. H.; Han, S. C.; Han, Y. H.; Lee, J. S. 외 (2002). 《Designs and analyses of flywheel energy storage systems using high-Tc superconductor bearings》. 《Cryogenics》 42. 357–362쪽. Bibcode:2002Cryo...42..357S. doi:10.1016/S0011-2275(02)00057-7.
Akhil, Abbas; Swaminathan, Shiva; Sen, Rajat K. (February 2007). “Cost Analysis of Energy Storage Systems for Electric Utility Applications” (PDF). Sandia National laboratories. 2007년 6월 21일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.
플라이휠 에너지 저장 추가 자료
Larbalestier, David; Blaugher, Richard D.; Schwall, Robert E.; Sokolowski, Robert S. 외 (September 1997). “Flywheels”. 《Power Applications of Superconductivity in Japan and Germany》. World Technology Evaluation Center.
Li, X., & Palazzolo, A. (2022). A review of flywheel energy storage systems: State of the art and opportunities. Journal of Energy Storage, 46, 103576. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103576
선형 아세틸렌 탄소
선형 아세틸렌 탄소(linear acetylenic carbon, LAC), 카바인(carbyne) 또는 선형 탄소 사슬(Linear Carbon Chain, LCC)로도 알려진 이 물질은 단일 및 삼중 결합이 번갈아 나타나는 반복 단위를 갖는 화학 구조 (−C≡C−)n를 갖는 탄소의 동소체이다. 따라서 이것은 폴리아인 계열의 궁극적인 구성원이 될 것이다.
이 중합체성 카바인은 나노 기술에 상당한 관심을 끌고 있는데, 그 이유는 영률이 32.7 TPa로 다이아몬드의 40배에 달하기 때문이다. 그러나 이 놀라운 수치는 구조가 차지하는 공간과 일치하지 않는 단면적의 새로운 정의를 기반으로 한다. 카바인은 또한 성간 공간에서 발견되었지만, 최근에는 응축상에서의 존재가 논란이 되고 있다. 이러한 사슬은 서로 접근하면 발열적으로(그리고 아마도 폭발적으로) 교차 결합할 것이기 때문이다.
선형 아세틸렌 탄소 역사와 논란
이 동소체의 첫 발견 주장은 1960년에 나왔고 1978년에 반복되었다. 1982년에 여러 이전 보고서의 샘플을 재검토한 결과, 원래 카바인으로 attributed되었던 신호가 사실은 샘플의 규산염 불순물 때문인 것으로 밝혀졌다. 카바인 결정이 없어서 순수한 카바인 조립 고체를 직접 관찰하는 것은 여전히 큰 과제로 남아 있는데, 이는 잘 정의된 구조와 충분한 크기를 가진 카바인 결정이 현재까지는 이용 가능하지 않기 때문이다. 이것은 실제로 카바인이 진정한 탄소 동소체로 일반적으로 받아들여지는 데 주요 장애물이다. 신비로운 카바인은 가능한 비범한 특성으로 과학자들을 여전히 매료시켰다.
선형 아세틸렌 탄소 역사와 논란
지난 35년 동안 카바인의 제조 및 그 구조, 특성, 잠재적 응용에 대한 실험적 및 이론적 연구가 과학 문헌에 점점 더 많이 발표되었다.
1968년, 리스 분화구(독일 바이에른주 뇌르틀링겐)의 흑연질 편마암에서 은백색의 새로운 광물이 발견되었다. 이 물질은 전적으로 탄소로 구성되어 있었으며, 육각형 세포 치수는 러시아 과학자들이 이전에 카바인에 대해 보고한 것과 일치했다. 이 새로운 형태의 천연 탄소인 카오아이트는 고온과 고압의 복합 작용, 아마도 운석 충돌로 인해 흑연에서 생성된 것으로 결론지어졌다. 곧이어 이 "흰색" 탄소는 진공 상태에서 열분해 흑연을 승화시켜 합성되었다.
1984년, 엑손 그룹은 탄소 증발 실험에서 30에서 180 사이의 짝수 탄소 원자를 가진 클러스터를 발견했으며, 이를 폴리아인 탄소에 기인한다고 보고했다. 그러나 이 클러스터들은 나중에 풀러렌으로 확인되었다.
1991년, 카바인은 성형작약탄에 의해 생성된 충격파로 기화되고 급냉된 비정질 카본 블랙 샘플에서 다른 여러 탄소 동소체들 사이에서 발견된 것으로 알려졌다.
선형 아세틸렌 탄소 역사와 논란
1995년에는 탄소 300개 이상의 카바인 사슬의 제조가 보고되었다. 사슬 말단의 알카인이 수소 원자 대신 불활성 그룹(예: 터트-뷰틸 또는 트라이플루오로메틸)으로 캡핑되어 있는 한, 습기와 산소에도 상당히 안정적이라고 주장되었다. 이 연구는 데이터가 풀러렌과 같은 구조보다는 카바인과 같은 구조를 구체적으로 나타낸다고 주장했다. 그러나 H. 크로토에 따르면, 이 연구들에서 사용된 특성과 합성 방법은 풀러렌의 생성과 일치한다.
또 다른 1995년 보고서는 실온에서 알칼리 금속 아말감에 담근 고체 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, 테플론)이 반응하여 형성된 약 180 nm 두께의 탄화물 층에서 불확정 길이의 카바인 사슬을 발견했다고 주장했다 (수소 함유 종은 존재하지 않았다). 가정된 반응은 다음과 같았다.
(-CF2−CF2-)n + 4M  →  (-C≡C-)n + 4MF,
여기서 M은 리튬, 나트륨, 또는 칼륨이다. 저자들은 사슬 사이에 있는 금속 불화물 나노결정이 중합을 방해했다고 추측했다.
선형 아세틸렌 탄소 역사와 논란
1999년, 아세틸렌화 구리(I)(Cu+2 C2−2)는 공기 또는 구리(II) 이온에 노출되어 부분적으로 산화된 후 염산으로 분해되면, n=2–6의 (−C≡C−)n 사슬의 스펙트럼 신호를 가진 "탄소질" 잔류물을 남긴다고 보고되었다. 제안된 메커니즘은 아세틸렌화물 음이온 C2−2의 산화 중합으로 카바인형 음이온 C(≡C−C≡)nC2− 또는 큐물렌형 음이온 C(=C=C=)mC4−을 형성하는 것이다. 또한, 진공 상태에서 아세틸렌화 구리의 열분해는 플라스크 벽에 미세 탄소 분말의 솜털 같은 침전물을 생성했으며, 이는 스펙트럼 데이터를 기반으로 흑연이 아닌 카바인으로 주장되었다. 마지막으로, 암모니아 용액에서 아세틸렌화 구리의 산화 (글레이저 반응)는 잔류 구리(I) 이온으로 캡핑된 "폴리아세틸렌화물" 음이온으로 구성되었다고 주장되는 탄소질 잔류물을 생성한다.
Cu+ C−(≡C−C≡)nC− Cu+.
잔류 구리량에 따라 평균 단위 n은 약 230으로 추정되었다.
2004년에 합성된 선형 탄소 동소체를 분석한 결과, 선형 카바인의 교번 삼중-단일 패턴 대신 sp-혼성 탄소 사슬을 따라 연속적인 이중 결합이 있는 큐물렌 전자 구조를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.
2016년에는 최대 6,000개의 sp-혼성 탄소 원자로 이루어진 선형 사슬의 합성이 보고되었다. 이 사슬들은 이중벽 탄소 나노튜브 내에서 성장했으며, 숙주에 의해 보호되어 매우 안정적이다.
순수한 중성 탄소 물질에서 "카바인" 사슬의 존재 여부는 여전히 논란의 여지가 있지만, 짧은 (−C≡C−)n 사슬은 더 큰 분자(폴리아인)의 하부 구조로 잘 확립되어 있다. 2010년 현재, 안정적인 분자에서 가장 긴 사슬은 부피가 큰 말단 그룹으로 안정화된 22개의 아세틸렌 단위를(총 44개의 원자) 가지고 있었다.
선형 아세틸렌 탄소 구조
이 형태의 탄소 원자는 각각 sp 혼성 궤도를 가진 선형 기하학적 구조를 갖는다. 결합 길이는 120.7 pm(삼중)과 137.9 pm(단일)로 추정된다.
탄소 원자 사슬에 대한 다른 가능한 구성으로는 이중 결합만 있는 폴리큐물렌(폴리에틸렌-다이일리덴) 사슬(128.2 pm)이 있다. 이 사슬은 파이얼스 전이 갭이 2–5 eV로 약간 더 높은 에너지를 가질 것으로 예상된다. 그러나 짧은 Cn 분자의 경우 폴리큐물렌 구조가 선호되는 것으로 보인다. n이 짝수일 때, 에너지적으로 매우 가까운 두 개의 기저 상태 구성이 공존할 수 있다: 하나는 선형이고 다른 하나는 순환(능형)이다.
카바인 사슬의 유연성 한계는 8개의 아세틸렌 단위를 주사슬로 하는 합성 폴리아인으로 설명되는데, 이 사슬은 고체 상태에서 인접 분자의 부피가 큰 말단 그룹을 수용하기 위해 25° 이상(각 탄소에서 약 3°)으로 구부러져 있는 것으로 밝혀졌다.
대칭성이 높은 카바인 사슬은 각 단일-이중쌍의 결합 신축으로 인해 Σg 대칭성을 갖는 단일 라만 활성 모드만 가질 것으로 예상되며, 그 빈도는 일반적으로 1800에서 2300 cm−1 사이이며, 주변 환경에 영향을 받는다.
선형 아세틸렌 탄소 특성
카바인 사슬은 밀도당 알려진 가장 강한 물질이라고 주장되었다. 계산에 따르면 카바인의 비인장 강도(강도를 밀도로 나눈 값)는 (6.0–7.5)×107 (N·m)/kg로 그래핀((4.7–5.5)×107 (N·m)/kg), 탄소 나노튜브((4.3–5.0)×107 (N·m)/kg), 다이아몬드((2.5–6.5)×107 (N·m)/kg)를 능가한다. 영률을 밀도로 나눈 값인 비모듈러스는 약 109 (N·m)/kg로, 그래핀의 약 4.5×108 (N·m)/kg보다 두 배 높다.
카바인을 10% 늘리면 전자 밴드갭이 3.2–4.4 eV로 변한다. 사슬 끝에 분자 손잡이를 장착하면 밴드갭을 조절하기 위해 비틀 수도 있다. 끝에서 끝까지 90°를 비틀면 카바인은 자기 반도체로 변한다.
선형 아세틸렌 탄소 특성
2017년, 이중벽 탄소 나노튜브 내부에 갇힌 36개에서 6000개 탄소 원자로 구성된 선형 탄소 사슬(LCC)의 밴드갭이 처음으로 결정되었는데, 라만 주파수와 선형 관계를 따르며 2.253–1.848 eV의 범위에 있었다. 이 하한선은 현재까지 관찰된 선형 탄소 사슬의 가장 작은 밴드갭이다. 2020년, 선형 탄소 사슬(LCC)의 강도(영률)는 실험적으로 약 20 TPa로 계산되었는데, 이는 그래핀 및 탄소 나노튜브와 같은 다른 탄소 재료보다 훨씬 높다. 기상 또는 용액 상태의 짧은 사슬에 대해 얻은 실험 데이터와의 비교는 DWCNT 캡슐화의 효과를 보여주며, 이는 밴드갭의 본질적인 하향 이동으로 이어진다.
이중벽 탄소 나노튜브 내부의 LCC는 (8,3) 카이랄성을 가진 튜브의 내부 튜브의 광발광(PL) 신호를 최대 6배까지 증가시킨다. 이러한 행동은 내부 튜브에서 탄소 사슬로의 국부적인 전하 이동 때문일 수 있으며, 외부 튜브에 의해 유도되는 퀜칭 메커니즘의 균형을 맞춘다.
카바인 사슬은 에너지 및 수소 저장에 적합할 수 있는 측면 분자를 취할 수 있다.
원자당 10−22 cm2 sr−1의 차동 라만 산란 단면적을 가진 탄소 나노튜브 내부에 갇힌 카바인 사슬은 이제까지 보고된 가장 강한 라만 산란체이며, 다른 알려진 어떤 물질보다 두 자릿수나 높다.
선형 아세틸렌 탄소 더 읽어보기
Diederich, François; Stang, Peter J.; Tykwinski, R. R. (Rik R.) 편집 (2005). 〈Chapter 9. Carbon-Rich Compounds: Acetylene-Based Carbon Allotropes〉. 《Acetylene chemistry: chemistry, biology, and material science》. Weinheim: Wiley-VCH. 387–426쪽. ISBN 978-3-527-30781-4. OCLC 57483840.
매스 드라이버
매스 드라이버(mass driver) 또는 전자기 투석기(electromagnetic catapult)는 직선형 전동기를 사용하여 페이로드를 고속으로 가속하고 투척하여 비로켓 우주 발사를 수행하는 제안된 방법이다. 기존 및 제안된 매스 드라이버는 전기로 동력을 공급받는 코일을 사용하여 전자석을 만들지만, 회전식 매스 드라이버도 제안되었다. 일련의 전자석을 순차적으로 발사하여 페이로드를 경로를 따라 가속시킨다.
탄도 페이로드를 추진하는 데 사용되는 모든 장치는 기술적으로 매스 드라이버이지만, 이 맥락에서 매스 드라이버는 본질적으로 자화 가능한 홀더와 페이로드로 구성된 패키지를 자기적으로 가속시키는 코일건이다. 페이로드가 가속되면 둘은 분리되고, 홀더는 감속되어 다른 페이로드를 위해 재활용된다. 또는 매스 드라이버는 항공모함 USS Gerald R. Ford의 전자식 항공기 발진시스템 (EMALS)에 사용되는 직선형 유도 전동기를 기반으로 할 수도 있다.
매스 드라이버
매스 드라이버는 세 가지 다른 방식으로 우주선을 추진하는 데 사용될 수 있다. 지상 기반의 대형 매스 드라이버는 지구, 달, 또는 다른 천체에서 우주선을 발사할 수 있다. 소형 매스 드라이버는 우주선에 탑재된 로켓 엔진으로 작동하여 물질 조각을 우주로 던져 자신을 추진할 수 있다. 또 다른 변형은 달이나 소행성에 있는 대규모 시설이 원거리 우주선을 돕기 위해 발사체를 보내는 것이다.
소형화된 매스 드라이버는 고전적인 총기나 화학 연소를 이용하는 캐넌과 유사한 방식으로 무기로도 사용될 수 있다. 코일건과 레일건의 하이브리드인 나선형 레일건도 가능하다.
매스 드라이버 고정식 매스 드라이버
매스 드라이버는 동적 자기 부상을 통해 발사체를 안내하므로 움직이는 부품 사이에 물리적인 접촉이 필요 없어 고체 상태 전력 스위칭의 경우 극도의 재사용성과 이론적으로 수백만 번의 발사 수명을 제공한다. 한계 비용은 따라서 낮게 유지되는 경향이 있지만, 초기 개발 및 건설 비용은 성능, 특히 발사체의 의도된 질량, 가속도 및 속도에 크게 의존한다. 예를 들어, 제라드 K. 오닐은 1976~1977년에 2,000달러 예산으로 그의 첫 번째 매스 드라이버를 제작하여 40m/s의 속도와 33g로 발사체를 발사하는 짧은 시험 모델을 만들었지만, 그의 다음 모델은 비슷한 자금 증가 후 10배 더 큰 가속도를 가졌고, 몇 년 후 텍사스 대학교 연구원들은 6000m/s로 10kg 발사체를 발사하는 매스 드라이버가 4,700만 달러가 들 것이라고 추정했다.
매스 드라이버 고정식 매스 드라이버
주어진 에너지량에 대해 무거운 물체는 비례적으로 느리게 움직인다. 가벼운 물체는 20km/s 이상으로 투사될 수 있다. 한계는 일반적으로 충분히 빠르게 방전될 수 있는 에너지 저장 장치의 비용과 전력 스위칭 비용이며, 이는 반도체 또는 기체상 스위치(여전히 극단적인 펄스 전력 응용 분야에서 틈새 시장을 차지하는 경우가 많음)로 이루어질 수 있다. 그러나 에너지는 초전도 코일에 유도적으로 저장될 수 있다. 1km 길이의 초전도 코일로 만들어진 매스 드라이버는 20kg 차량을 80%의 변환 효율과 5,600g의 평균 가속도로 10.5km/s까지 가속할 수 있다.
스타트램 개념과 같이 지구에서 궤도로 차량을 추진하는 지구 기반 매스 드라이버는 상당한 자본 투자를 필요로 할 것이다. 지구의 상대적으로 강한 중력과 상대적으로 두꺼운 대기는 실용적인 해결책의 구현을 어렵게 만든다. 또한, 모든 것은 아닐지라도 대부분의 그럴듯한 발사 장소는 잦은 항공 교통 경로를 통해 우주선을 추진할 것이다. 이러한 발사가 유발할 대규모 난류로 인해 해당 지역에서 운항하는 다른 항공기의 안전을 보장하기 위해 상당한 항공 교통 관제 조치가 필요할 것이다.
매스 드라이버 고정식 매스 드라이버
지구에서 발사할 재사용 가능 로켓(특히 1단 로켓)의 확산과 함께, 매스 드라이버가 지구에서 로켓을 대체할 대안으로 가질 수 있었던 경제적 이점은 점점 더 의심스러워지고 있다. 이러한 이유로 많은 제안은 달에 매스 드라이버를 설치하는 것을 특징으로 한다. 달의 낮은 중력과 대기가 없는 환경은 달 궤도에 도달하는 데 필요한 속도를 크게 줄여주기 때문이다. 고정된 위치에서 달 발사는 낮은 인구 밀도와 달 항공 여행의 어려움으로 인해 교통 통제와 같은 문제와 관련하여 문제를 일으킬 가능성이 훨씬 적다.
매스 드라이버 고정식 매스 드라이버
대부분의 진지한 매스 드라이버 설계는 합리적인 에너지 효율(설계에 따라 종종 50%에서 90% 이상)을 달성하기 위해 초전도 코일을 사용한다. 장비에는 초전도 버킷 또는 알루미늄 코일이 페이로드로 포함될 수 있다. 매스 드라이버의 코일은 페이로드의 알루미늄 코일에 와전류를 유도한 다음, 생성된 자기장에 작용할 수 있다. 매스 드라이버는 두 부분으로 나뉜다. 최대 가속도 부분은 코일을 일정한 거리에 배치하고 코일 전류를 버킷에 동기화한다. 이 섹션에서는 버킷이 견딜 수 있는 최대치까지 속도가 증가함에 따라 가속도가 증가한다. 그 후에는 일정한 가속도 영역이 시작된다. 이 영역은 단위 시간당 일정한 속도 증가를 제공하기 위해 코일을 증가하는 거리에 배치한다.
이러한 방식에 기반하여, 매스 드라이버의 주요 제안은 달 표면 물질을 태양 에너지를 사용하여 처리하기 위한 우주 거주지로 운송하는 것을 포함한다. 우주연구소는 이 응용이 합리적으로 실용적임을 보여주었다.
매스 드라이버 고정식 매스 드라이버
일부 설계에서는 페이로드를 버킷에 담아 발사한 다음 버킷을 감속하여 재사용한다. 반면에 일회용 버킷은 트랙 전체에서 가속을 이용할 수 있다. 또는 트랙이 달(또는 상당한 대기가 없는 다른 천체)의 전체 둘레에 걸쳐 건설된다면 재사용 가능한 버킷의 가속도는 트랙의 길이에 제한되지 않을 것이다. 그러나 이러한 시스템은 승객 및 화물을 매우 높은 속도로 가속시키기 위한 것이라면 상당한 원심력에 견디도록 설계되어야 한다.
화물 전용 화학 우주 총 개념과 달리, 매스 드라이버는 어떤 길이든 가능하며, 합리적인 가격에 상대적으로 부드러운 가속을 제공하고, 선택적으로 승객에게 과도한 g-힘을 주지 않고 목표 속도에 도달할 수 있을 만큼 길게 만들 수 있다. 우주 발사를 위한 매우 길고 주로 수평으로 정렬된 발사 트랙으로 건설될 수 있으며, 트랙을 위로 구부리거나 지구의 곡률을 이용하여 끝부분이 위로 향하게 된다.
산과 같은 자연 고지대는 멀리 떨어진 상향 목표 지점의 건설을 용이하게 할 수 있다. 트랙이 더 높이 끝날수록 발사된 물체는 대기로부터의 저항을 덜 받게 된다.
매스 드라이버 고정식 매스 드라이버
지구 저궤도를 향해 최대 9000m/s의 속도(항력 손실에 대한 추가분을 포함할 경우)로 발사되는 발사체의 킬로그램당 40 메가줄 이하의 운동 에너지는 효율이 비교적 높을 경우 킬로그램당 몇 킬로와트시에 해당하며, 이에 따라 LEO로 운송되는 킬로그램당 1달러 미만의 전기 에너지 비용이 들 것으로 가설화되었지만, 총 비용은 전기료만으로는 훨씬 더 많을 것이다. 주로 지상, 또는 지하에 위치함으로써 매스 드라이버는 비로켓 우주 발사의 다른 많은 구조물에 비해 유지보수가 더 쉬울 수 있다. 지하에 있든 없든, 내부 공기 항력을 방지하기 위해 진공펌프로 진공 처리된 파이프 안에 설치되어야 하며, 대부분 닫혀 있지만 발사 순간에 플라스마 창이 사용되어 진공 손실을 방지하는 기계식 셔터와 같은 것이 필요하다.
지구의 매스 드라이버는 보통 타협적인 시스템이 될 것이다. 매스 드라이버는 궤도에 도달하기에 충분하지 않은 속도까지 페이로드를 가속할 것이다. 그리고 나서 페이로드를 방출하고, 페이로드는 로켓으로 발사를 완료할 것이다. 이는 로켓이 궤도에 도달하기 위해 제공해야 하는 속도량을 급격히 줄일 것이다. 작은 로켓 추진기로부터 궤도 속도의 10분의 1 미만도 근지점을 높이는 데 충분하지만, 하이브리드 제안은 선택적으로 로켓 연소(또는 궤도 운동량 교환 테더)에 의해 델타 V의 더 큰 부분을 가짐으로써 매스 드라이버 자체에 대한 요구 사항을 줄인다. 지구에서는 매스 드라이버 설계가 잘 검증된 자기부상 부품을 사용할 수도 있다.
사람이 탑승한 우주선을 발사하려면 매스 드라이버의 트랙은 지구 저궤도로의 거의 모든 속도를 제공할 경우 거의 1000킬로미터에 달해야 하지만, 그보다 짧은 길이도 상당한 발사 보조를 제공할 수 있다. 승객에게 허용되는 일정한 최대 G-힘에 가깝게 주로 가속하는 경우 필요한 길이는 속도의 제곱에 비례한다. 예를 들어, 동일한 가속도에 대해 목표 속도의 절반은 건설해야 할 터널 길이가 4분의 1에 해당할 수 있다. 견고한 물체의 경우 훨씬 더 높은 가속도가 충분할 수 있으며, 훨씬 짧은 트랙, 잠재적으로 원형 또는 나선형이 가능하게 한다. 또 다른 개념은 대형 고리형 디자인으로, 우주선이 고리를 여러 번 돌며 점차 속도를 얻은 후 하늘로 향하는 발사 통로로 방출되는 방식이다.
매스 드라이버는 우주로 핵 폐기물을 처리하는 데 제안되어 왔다. 지구의 탈출 속도보다 훨씬 빠른 속도로 발사된 발사체는 태양계를 탈출할 것이며, 그러한 속도에서의 대기 통과는 길쭉한 발사체와 매우 견고한 열 차폐를 통해 생존 가능한 것으로 계산되었다.
매스 드라이버 우주선 기반 매스 드라이버
우주선은 매스 드라이버를 주요 엔진으로 사용할 수 있다. 적절한 전력원(아마도 원자로)이 있다면, 우주선은 매스 드라이버를 사용하여 거의 모든 종류의 물질 조각을 가속하여 반대 방향으로 자신을 추진할 수 있다. 가장 작은 규모의 반응 질량에서는 이러한 유형의 추진을 이온 추진이라고 부른다.
선형 모터의 크기, 가속도 또는 포구 에너지에 대한 절대적인 이론적 한계는 알려져 있지 않다. 그러나 전력 대 질량 비율, 폐열 소산, 공급 및 처리 가능한 에너지 섭취량과 같은 실질적인 공학적 제약이 적용된다. 배기 속도는 너무 낮거나 너무 높지 않은 것이 가장 좋다.
매스 드라이버 우주선 기반 매스 드라이버
제한된 양의 온보드 우주선 전력에 의해 제약을 받는 모든 추진기에는 임무에 따라 제한된 최적의 배기 속도와 비추력이 존재한다. 배기 가스로부터의 추력 및 운동량은 배출된 단위 질량당 속도에 비례하여 증가하지만(운동량 = mv), 운동 에너지 및 에너지 입력 요구 사항은 속도 제곱에 따라 더 빠르게 증가한다(운동 에너지 = +1⁄2 mv2). 너무 낮은 배기 속도는 로켓 방정식에 따라 필요한 추진제 질량을 과도하게 증가시키며, 아직 사용되지 않은 추진제를 가속하는 데 너무 많은 에너지가 소비된다. 더 높은 배기 속도는 추진제 사용 효율(배출된 추진제 단위 질량당 더 많은 운동량)을 증가시키는 이점과 함께, 가용한 입력 전력이 일정할 경우 추력과 현재 우주선 가속도율을 감소시키는 단점을 가진다(추진제에 주어진 에너지 단위당 더 적은 운동량).
매스 드라이버 우주선 기반 매스 드라이버
매스 드라이버와 같은 전기 추진 방식은 추진제 자체에서 에너지가 나오지 않는 시스템이다. (이는 화학 로켓과 대조된다. 화학 로켓에서는 추진 효율이 당시 배기 속도와 차량 속도의 비율에 따라 달라지지만, 최대의 비추력을 얻는 것이 반응 추진제에서 가장 많은 에너지를 방출하는 것에 해당할 때 설계 목표가 되는 경향이 있다.) 전기 추진기 자체의 비추력은 매스 드라이버가 미세 입자에 대해 광속에 가까운 배기 속도를 가진 입자 가속기와 합쳐지는 지점까지 도달할 수 있지만, 훨씬 느린 우주선을 가속하기 위해 극도의 배기 속도를 사용하려고 시도하면 우주선의 원자로 또는 전력원에서 사용할 수 있는 에너지가 제한될 때 최적이 아닌 낮은 추력이 될 수 있다(온보드 전력을 일련의 스포트라이트에 공급하는 것과 유사하게, 광자는 에너지 대비 운동량 비율이 극도로 낮은 예시이다).
예를 들어, 만약 가상의 우주선이 운반할 수 있는 페이로드의 양에 대한 지배적인 한계가 엔진에 공급되는 제한된 온보드 전력(외계 토양이나 얼음 사용으로 추진제 본질적인 경제적 비용이 미미한 경우 등)이라면, 일정 비추력으로 작동할 경우 이상적인 배기 속도는 총 임무 델타 V의 약 62.75%가 될 것이다. 다만, 매스 드라이버 및 가변 비추력 자기 플라스마 로켓을 포함한 일부 추진기 유형과 같이 임무 프로필 동안 배기 속도를 변화시켜 더 큰 최적화를 이룰 수 있다.
매스 드라이버는 우주선을 움직이기 위해 어떤 종류의 질량이든 반응 질량으로 사용할 수 있기 때문에, 매스 드라이버 또는 그 변형은 발견된 자원에서 반응 질량을 채취하는 심우주 탐사선에 이상적으로 보인다.
매스 드라이버의 한 가지 잠재적인 단점은 위험할 정도로 높은 상대 속도로 고체 반응 질량을 유용한 궤도와 교통로로 보낼 가능성이 있다는 것이다. 이 문제를 극복하기 위해 대부분의 계획은 미세하게 분할된 먼지를 던지는 것을 계획한다. 또는 액체 산소를 반응 질량으로 사용할 수 있으며, 방출되면 분자 상태로 끓어 증발할 것이다. 반응 질량을 태양 탈출 속도로 추진하는 것도 위험 물질로 남지 않도록 보장하는 또 다른 방법이다.
매스 드라이버 하이브리드 매스 드라이버
우주선에 탑재된 매스 드라이버는 고정된 매스 드라이버에서 질량을 "반사"하는 데 사용될 수 있다. 질량의 각 감속 및 가속은 우주선의 운동량에 기여한다. 가볍고 빠른 우주선은 반응 질량을 운반할 필요가 없으며, 전자기기 손실을 대체하는 데 필요한 양 외에는 많은 전기가 필요하지 않지만, 고정된 지지 시설은 필요할 경우 우주선보다 훨씬 큰 발전소에서 전력을 공급받을 수 있다. 이는 빔 동력 추진의 한 형태로 간주될 수 있다(입자빔으로 추진되는 자성 돛의 거시적 규모의 아날로그). 유사한 시스템은 우주선에 연료 펠렛을 전달하여 다른 추진 시스템에 동력을 공급할 수도 있다.
이러한 추진 개념의 또 다른 이론적 사용은 스페이스 파운틴에서 찾을 수 있다. 스페이스 파운틴은 원형 트랙에 있는 연속적인 펠릿 흐름이 높은 구조물을 지탱하는 시스템이다.
매스 드라이버 무기로서의 매스 드라이버
소형에서 중형 규모의 고가속 전자기 투사체 발사기는 현재 미 해군에 의해 지상 또는 함정 기반 무기(대부분 레일건이지만 일부 경우 코일건)로 활발히 연구되고 있다. 현재 배치에 가까운 무기보다 더 큰 규모이지만 때로는 장기적인 미래 예측에서 제안되는 것으로, 충분히 높은 속도의 직선형 전동기인 매스 드라이버는 이론적으로 대륙간 포병(또는 달이나 궤도에 건설될 경우 지구 표면의 위치를 공격하는 데)으로 사용될 수 있다. 매스 드라이버는 이론적인 목표물보다 중력 우물 위쪽에 위치하므로 반격 측면에서 상당한 에너지 불균형을 누릴 것이다.
매스 드라이버 실질적인 시도
"전기 총"에 대한 최초의 공학적 설명 중 하나는 프린스턴 물리학자이자 전기 기업가인 에드윈 피치 노스럽의 필명인 "아카드 프세우도만"이 쓴 1937년 SF 소설 "제로에서 팔십까지"의 기술 보충 자료에 나타난다. 노스럽 박사는 kHz 주파수 3상 전기 발전기로 구동되는 코일건 시제품을 제작했으며, 이 책에는 이러한 시제품의 사진이 포함되어 있다. 이 책은 노스럽 전기 총으로 발사된 2인승 차량의 가상의 달 일주를 묘사한다.
이후 1976년부터 매스 드라이버 1호를 비롯한 시제품 매스 드라이버가 건설되었으며, 일부는 미국의 우주연구소에서 그 특성과 실용성을 입증하기 위해 제작되었다. 코일건에 대한 군사 R&D는 자기부상열차와 마찬가지로 관련이 있다.
2014년에 설립된 스핀론치(SpinLaunch)는 2021년 10월에 시험 가속기의 초기 시험을 수행했다.
슈퍼커패시터
슈퍼커패시터(supercapacitor, SC) 또는 울트라커패시터(ultracapacitor) 장치는 고체 축전기보다 훨씬 높은 전기 용량 값을 가지지만 전압 한계가 낮은 고용량 축전기이다. 이는 전해 축전기와 이차 전지 사이의 간극을 메워준다. 일반적으로 전해 축전기보다 단위 질량당 에너지 또는 단위 부피당 에너지를 10~100배 더 많이 저장할 수 있으며, 배터리보다 훨씬 빠르게 전하를 수용하고 전달할 수 있고, 이차 전지보다 훨씬 더 많은 충방전 주기를 견딜 수 있다.
일반 축전기와 달리 슈퍼커패시터는 기존의 고체 유전체를 사용하지 않고, 대신 정전기 이중층 전기 용량과 전기화학적 유사 전기용량을 사용한다. 이 두 가지 모두 축전기의 전체 에너지 저장에 기여한다.
슈퍼커패시터는 장기간의 소형 에너지 저장보다는 많은 급속 충방전 주기가 필요한 애플리케이션에 사용된다. 자동차, 버스, 기차, 기중기 및 승강기에서 회생 제동, 단기 에너지 저장 또는 버스트 모드 전력 공급에 사용된다. 소형 장치는 정적 랜덤 액세스 메모리 (SRAM)의 전원 백업으로 사용된다.
슈퍼커패시터 배경
고체 매질에서의 전기화학적 전하 저장 메커니즘은 대략 (일부 중복이 있지만) 3가지 유형으로 분류될 수 있다.
전기 이중층 커패시터(EDLC)는 탄소 전극 또는 그 파생물을 사용하며, 전기화학적 유사 전기용량보다 훨씬 높은 정전기 이중층 전기용량을 가지며, 전도성 전극 표면과 전해질 사이의 계면에서 헬름홀츠 이중층에서 전하 분리를 달성한다. 전하 분리는 몇 옹스트롬 (0.3–0.8 nm) 정도이며, 기존 축전기보다 훨씬 작다. EDLC의 전하량은 전자 도체(예: 탄소 입자)와 이온 도체(전해질 용액)의 2차원 계면(표면)에 저장된다.
고체 축전기에서 이동하는 전하량은 전자이며, 전극 사이의 간극은 유전체 층이다. 전기화학적 이중층 축전기에서 이동하는 전하량은 용매화된 이온 (양이온 및 음이온)이며, 유효 두께는 두 전극 각각에서 전기화학적 이중층 구조에 의해 결정된다. 전지에서는 전하가 고체상의 벌크 부피에 저장되며, 이들은 전자 및 이온 전도도를 모두 갖는다. 전기화학적 슈퍼커패시터에서 전하 저장 메커니즘은 이중층 및 배터리 메커니즘을 결합하거나, 진정한 이중층과 진정한 배터리 사이의 중간 메커니즘을 기반으로 한다.
슈퍼커패시터 역사
1950년대 초, 제너럴 일렉트릭 엔지니어들은 연료전지 및 이차 전지 설계에서 다공성 탄소 전극을 축전기 설계에 시험하기 시작했다. 활성탄은 높은 비표면적을 가진 매우 다공성의 "스펀지형" 탄소 형태의 전기 전도체이다. 1957년 H. 베커는 "다공성 탄소 전극을 가진 저전압 전해 축전기"를 개발했다. 그는 에너지가 전해 축전기의 에칭된 호일 기공에서처럼 탄소 기공에 전하로 저장된다고 믿었다. 당시 그는 이중층 메커니즘을 알지 못했기 때문에 특허에 다음과 같이 썼다. "이 부품이 에너지 저장에 사용될 경우 정확히 어떤 일이 일어나는지는 알려져 있지 않지만, 이는 극도로 높은 용량을 가져온다."
제너럴 일렉트릭은 이 작업을 즉시 추진하지 않았다. 1966년 스탠다드 오일 오브 오하이오 (SOHIO)의 연구원들은 실험적인 연료전지 설계를 연구하면서 이 부품의 다른 버전을 "전기 에너지 저장 장치"로 개발했다. 이 특허에는 전기화학적 에너지 저장의 성격이 명시되지 않았다. 1970년에도 도널드 L. 부스(Donald L. Boos)가 특허를 낸 전기화학적 축전기는 활성탄 전극을 가진 전해 축전기로 등록되었다.
슈퍼커패시터 역사
초기 전기화학 축전기는 전해질에 담가져 있고 얇은 다공성 절연체로 분리된 두 개의 활성탄(전극)으로 덮인 알루미늄 포일을 사용했다. 이 설계는 같은 크기의 전해 축전기보다 훨씬 높은 약 1 패럿의 전기 용량을 가진 축전기를 제공했다. 이 기본적인 기계적 설계는 대부분의 전기화학 축전기의 기초로 남아 있다.
SOHIO는 그들의 발명품을 상용화하지 않고, 이 기술을 NEC에 라이선스했으며, NEC는 1978년 컴퓨터 메모리 백업 전원을 제공하기 위해 그 결과를 "슈퍼커패시터"로 마케팅했다.
슈퍼커패시터 역사
1975년부터 1980년까지 브라이언 에반스 콘웨이는 루테늄 산화물 전기화학 축전기에 대한 광범위한 기초 및 개발 작업을 수행했다. 1991년 그는 전기화학 에너지 저장에서 "슈퍼커패시터"와 "배터리"의 차이를 설명했다. 1999년 그는 전극과 이온 사이의 패러데이 전하 이동을 통한 표면 산화환원 반응에 의해 관찰되는 전기 용량 증가를 지칭하기 위해 "슈퍼커패시터"라는 용어를 정의했다. 그의 "슈퍼커패시터"는 헬름홀츠 이중층에 전기 전하를 부분적으로 저장하고, 전극과 전해질 사이의 전자 및 양성자 "유사 전기용량" 전하 이동을 통한 패러데이 반응의 결과로 부분적으로 저장했다. 유사 전기용량의 작동 메커니즘은 산화환원 반응, 층간 삽입 및 전기흡착(표면에 흡착)이다. 그의 연구를 통해 콘웨이는 전기화학 축전기에 대한 지식을 크게 확장했다.