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슈퍼커패시터 전기적 매개변수
대칭 슈퍼커패시터의 양극과 음극(각각 포지트로데와 네가트로데라고도 함)이 동일한 재료로 구성되어 있으므로 이론적으로 슈퍼커패시터는 진정한 전기 극성이 없으며 일반적으로 치명적인 고장은 발생하지 않는다. 그러나 슈퍼커패시터를 역충전하면 용량이 감소하므로 생산 중 전극 형성으로 인한 극성을 유지하는 것이 권장되는 관행이다. 비대칭 슈퍼커패시터는 본질적으로 극성을 띤다.
전기화학적 전하 특성을 가진 유사 전기용량 및 하이브리드 슈퍼커패시터는 역극성으로 작동할 수 없으므로 AC 작동에는 사용할 수 없다. 그러나 이 제한은 EDLC 슈퍼커패시터에는 적용되지 않는다.
절연 슬리브의 막대는 분극된 부품의 음극 단자를 식별한다.
일부 문헌에서는 음극과 양극 대신 "애노드"와 "캐소드"라는 용어를 사용한다. 슈퍼커패시터(및 리튬 이온 전지를 포함한 이차 전지)의 전극을 설명하기 위해 애노드와 캐소드를 사용하면 부품이 전류의 생성기인지 소비자 인지에 따라 극성이 변하기 때문에 혼란을 초래할 수 있다. 전기화학에서는 캐소드와 애노드가 각각 환원 및 산화 반응과 관련된다. 그러나 전기 이중층 전기 용량을 기반으로 하는 슈퍼커패시터에서는 두 전극 중 어느 쪽에서도 산화 또는 환원 반응이 일어나지 않는다. 따라서 캐소드와 애노드의 개념은 적용되지 않는다.
다양한 전극과 전해질은 다양한 응용 분야에 적합한 다양한 부품을 제공한다. 낮은 저항 전해질 시스템의 개발은 높은 유사 전기용량을 가진 전극과 결합되어 훨씬 더 많은 기술적 솔루션을 가능하게 한다.
다음 표는 다양한 제조업체의 축전기 간 전기 용량 범위, 셀 전압, 내부 저항(ESR, DC 또는 AC 값) 및 부피 및 중량 비에너지의 차이를 보여준다. 표에서 ESR은 해당 제조업체의 가장 큰 전기 용량 값을 가진 구성 요소를 나타낸다. 대략적으로 슈퍼커패시터를 두 그룹으로 나눌 수 있다. 첫 번째 그룹은 약 20밀리옴의 더 큰 ESR 값과 0.1에서 470 F의 비교적 작은 전기 용량을 제공한다. 이들은 메모리 백업 또는 유사 응용 분야를 위한 "이중층 축전기"이다. 두 번째 그룹은 1밀리옴 미만의 훨씬 낮은 ESR 값으로 100에서 10,000 F를 제공한다. 이 구성 요소는 전력 응용 분야에 적합하다. Pandolfo와 Hollenkamp는 다양한 제조업체의 일부 슈퍼커패시터 시리즈와 다양한 건설 특징의 상관 관계를 제공한다.
상업용 이중층 축전기, 또는 더 구체적으로 에너지 저장이 주로 이중층 전기 용량에 의해 달성되는 EDLC에서 에너지는 전도성 전극 표면에 전해질 이온의 전기 이중층을 형성함으로써 저장된다. EDLC는 배터리의 전기화학적 전하 전달 동역학에 의해 제한되지 않으므로, 100만 사이클 이상의 수명으로 훨씬 더 높은 속도로 충방전할 수 있다. EDLC 에너지 밀도는 작동 전압과 전극/전해질 시스템의 비 전기 용량(패럿/그램 또는 패럿/cm3)에 의해 결정된다. 비 전기 용량은 전해질에 접근 가능한 비표면적(SSA), 계면 이중층 전기 용량 및 전극 재료 밀도와 관련된다.
상업용 EDLC는 유기 용매에 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트 염을 포함하는 전해질로 함침된 두 개의 대칭 전극을 기반으로 한다. 유기 전해질을 포함하는 현재의 EDLC는 2.7 V에서 작동하며 약 5-8 Wh/kg 및 7-10 Wh/L의 에너지 밀도에 도달한다. 비 전기 용량은 전해질에 접근 가능한 비표면적(SSA), 계면 이중층 전기 용량 및 전극 재료 밀도와 관련된다. 중간 기공 간극 재료가 있는 그래핀 기반 플레이트렛은 전해질의 SSA를 증가시키기 위한 유망한 구조이다.
슈퍼커패시터 표준
슈퍼커패시터는 충분히 다양하여 거의 호환되지 않으며, 특히 비에너지가 높은 경우는 더욱 그렇다. 응용 분야는 낮거나 높은 피크 전류를 요구하며, 표준화된 테스트 프로토콜이 필요하다.
시험 사양 및 매개변수 요구 사항은 일반 사양 IEC/EN 62391–1, 전자 장비에 사용되는 고정형 전기 이중층 축전기에 명시되어 있다.
이 표준은 방전 전류 수준에 따라 네 가지 적용 클래스를 정의한다.
세 가지 추가 표준은 특수 애플리케이션을 설명한다.
슈퍼커패시터 응용 분야
슈퍼커패시터는 상대적으로 짧은 시간 동안 많은 전력이 필요하거나, 매우 높은 충방전 주기 또는 더 긴 수명이 필요한 애플리케이션에서 장점이 있다. 일반적인 응용 분야는 밀리암페어 전류 또는 밀리와트 전력으로 몇 분 동안 작동하는 것부터, 몇 암페어 전류 또는 수백 킬로와트 전력으로 훨씬 짧은 기간 동안 작동하는 것까지 다양하다.
슈퍼커패시터는 교류 (AC) 애플리케이션을 지원하지 않는다.
노트북, PDA, GPS, 포터블 미디어 플레이어, 휴대용 장치 및 태양광 발전 시스템과 같이 부하가 변동하는 애플리케이션에서 슈퍼커패시터는 전원 공급을 안정화할 수 있다.
슈퍼커패시터는 디지털 카메라의 사진 플래시와 90초와 같이 훨씬 더 짧은 시간 내에 충전될 수 있는 LED 플래시라이트에 전원을 공급한다.
일부 휴대용 스피커는 슈퍼커패시터로 전원이 공급된다.
에너지 저장용 슈퍼커패시터가 장착된 무선 전동 드라이버는 유사한 배터리 모델의 약 절반 정도의 작동 시간을 가지지만, 90초 만에 완전히 충전될 수 있다. 3개월 동안 유휴 상태로 두어도 85%의 전하를 유지한다.
슈퍼커패시터 응용 분야
전기차 충전기, HEV, 에어컨 시스템, 첨단 전력 변환 시스템과 같은 수많은 비선형 부하는 전류 변동과 고조파를 유발한다. 이러한 전류 차이는 원치 않는 전압 변동과 전력망의 전력 진동을 야기한다. 전력 진동은 전력망의 효율성을 감소시킬 뿐만 아니라 공통 결합 버스에서 전압 강하를 유발하고 전체 시스템에서 상당한 주파수 변동을 야기할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 슈퍼커패시터를 부하와 전력망 사이의 인터페이스로 구현하여 전력망과 충전 스테이션에서 끌어오는 높은 펄스 전력 사이의 버퍼 역할을 할 수 있다.
슈퍼커패시터는 RAM, SRAM, 마이크로 컨트롤러 및 PC 카드와 같은 저전력 장비에 백업 또는 비상 종료 전력을 제공한다. 이들은 자동 검침 (AMR) 장비 또는 산업용 전자 제품의 이벤트 알림과 같은 저에너지 애플리케이션의 유일한 전원이다.
슈퍼커패시터는 이차 전지에 전력을 버퍼링하여 짧은 정전 및 높은 전류 피크의 영향을 완화한다. 배터리는 주전원 또는 연료전지가 고장나는 등 장시간 정전 시에만 작동하여 배터리 수명을 연장한다.
슈퍼커패시터 응용 분야
무정전 전원 장치 (UPS)는 슈퍼커패시터로 전원을 공급받을 수 있으며, 이는 훨씬 더 큰 전해 축전기 뱅크를 대체할 수 있다. 이 조합은 사이클당 비용을 줄이고, 교체 및 유지보수 비용을 절감하며, 배터리 크기를 줄이고 배터리 수명을 연장한다.
슈퍼커패시터는 풍력 터빈 피치 시스템의 액추에이터에 백업 전원을 제공하여 주 전원 공급 장치에 문제가 발생하더라도 블레이드 피치를 조정할 수 있도록 한다.
슈퍼커패시터는 송전선에 댐퍼 역할을 하여 전압 변동을 안정화할 수 있다. 바람과 태양광 발전 시스템은 돌풍이나 구름으로 인해 변동하는 공급을 나타내며, 슈퍼커패시터는 이를 밀리초 단위로 버퍼링할 수 있다.
슈퍼커패시터 응용 분야
마이크로 그리드는 보통 깨끗하고 재생 가능한 에너지로 전력이 공급된다. 그러나 이러한 에너지 생산량의 대부분은 하루 종일 일정하지 않으며 일반적으로 수요와 일치하지 않는다. 슈퍼커패시터는 마이크로 그리드 저장 장치로 사용되어 수요가 높고 생산량이 일시적으로 감소할 때 즉시 전력을 공급하고, 반대 상황에서는 에너지를 저장할 수 있다. 마이크로 그리드는 DC 전력을 점점 더 많이 생산하고 있으며, 축전기는 DC 및 AC 애플리케이션 모두에 활용될 수 있기 때문에 이 시나리오에서 유용하다. 슈퍼커패시터는 화학 전지와 함께 사용할 때 가장 잘 작동한다. 이들은 높은 충방전 속도를 통해 능동 제어 시스템을 통해 빠르게 변화하는 전력 부하를 보상하기 위한 즉각적인 전압 버퍼를 제공한다. 전압이 버퍼링되면 인버터를 통해 그리드에 AC 전력을 공급한다. 슈퍼커패시터는 이 형태로 AC 그리드에서 주파수 보정을 직접 제공할 수 없다.
슈퍼커패시터 응용 분야
슈퍼커패시터는 에너지 하베스팅 시스템에 적합한 임시 에너지 저장 장치이다. 에너지 하베스팅 시스템에서 에너지는 주변 환경 또는 재생 가능한 소스(예: 기계적 움직임, 빛 또는 전자기장)에서 수집되어 에너지 저장 장치에서 전기 에너지로 변환된다. 예를 들어, RF(무선주파수) 장(적절한 정류기 회로로 RF 안테나 사용)에서 수집된 에너지를 인쇄된 슈퍼커패시터에 저장할 수 있음이 입증되었다. 수확된 에너지는 10시간 이상 응용 고유 집적 회로 (ASIC)에 전력을 공급하는 데 사용되었다.
울트라배터리는 하이브리드 납 축전지이자 슈퍼커패시터이다. 셀 구조는 표준 납산 배터리 양극, 표준 황산 전해질 및 이중층 전기 용량으로 전기 에너지를 저장하는 특별히 준비된 음극 탄소 기반 전극을 포함한다. 슈퍼커패시터 전극의 존재는 배터리의 화학적 성질을 변경하고, 고율 부분 충전 상태 사용 시 밸브 조절 납산 셀의 일반적인 고장 모드인 황화로부터 상당한 보호를 제공한다. 결과적으로 셀은 납산 셀이나 슈퍼커패시터 이상의 특성으로 작동하며, 충방전 속도, 사이클 수명, 효율성 및 성능이 모두 향상된다.
슈퍼커패시터 응용 분야
슈퍼커패시터는 세동제거 장치에 사용되어 500 줄의 전력을 공급하여 심장을 굴리듬으로 되돌릴 수 있다.
슈퍼커패시터의 낮은 내부 저항은 단기간 고전류를 필요로 하는 애플리케이션을 지원한다. 초기 사용 중에는 탱크와 잠수함의 대형 엔진 시동(특히 디젤 엔진의 콜드 스타트)이 있었다. 슈퍼커패시터는 배터리를 버퍼링하여 짧은 전류 피크를 처리하고, 사이클링을 줄이며 배터리 수명을 연장한다. 높은 비전력을 요구하는 추가 군사 애플리케이션으로는 위상 배열 레이더 안테나, 레이저 전원 공급 장치, 군용 무선 통신, 항공 전자 디스플레이 및 계측, 에어백 전개 백업 전원, GPS 유도 미사일 및 발사체가 있다.
모든 운송 수단의 주요 과제는 에너지 소비를 줄이고 CO2 배출량을 줄이는 것이다. 제동 에너지 회수(회생 또는 회생 제동)는 이 두 가지 모두에 도움이 된다. 이를 위해서는 오랜 시간 동안 높은 사이클 속도로 에너지를 빠르게 저장하고 방출할 수 있는 구성 요소가 필요하다. 슈퍼커패시터는 이러한 요구 사항을 충족하므로 다양한 운송 애플리케이션에 사용된다.
슈퍼커패시터 응용 분야
2005년, 항공우주 시스템 및 제어 회사인 Diehl Luftfahrt Elektronik GmbH는 에어버스 380을 포함한 여객기에 사용되는 문 및 비상 탈출 슬라이드용 비상 액추에이터에 전력을 공급하기 위해 슈퍼커패시터를 선택했다.
슈퍼커패시터는 디젤 기관차와 디젤-전기 동력 장치에 사용되는 디젤 엔진 시동 시스템에서 배터리를 보완하는 데 사용될 수 있다. 축전기는 완전 정지 시 제동 에너지를 포착하고 디젤 엔진 시동 및 열차 가속을 위한 피크 전류를 공급하며, 선로 전압의 안정화를 보장한다. 운전 모드에 따라 제동 에너지 회수를 통해 최대 30%의 에너지 절약이 가능하다. 낮은 유지보수 비용과 환경 친화적인 재료는 슈퍼커패시터 선택을 장려했다.
슈퍼커패시터 응용 분야
이동식 하이브리드 디젤 엔진–전기 타이어식 갠트리 크레인은 터미널 내에서 컨테이너를 이동하고 적재한다. 상자를 들어 올리는 데는 많은 에너지가 필요하다. 부하를 내릴 때 에너지의 일부를 회수하여 효율을 향상시킬 수 있다. 삼중 하이브리드 지게차는 연료 전지와 배터리를 주 에너지 저장 장치로 사용하고, 슈퍼커패시터를 제동 에너지를 저장하여 전력 피크를 완화하는 데 사용한다. 이들은 지게차에 30 kW 이상의 피크 전력을 제공한다. 삼중 하이브리드 시스템은 디젤 또는 연료 전지 시스템에 비해 50% 이상의 에너지 절약을 제공한다. 슈퍼커패시터 동력 터미널 트랙터는 컨테이너를 창고로 운송한다. 이들은 디젤 터미널 트랙터에 비해 경제적이고 조용하며 오염 없는 대안을 제공한다.
슈퍼커패시터는 에너지 절약뿐만 아니라 역사적인 도시 지역의 가공 전차선을 대체하여 도시의 건축 유산을 보존할 수 있게 한다. 이 접근 방식은 많은 새로운 경전철 도시 노선이 가공 전선을 완전히 우회하기에는 너무 비싸서 대체할 수 있게 할 수 있다.
슈퍼커패시터 응용 분야
2003년 만하임은 봄바디어 트랜스포테이숀의 MITRAC 에너지 세이버 시스템을 사용하는 시제품 경전철 차량(LRV)을 채택하여 지붕에 장착된 슈퍼커패시터 유닛으로 기계적 제동 에너지를 저장했다. 이 시스템은 80 V의 울트라캡 모듈 8개로 구성되며, 각 모듈에는 36개의 부품이 들어 있다. 이 회로는 640 V 시스템을 구성하며 1.5 kWh의 에너지 함량을 가진다. 출발 시 가속을 위해 이 "온보드 시스템"은 LRV에 600 kW를 공급할 수 있으며 가공 전차선 공급 없이 최대 1 km를 운행할 수 있어 LRV를 도시 환경에 더 잘 통합한다. 기존 LRV 또는 지하철 차량이 그리드로 에너지를 되돌리는 것에 비해 온보드 에너지 저장은 최대 30%를 절약하고 피크 그리드 수요를 최대 50%까지 줄인다.
슈퍼커패시터 응용 분야
2009년 슈퍼커패시터는 LRV가 하이델베르크의 역사적인 도시 지역에서 가공 전선 없이 운행할 수 있게 하여 도시의 건축 유산을 보존했다. SC 장비는 차량당 27만 유로의 추가 비용이 들었으며, 이는 처음 15년 동안 운영하여 회수될 것으로 예상되었다. 슈퍼커패시터는 차량이 정해진 정류장에 정차할 때 정차역에서 충전된다. 2011년 4월, 하이델베르크를 담당하는 독일 지역 교통 사업자 라인-네카르는 추가로 11개 유닛을 주문했다.
2009년, 알스톰과 RATP는 "STEEM"이라는 실험적인 에너지 회수 시스템을 장착한 Citadis 트램을 선보였다. 이 시스템은 지붕에 장착된 48개의 슈퍼커패시터를 갖추고 있어 제동 에너지를 저장하며, 이를 통해 트램은 노선의 일부 구간에서 가공 전차선 없이 운행하고 전력 공급 정거장에서 충전하면서 높은 수준의 에너지 자율성을 확보할 수 있다. 파리 트램 네트워크 T3 노선의 포르테 다이탈리아(Porte d'Italie)와 포르테 드 슈아지(Porte de Choisy) 정류장 사이에서 진행된 시험에서 트램은 평균적으로 약 16% 적은 에너지를 사용했다.
슈퍼커패시터 응용 분야
2012년 제네바 대중교통(제네바 대중교통) 트램 운행사는 제동 에너지를 회수하기 위해 시제품 지붕 장착 슈퍼커패시터 유닛을 장착한 LRV 시험을 시작했다.
지멘스는 이동식 저장 장치를 포함한 슈퍼커패시터 강화 경전철 수송 시스템을 공급하고 있다.
홍콩의 남부 섬 지하철 노선에는 두 개의 2 MW 에너지 저장 장치가 설치될 예정이며, 이는 에너지 소비를 10% 절감할 것으로 예상된다.
슈퍼커패시터 응용 분야
2012년 8월, 중국 CSR 주저우 전기 기관차는 지붕에 슈퍼커패시터 장치를 장착한 시제품 2량 경전철 차량을 선보였다. 이 열차는 전선 없이 최대 2 km를 이동할 수 있으며, 지상 장착형 픽업을 통해 역에서 30초 만에 재충전된다. 공급업체는 이 열차가 100개의 중소규모 중국 도시에서 사용될 수 있다고 주장했다. 슈퍼커패시터로 구동되는 7대의 트램(노면 전차)이 2014년 광저우, 중국에서 운행될 예정이었다. 슈퍼커패시터는 선로 사이에 위치한 장치에 의해 30초 만에 재충전된다. 이는 트램을 최대 4 킬로미터 (2.5 mi)까지 운행할 수 있게 한다. 2017년 현재, 주저우의 슈퍼커패시터 차량은 새로운 난징 노면 전차 시스템에도 사용되고 있으며, 우한에서 시험 운행 중이다.
2012년 프랑스 리옹에서는 시트랄 (리옹 대중교통 관리국)이 Adetel 그룹이 자체 개발한 LRV, LRT 및 지하철용 에너지 절약 장치 "NeoGreen"을 이용한 "측면 회생" 시스템 실험을 시작했다.
슈퍼커패시터 응용 분야
2014년 중국은 레일 사이에 위치한 장치에 의해 30초 만에 재충전되는 슈퍼커패시터 동력 트램을 사용하기 시작했으며, 이 장치는 트램을 최대 4 km까지 운행할 수 있는 전력을 저장한다. 이는 다음 정류장에 도달하기에 충분하며, 사이클을 반복할 수 있다.
2015년 알스톰은 트램 정류장에 설치된 지상 도체 레일을 통해 트램에 탑재된 슈퍼커패시터를 충전하는 에너지 저장 시스템인 SRS를 발표했다. 이를 통해 트램은 단거리에서 가공 전차선 없이 운행할 수 있다. 이 시스템은 회사의 지상 전력 공급 (APS) 시스템의 대안으로 제시되었으며, 2016년에 개통된 리우데자네이루 경전철의 리우데자네이루 네트워크와 같이 APS와 함께 사용될 수도 있다.
CAF는 또한 CAF 우르보스 3 트램에 ACR 시스템 형태로 슈퍼커패시터를 제공한다.
미국 슈퍼커패시터 제조사인 Maxwell Technologies는 특히 중국에서 20,000대 이상의 하이브리드 버스가 가속을 높이기 위해 이 장치를 사용한다고 주장했다.
슈퍼커패시터 응용 분야
유럽에서 슈퍼커패시터를 장착한 최초의 하이브리드 전기버스는 2001년 독일 뉘른베르크에 등장했다. 이는 MAN의 "울트라캡버스"였으며, 2001/2002년에 실제 운행에서 테스트되었다. 시험 차량에는 슈퍼커패시터와 결합된 디젤-전기 구동 장치가 장착되었다. 이 시스템은 80 V의 울트라캡 모듈 8개로 구성되었으며, 각 모듈에는 36개의 부품이 들어 있었다. 이 시스템은 640 V로 작동했으며 400 A로 충방전할 수 있었다. 에너지 함량은 0.4 kWh였고 무게는 400 kg이었다.
슈퍼커패시터는 제동 에너지를 회수하고 시동 에너지를 공급했다. 기존 디젤 차량에 비해 연료 소비는 10~15% 감소했다. 기타 장점으로는 CO2 배출량 감소, 조용하고 배기가스 없는 엔진 시동, 낮은 진동 및 유지보수 비용 감소가 있었다.
2002년 기준 스위스 루체른에서는 TOHYCO-Rider라는 전기버스 함대가 시험 운행되었다. 슈퍼커패시터는 매 운송 주기 후 3~4분 이내에 유도식 비접촉 고속 충전기를 통해 재충전될 수 있었다.
슈퍼커패시터 응용 분야
2005년 초, 상하이는 카파버스라고 불리는 새로운 형태의 전기버스를 시험했는데, 이 버스는 전선 없이 (가공 전차선 없는 운행) 작동하며, 버스가 정류장에 있을 때 (소위 전기 우산 아래에서) 부분적으로 재충전되고 버스 터미널에서 완전히 충전되는 대형 온보드 슈퍼커패시터를 사용한다. 2006년에는 두 개의 상업용 버스 노선에서 카파버스를 사용하기 시작했으며, 그중 하나는 상하이의 11번 노선이다. 슈퍼커패시터 버스는 리튬 이온 배터리 버스보다 저렴하며, 그중 한 버스는 디젤 버스 에너지 비용의 10분의 1로 평생 연료비 20만 달러를 절약할 수 있다고 추정되었다.
글러모건 대학교, 웨일스에서 2008년에 학생 수송용으로 트리브리드라는 하이브리드 전기버스가 공개되었다. 이 버스는 수소 연료 또는 태양 전지, 배터리 및 울트라커패시터로 구동된다.
슈퍼커패시터 응용 분야
모터 레이싱 이벤트의 운영 기관인 FIA는 2007년 5월 23일 포뮬러 원 버전 1.3의 파워트레인 규정 프레임워크에서 배터리와 슈퍼커패시터를 병렬로 연결하여 최대 200 kW의 입력 및 출력 전력을 사용하는 "슈퍼배터리"를 포함하는 새로운 파워트레인 규정 세트를 발표할 것을 제안했다(KERS). KERS 시스템을 사용하면 약 20%의 탱크-휠 효율을 달성할 수 있다. 르망 프로토타입 규정에 따라 개발된 레이싱 카인 토요타 TS030 하이브리드 LMP1 차량은 슈퍼커패시터를 사용하는 하이브리드 구동계를 사용한다. 2012년 르망 24시 레이스에서 TS030은 가장 빠른 차인 아우디 R18 e-트론 콰트로의 플라이휠 에너지 저장 장치보다 1.055초(3:24.842 대 3:23.787) 늦은 랩 타임으로 예선을 통과했다. 슈퍼커패시터와 플라이휠 부품은 급속 충방전 능력으로 제동과 가속 모두에 도움이 되어 아우디와 도요타 하이브리드가 레이스에서 가장 빠른 차가 되게 했다. 2012년 르망 레이스에서 두 대의 TS030 경쟁 차량 중 하나는 레이스 일부에서 선두를 달렸지만, 모두 슈퍼커패시터와 관련 없는 이유로 리타이어했다. TS030은 2012 FIA 월드 인듀어런스 챔피언십 시즌의 8개 레이스 중 3개를 우승했다. 2014년 토요타 TS040 하이브리드는 슈퍼커패시터를 사용하여 두 개의 전기 모터에서 480마력을 추가했다. 2024년 인디카 레이싱 시리즈는 20개의 슈퍼커패시터로 구성된 하이브리드 동력 시스템을 도입했다.
전기차 (EV) 및 하이브리드 전기차 (HEV)의 슈퍼커패시터/배터리 조합은 잘 연구되어 왔다. EV 또는 HEV에서 제동 에너지 회수를 통해 20~60%의 연료 절감이 주장되었다. 슈퍼커패시터는 배터리보다 훨씬 빠르게 충전될 수 있는 능력, 안정적인 전기적 특성, 넓은 온도 범위 및 긴 수명으로 적합하지만, 무게, 부피, 특히 비용이 이러한 장점을 약화시킨다.
슈퍼커패시터의 낮은 비에너지는 장거리 주행을 위한 독립형 에너지원으로 사용하기에는 부적합하다. 축전기와 배터리 솔루션 간의 연비 개선은 약 20%이며, 이는 단거리 여행에만 가능하다. 장거리 주행의 경우 장점은 6%로 감소한다. 축전기와 배터리를 결합한 차량은 실험용 차량에서만 운행된다.
2013년 기준 모든 EV 또는 HEV 자동차 제조업체는 구동계 효율을 향상시키기 위해 제동 에너지를 저장하기 위해 배터리 대신 슈퍼커패시터를 사용하는 시제품을 개발했다. 마쓰다 6는 제동 에너지를 회수하기 위해 슈퍼커패시터를 사용한 최초의 양산차로 알려졌다. i-eloop로 명명된 이 시스템은 감속 시 슈퍼커패시터에 에너지를 저장하고, 엔진이 스톱-스타트 시스템에 의해 정지된 동안 온보드 전기 시스템에 전력을 공급하는 데 사용한다. 회생 제동은 연료 소비를 약 10% 감소시키는 것으로 주장된다. 토요타 야리스 하이브리드-R 콘셉트카는 슈퍼커패시터를 사용하여 전력 급증을 제공한다. PSA 푸조 시트로엥은 스톱-스타트 연료 절약 시스템의 일부로 일부 차량에 슈퍼커패시터를 장착했는데, 이는 신호등이 녹색으로 바뀔 때 더 빠른 시동을 가능하게 한다. 러시아 Yo-cars ё-mobile 시리즈는 가솔린 구동 회전식 베인형 엔진과 견인 모터 구동용 전기 발전기를 사용하는 콘셉트 및 크로스오버 하이브리드 차량이었다. 비교적 낮은 전기 용량을 가진 슈퍼커패시터는 제동 에너지를 회수하여 정지 상태에서 가속할 때 전기 모터에 전력을 공급한다.
오스트리아 첼암제에서는 삭도가 도시와 슈미텐회헤 산을 연결한다. 곤돌라는 때때로 하루 24시간 운행되며, 조명, 문 개방 및 통신을 위해 전기를 사용한다. 역에서 배터리를 재충전할 수 있는 유일한 시간은 승객 탑승 및 하차의 짧은 간격 동안이며, 이는 배터리를 재충전하기에는 너무 짧다. 슈퍼커패시터는 배터리보다 빠른 충전, 더 많은 사이클 수 및 더 긴 수명을 제공한다. 템스 강 케이블카로도 알려진 에미레이트 항공 노선 (케이블카)는 1킬로미터(0.62 마일) 길이의 런던 영국 곤돌라 노선으로, 그리니치 반도에서 로얄 독스까지 템스 강을 건넌다. 객실에는 슈퍼커패시터로 전원이 공급되는 현대적인 인포테인먼트 시스템이 장착되어 있다.
슈퍼커패시터 개발
2013년 기준 상업적으로 이용 가능한 리튬 이온 슈퍼커패시터는 현재까지 가장 높은 중량 비에너지를 제공하여 15 Wh/kg (54 kJ/kg)에 도달했다. 연구는 비에너지 향상, 내부 저항 감소, 온도 범위 확장, 수명 증가 및 비용 절감에 중점을 두고 있다. 프로젝트에는 맞춤형 기공 크기 전극, 유사 전기용량 코팅 또는 도핑 재료 및 개선된 전해질이 포함된다.
A  전극 재료 연구는 전극 또는 하프 셀과 같은 개별 구성 요소의 측정을 필요로 한다. 측정에 영향을 주지 않는 상대 전극을 사용하여 관심 전극만의 특성을 밝힐 수 있다. 실제 슈퍼커패시터의 비에너지 및 전력은 전극 밀도의 대략 1/3에 불과하다.
슈퍼커패시터 시장
2016년 기준 슈퍼커패시터의 전 세계 매출은 약 4억 달러이다.
배터리 시장 (프로스트 앤드 설리번 추정)은 475억 달러에서 (이 중 76.4% 또는 363억 달러는 이차 전지) 950억 달러로 성장했다. 슈퍼커패시터 시장은 여전히 작은 틈새시장으로, 더 큰 경쟁자의 속도를 따라잡지 못하고 있다.
2016년 IDTechEx는 매출이 2억 4천만 달러에서 2026년까지 20억 달러로 연간 약 24% 성장할 것으로 예측했다.
2006년 슈퍼커패시터 비용은 패럿당 0.01 달러 또는 킬로줄당 2.85 달러였으며, 2008년에는 패럿당 0.01 달러 미만으로 떨어졌고, 중기적으로는 더 떨어질 것으로 예상되었다.
슈퍼커패시터 추가 자료
Tatrari, G.; Ahmed, M.; Shah, F. U. (2024). 《Synthesis, thermoelectric and energy storage performance of transition metal oxides composites》. 《Coordination Chemistry Reviews》 498. doi:10.1016/j.ccr.2023.215470.  지원되지 않는 변수 무시됨: |article-number= (도움말)
Bockris, J. O'M.; Devanathan, M. A. V.; Muller, K. (1963). 《On the Structure of Charged Interfaces》. 《Proc. R. Soc. A》 274. 55–79쪽. Bibcode:1963RSPSA.274...55B. doi:10.1098/rspa.1963.0114.
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Conway, Brian Evans (1999). 《Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications》. Springer. doi:10.1007/978-1-4757-3058-6. ISBN 978-0-306-45736-4.
슈퍼커패시터 추가 자료
Zhang, J.; Zhang, L.; Liu, H.; Sun, A.; Liu, R.-S. (2011). 〈8. Electrochemical Supercapacitors〉. 《Electrochemical Technologies for Energy Storage and Conversion》. Weinheim: Wiley-VCH. 317–382쪽. ISBN 978-3-527-32869-7.
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우주 테더
우주 테더 또는 스페이드 테더(space tether)는 추진, 운동량 교환, 안정화 및 자세 제어 또는 대규모 분산 위성/우주선 센서 시스템 구성 요소의 상대적 위치 유지에 사용될 수 있는 긴 케이블이다. 임무 목표와 고도에 따라 이러한 형태의 우주선 추진을 이용한 우주 비행은 로켓 엔진을 이용한 우주 비행보다 훨씬 저렴할 것으로 이론화되고 있다.
우주 테더 주요 기술
테더 위성은 테더 추진, 조석 안정화 및 궤도 플라스마 역학 연구를 포함한 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 우주 테더를 활용하는 5가지 주요 기술이 개발 중이다.
전기역학 테더
전기역학 테더는 주로 추진에 사용된다. 이들은 전동기와 거의 같은 방식으로 행성 자기장으로부터 추력 또는 항력을 생성할 수 있는 전류를 흐르게 하는 전도성 테더이다.
운동량 교환 테더
이들은 회전하는 테더이거나 회전하지 않는 테더일 수 있으며, 도착하는 우주선을 포획한 다음 나중에 다른 속도로 다른 궤도에 방출한다. 운동량 교환 테더는 궤도 조작 또는 행성 표면-궤도 / 궤도-탈출 속도 우주 운송 시스템의 일부로 사용될 수 있다.
테더 편대 비행
이것은 일반적으로 편대 비행하는 여러 우주 비행체 간의 설정 거리를 정확하게 유지하는 비전도성 테더이다.
전기 돛
태양풍 이온의 운동량에 의해 밀려나는 전하를 띤 테더를 가진 태양풍 돛의 한 형태이다.
범용 궤도 지원 시스템
우주 궤도를 도는 테더에서 물체를 매다는 개념이다.
우주 테더는 우주 엘리베이터와 스카이훅으로 배치하는 것, 추진제 없이 궤도 이동을 수행하는 것 등 많은 용도가 제안되었다.
우주 테더 역사
콘스탄틴 치올콥스키 (1857–1935)는 한때 지구의 자전에 의해 그곳에 고정될 만큼 높이가 우주에 닿는 탑을 제안했다. 그러나 당시에는 그것을 현실적으로 건설할 방법이 없었다.
1960년에 또 다른 러시아인인 유리 아르추타노프는 정지 위성에서 지상으로, 그리고 위로 케이블이 균형을 유지하도록 배치될 인장 케이블에 대한 아이디어를 더 자세히 기술했다. 이것은 지구와 함께 회전하는 동기 테더의 일종인 우주 엘리베이터 아이디어이다. 그러나 당시의 재료 기술로는 지구에서는 이것도 비실용적이었다.
1970년대에 제롬 피어슨은 독립적으로 우주 엘리베이터(때때로 동기 테더라고 불림) 아이디어를 고안했으며, 특히 L1 및 L2 점을 통과할 수 있는 달 엘리베이터를 분석했는데, 이는 당시 존재하는 재료로도 가능하다고 밝혀졌다.
1977년에 한스 모라벡 그리고 나중에 로버트 L. 포워드는 비동기 스카이훅, 즉 회전하는 스카이훅의 물리학을 조사하고, 달, 화성 및 기타 행성에서 물체를 집어 올리고 놓는 테이퍼링된 회전 테더의 상세한 시뮬레이션을 수행했는데, 이는 에너지 손실이 거의 없거나 오히려 순수하게 에너지를 얻는 것으로 나타났다.
우주 테더 역사
1979년에 NASA는 아이디어의 타당성을 조사하고 테더 시스템, 특히 테더 위성 연구에 방향을 제시했다.
1990년에 이글 사르몽(Eagle Sarmont)은 "궤도 스카이훅: 합리적인 우주 접근(An Orbiting Skyhook: Affordable Access to Space)"이라는 논문에서 지구-궤도 / 궤도-탈출 속도 우주 운송 시스템을 위한 비회전 궤도 스카이훅을 제안했다. 이 개념에서는 준궤도 발사체가 스카이훅의 아래쪽 끝으로 비행하고, 더 높은 궤도로 향하거나 더 높은 궤도에서 돌아오는 우주선은 위쪽 끝을 사용한다.
2000년에 NASA와 보잉은 회전하는 테더가 극초음속 항공기(궤도 속도의 절반)에서 궤도로 화물을 운반하는 HASTOL 개념을 고려했다.
테더 위성은 우주 테더로 다른 위성과 연결된 인공위성이다. 테더 기술을 테스트하기 위해 여러 위성이 발사되었으며, 성공 여부는 다양하다.
우주 테더 유형
다양한 (그리고 중첩되는) 유형의 테더가 존재한다.
운동량 교환 테더는 우주 테더의 많은 응용 분야 중 하나이다. 운동량 교환 테더는 회전식과 비회전식 두 가지 유형이 있다. 회전하는 테더는 원심 가속도로 인해 시스템의 말단 질량에 제어된 힘을 생성한다. 테더 시스템이 회전하는 동안 테더 양쪽 끝의 물체는 지속적인 가속을 경험한다. 가속의 크기는 테더의 길이와 회전율에 따라 달라진다. 운동량 교환은 회전 중에 말단 물체가 방출될 때 발생한다. 방출된 물체로의 운동량 전달은 회전하는 테더가 에너지를 잃게 하여 속도와 고도를 잃게 한다. 그러나 전기역학 테더 추진 또는 이온 추진을 사용하면 시스템은 소모성 반응 질량의 소비가 거의 없거나 전혀 없이 자체적으로 다시 추진할 수 있다.
스카이훅은 페이로드를 높은 고도와 속도로 들어 올리기 위한 이론적인 궤도 테더 추진의 한 종류이다. 스카이훅에 대한 제안에는 고속 페이로드 또는 고고도 항공기를 포획하여 궤도에 진입시키기 위해 극초음속으로 회전하는 테더를 사용하는 설계가 포함된다.
우주 테더 유형
전기역학 테더는 테더 위성에서 전개되는 것과 같은 긴 전도성 전선으로, 운동 에너지를 전력량으로 변환하여 발전기로 작동하거나, 전기 에너지를 운동 에너지로 변환하여 전동기로 작동하는 전자기 원리에 따라 작동할 수 있다. 전도성 테더는 지구 자기장을 통과하는 움직임에 의해 전위가 생성된다. 전기역학 테더에 사용될 금속 전기 전도체의 선택은 다양한 요인에 의해 결정된다. 주요 요인으로는 일반적으로 높은 도전율과 낮은 밀도가 포함된다. 적용 분야에 따라 이차적인 요인으로는 비용, 강도, 녹는점이 포함된다.
전기역학 테더는 다큐멘터리 영화 오펀스 오브 아폴로에서 러시아 우주정거장 미르를 궤도에 유지하는 데 사용될 기술로 소개되었다.
이것은 (일반적으로) 비전도성 테더를 사용하여 여러 우주선을 연결하는 것이다. 화성 행성 간 작전용 테더 실험 (TEMPO³)는 이 기술을 연구하기 위한 2011년 제안된 실험이다.
회전하지 않는 테더 위성 시스템의 이론적 유형으로, 천체 위에 매달린 물체에 우주 기반 지지대를 제공하기 위한 개념이다. 궤도 시스템은 상부 지지 질량(A)이 주어진 천체 주위의 궤도에 배치되어 천체 표면 위 특정 높이(A보다 낮지만)에 매달린 질량(B)을 지지할 수 있도록 하는 결합 질량 시스템이다.
우주 테더 기술적 어려움
테더는 양 끝이 회전하는 대신 길이에 따른 중력의 미세한 강도 차이에 의해 똑바로 유지될 수도 있다.
비회전 테더 시스템은 (지구나 다른 천체의) 국지적 수직선과 정렬된 안정적인 방향을 갖는다. 이것은 오른쪽에 있는 그림에서 두 개의 다른 고도에 있는 두 우주선이 테더로 연결되어 있는 것을 보면 이해할 수 있다. 일반적으로 각 우주선은 중력(예: Fg1)과 원심력(예: Fc1)의 균형을 이룰 것이지만, 테더로 함께 묶이면 이 값들이 서로에 대해 변하기 시작한다. 이 현상은 테더가 없으면 더 높은 고도의 질량이 더 낮은 질량보다 느리게 이동하기 때문에 발생한다. 시스템은 단일 속도로 움직여야 하므로 테더는 더 낮은 질량의 속도를 늦추고 더 높은 질량의 속도를 높여야 한다. 테더로 연결된 상부 물체의 원심력은 증가하고, 하부 고도 물체의 원심력은 감소한다. 이로 인해 상부 물체의 원심력과 하부 물체의 중력이 지배적이 된다. 이러한 힘의 차이는 그림에서 볼 수 있듯이 시스템을 국지적 수직선을 따라 자연스럽게 정렬시킨다.
우주 테더 기술적 어려움
저궤도에 있는 물체는 분자가 충돌하는 높은 공전 속도와 높은 반응성으로 인해 원자 산소로부터 눈에 띄는 침식을 받는다. 이것은 테더를 빠르게 침식시킬 수 있다.
단순한 단일 가닥 테더는 유성진과 우주 쓰레기에 취약하다. 이후 파편 저항성을 향상시키기 위해 여러 시스템이 제안되고 테스트되었다.
미 해군 연구소는 Spectra 1000 브레이드 외부층과 아크릴사 코어를 가진 6-킬로미터 (3.7 mi) 길이, 2–3-밀리미터 (0.079–0.118 in) 직경의 테더를 성공적으로 비행했다. 이 위성, 테더 물리 및 생존성 실험(TiPS)은 1996년 6월에 발사되어 10년 이상 작동했으며, 2006년 7월에 최종적으로 파손되었다.
대형 쓰레기는 여전히 여기에 나열된 개선된 버전을 포함하여 대부분의 테더를 절단하겠지만, 현재는 레이더로 추적되며 궤도가 예측 가능하다. 추진기를 사용하여 시스템의 궤도를 변경할 수도 있지만, 테더를 적절한 위치에서 일시적으로 흔들어 알려진 쓰레기 조각을 피하는 데 더 적은 에너지를 사용할 수도 있다.
자외선 방사선을 포함한 방사선은 테더 재료를 손상시켜 수명을 단축시키는 경향이 있다. 밴 앨런대를 반복적으로 통과하는 테더는 저궤도에 머무르거나 지구 자기권 밖에 있는 테더보다 수명이 현저히 짧을 수 있다.
우주 테더 건설
테더의 특성과 재료는 적용 분야에 따라 달라진다. 그러나 몇 가지 공통적인 특성이 있다. 최대 성능과 저비용을 달성하기 위해 테더는 고강도 또는 전기 전도성과 저밀도가 결합된 재료로 만들어져야 한다. 모든 우주 테더는 우주 쓰레기나 미세 운석에 취약하다. 따라서 시스템 설계자는 자외선 및 원자 산소에 대한 보호를 포함하여 보호 코팅이 필요한지 여부를 결정해야 한다.
테더에 높은 인장력을 가하는 응용 분야의 경우 재료는 강하고 가벼워야 한다. 일부 현재 테더 설계는 초고분자량 폴리에틸렌, 아라미드 또는 탄소섬유와 같은 결정질 플라스틱을 사용한다. 가능한 미래 재료는 탄소 나노튜브이며, 예상 인장 강도는 140-177GPa 사이이고, 일부 개별 나노튜브의 입증된 인장 강도는 50-60GPa 범위이다. (2011년 현재 CNT 기반 로프는 그 규모에서 기존 탄소 섬유보다 아직 강하지 않으며, 한 자릿수 덜 강하다.)
우주 테더 건설
일부 응용 분야의 경우 테더에 가해지는 인장력은 65 뉴턴 (15 lbf) 미만으로 예상된다. 이 경우 재료 선택은 임무 목적 및 설계 제약 조건에 따라 달라진다. TSS-1R에 사용된 것과 같은 전기역학 테더는 높은 전도도를 위해 얇은 구리 전선을 사용할 수 있다 ( EDT 참조).
설계자가 재료 선택을 유도하는 일반적인 양을 식별하는 데 도움이 되는 특정 응용 분야에 대한 설계 방정식이 있다.
우주 엘리베이터 방정식은 일반적으로 "특성 길이" Lc를 사용하는데, 이는 "자체 지지 길이"라고도 알려져 있으며, 일정한 1g 중력장에서 지지할 수 있는 테이퍼링되지 않은 케이블의 길이를 나타낸다.
,
여기서 σ는 응력 한계(압력 단위)이고 ρ는 재료의 밀도이다.
극초음속 스카이훅 방정식은 재료의 "특정 속도"를 사용하는데, 이는 회전하는 고리가 파손되지 않고 도달할 수 있는 최대 접선 속도와 같다.
회전하는 테더(로토베이터)의 경우 재료의 '특성 속도' 값이 사용되는데, 이는 회전하는 테이퍼링되지 않은 케이블이 파손되지 않고 도달할 수 있는 최대 끝단 속도이다.
우주 테더 건설
특성 속도는 특정 속도에 2의 제곱근을 곱한 것과 같다.
이 값들은 로켓 방정식과 유사한 방정식에 사용되며, 비추력 또는 배기 속도와 유사하다. 이 값들이 높을수록 테더는 운반할 수 있는 페이로드에 비해 더 효율적이고 가벼워질 수 있다. 그러나 궁극적으로 테더 추진 시스템의 질량은 운동량 저장과 같은 다른 요인에 의해 낮은 수준에서 제한된다.
우주 테더 건설
제안된 재료로는 케블라, 초고분자량 폴리에틸렌, 탄소 나노튜브 및 M5 섬유가 있다. M5는 케블라 또는 스펙트라보다 가벼운 합성 섬유이다. 피어슨, 레빈, 올드슨, 와익스(Pearson, Levin, Oldson, and Wykes)는 그들의 논문 "달 우주 엘리베이터(The Lunar Space Elevator)"에서 너비 30 mm (1.2 in)에 두께 0.023 mm (0.91 mil)인 M5 리본이 달 표면에서 2,000 kg (4,400 lb)을 지지할 수 있을 것이라고 언급했다. 또한 각각 580 kg (1,280 lb)의 질량을 가진 100대의 화물 운반 차량을 엘리베이터 길이를 따라 균등하게 배치할 수 있을 것이라고 했다. 사용될 수 있는 다른 재료로는 T1000G 탄소 섬유, 스펙트라 2000 또는 자일론이 있다.
우주 테더 건설
중력에 의해 안정화된 테더의 경우, 자체 지지 길이를 초과하려면 테더 재료를 가늘게 만들어 케이블 길이의 각 지점에서의 총 하중에 따라 단면적이 달라지게 할 수 있다. 실제로 이는 중앙 테더 구조가 끝 부분보다 두꺼워야 함을 의미한다. 올바른 점진적인 가늘기는 케이블의 모든 지점에서 인장 응력이 정확히 동일하도록 보장한다. 지구 우주 엘리베이터와 같은 매우 까다로운 응용 분야의 경우, 점진적인 가늘기는 케이블 무게 대 페이로드 무게의 과도한 비율을 줄일 수 있다. 점진적인 가늘기 대신 동일한 목표를 달성하기 위해 모듈식 단계별 테더 시스템을 사용할 수 있다. 단계 사이에 여러 테더가 사용된다. 테더의 수는 주어진 단면의 강도를 결정한다.
중력의 영향을 크게 받지 않는 회전 테더의 경우 두께도 달라지며, 단면적 A는 r(중심으로부터의 거리)의 함수로 다음과 같이 주어진다.
여기서 R은 테더의 반지름, v는 중심에 대한 속도, M은 끝 질량, 는 재료 밀도, T는 설계 인장 강도이다.
면적을 적분하여 부피를 구하고 밀도를 곱한 다음 페이로드 질량으로 나누면 페이로드 질량/테더 질량 비율이 된다.
여기서 erf는 정규 확률 오차 함수이다.
라고 하자.
그러면:
우주 테더 건설
이 방정식은 속도의 제곱이 아닌 단순한 지수에 비례하는 로켓 방정식과 비교할 수 있다. 이 차이는 단일 테더에서 얻을 수 있는 델타 V를 효과적으로 제한한다.
또한 케이블 모양은 미세 운석과 우주 쓰레기에 견딜 수 있도록 제작되어야 한다. 이것은 호이트테더와 같은 중복 케이블을 사용하여 달성할 수 있다. 중복성은 여러 개의 중복 케이블이 케이블의 같은 지점 근처에서 손상될 가능성을 매우 낮게 보장하며, 따라서 실패가 발생하기 전에 케이블의 다른 부분에 걸쳐 매우 많은 양의 총 손상이 발생할 수 있다.
빔스톡과 로토베이터는 현재 사용 가능한 재료의 강도에 의해 제한된다. 초고강도 플라스틱 섬유 (케블라 및 스펙트라)는 로토베이터가 달과 화성 표면에서 질량을 뽑아낼 수 있게 하지만, 이 재료로 만든 로토베이터는 지구 표면에서 들어 올릴 수 없다. 이론적으로는 고고도 초음속 (또는 극초음속) 항공기가 지구의 열대 (및 온대) 지역 전체의 예측 가능한 위치에서 잠시 지구 상층 대기로 내려오는 로토베이터에 페이로드를 전달할 수 있다. 2013년 5월 현재, 모든 기계적 테더(궤도 및 엘리베이터)는 더 강한 재료가 나올 때까지 보류 중이다.
로토베이터의 화물 포획은 중요하며, 포획 실패는 문제를 야기할 수 있다. 화물에 그물을 발사하는 것과 같은 여러 시스템이 제안되었지만, 모두 무게, 복잡성 및 또 다른 실패 모드를 추가한다. 하지만 작동하는 갈고리 시스템의 실험실 규모 시연이 최소 한 번 이루어졌다.
현재 인장 강도가 가장 강한 재료는 플라스틱으로, 자외선 복사와 (궤도에 따라) 원자 산소의 침식으로부터 보호하기 위해 코팅이 필요하다. 진공 상태에서 폐열 처리는 어렵기 때문에 과열은 테더 고장이나 손상을 유발할 수 있다.
우주 테더 제어 및 모델링
국지적 수직선을 따라 배치된 전기역학 테더('매달린 테더')는 동적 불안정성에 시달릴 수 있다. 진자 운동은 전자기 상호 작용의 작용으로 테더 진동 진폭이 커지게 한다. 임무 시간이 증가함에 따라 이 행동은 시스템 성능을 손상시킬 수 있다. 몇 주에 걸쳐 지구 궤도의 전기역학 테더는 자기장과 중력장의 불규칙성과 상호 작용하면서 여러 모드에서 진동을 축적할 수 있다.
진동을 제어하는 한 가지 방법은 진동 성장을 억제할 때 테더 전류를 줄이고, 진동을 반대할 때 테더 전류를 늘려 능동적으로 변경하는 것이다. 시뮬레이션은 이것이 테더 진동을 제어할 수 있음을 입증했다. 이 접근 방식은 테더 진동을 측정하는 센서가 필요한데, 이는 테더 한쪽 끝에 있는 관성항법장치이거나, 테더에 장착되어 끝에 있는 수신기로 위치를 전송하는 범지구 위성 항법 시스템일 수 있다.
또 다른 제안된 방법은 매달린 테더 대신 회전하는 전기역학 테더를 사용하는 것이다. 자이로스코프 효과는 수동 안정화를 제공하여 불안정성을 피한다.
우주 테더 제어 및 모델링
앞서 언급했듯이 전도성 테더는 예상치 못한 전류 급증으로 인해 실패한 적이 있다. 예상치 못한 방전은 테더를 절단하고 (예: STS-75의 TSS-1R 참조), 전자 장비를 손상시키고, 테더 처리 기계를 용접했다. 지구 자기장이 일부 엔지니어들이 생각했던 것만큼 균일하지 않을 수도 있다.
컴퓨터 모델은 테더가 진동으로 인해 파손될 수 있음을 자주 보여준다.
기계식 테더 처리 장비는 진동을 감쇠시키는 복잡한 제어 장치와 함께 종종 놀랍도록 무겁다. 브래드 에드워즈가 우주 엘리베이터를 위해 제안한 1톤 클라이머는 속도와 방향을 변경하여 대부분의 진동을 감지하고 억제할 수 있다. 클라이머는 또한 더 많은 가닥을 회전시켜 테더를 수리하거나 보강할 수 있다.
문제가 될 수 있는 진동 모드에는 줄넘기, 횡방향, 종방향 및 진자가 포함된다.
우주 테더 제어 및 모델링
테더는 거의 항상 테이퍼져 있으며, 이는 채찍과 같은 방식으로 가장 얇은 끝 부분의 움직임을 크게 증폭시킬 수 있다.
테더는 구형 물체가 아니며 상당한 크기를 가진다. 이는 확장된 물체이므로 점원으로 직접 모델링할 수 없으며, 이는 질량 중심과 무게 중심이 일반적으로 동일한 위치에 있지 않음을 의미한다. 따라서 큰 거리에서 전체 테더의 동작에는 역제곱 법칙이 적용되지 않는다. 따라서 궤도는 완전히 케플러적이지 않으며, 일부 경우에는 실제로 혼란스럽다.
볼러스 설계의 경우, 타원 궤도에서 발견되는 비선형 중력장과 상호 작용하는 케이블의 회전은 궤도 각운동량과 회전 각운동량의 교환을 야기할 수 있다. 이는 예측과 모델링을 극도로 복잡하게 만들 수 있다.
핵 펄스 추진
핵 펄스 추진(nuclear pulse propulsion) 또는 외부 펄스 플라스마 추진(external pulsed plasma propulsion)은 핵폭발을 추력으로 사용하는 가상의 우주선 추진 방법이다. 1947년 스타니스와프 울람의 제안 이후 방위고등연구계획국의 지원을 받아 오리온 프로젝트로 시작되었다. 관성 봉입 핵융합을 사용하는 새로운 설계는 다이달로스 프로젝트와 롱샷 프로젝트를 포함하여 대부분의 후기 설계의 기반이 되었다.
핵 펄스 추진 역사
이 기술의 잠재적 사용에 대한 계산은 1940년대 말부터 1950년대 중반까지 연구소에서 이루어졌다.
오리온 프로젝트는 핵 펄스 로켓을 설계하려는 첫 번째 진지한 시도였다. 1950년대 후반과 1960년대 초반에 제너럴 아토믹스에서 설계가 구상되었으며, 텔러-울람 2단계 폭탄 설계의 변형을 활용하여 충격 흡수 장치로 우주선에 부착된 대형 강철 푸셔 플레이트에 작은 지향성 핵폭발물을 반응시키는 아이디어였다. 효율적인 지향성 폭발물은 운동량 전달을 최대화하여 6,000 s (59 km/s)초 범위의 비추력을 달성했는데, 이는 우주왕복선 주 엔진의 약 13배였다. 개선을 통해 이론적으로 최대 100,000 s (980 km/s) (1 MN·s/kg)의 비추력이 가능할 수 있었다. 추력은 수백만 톤에 달하여 1958년 재료로 8x106톤보다 큰 우주선을 만들 수 있었다.
핵 펄스 추진 역사
참조 설계는 200명 이상의 승무원과 수천 톤의 이륙 중량을 가진 잠수함 스타일의 강철 구조로 만들어질 예정이었다. 이 단일 단계 참조 설계는 지구 표면에서 4주 만에 화성에 도달하고 돌아올 수 있었다(현재 미국 항공 우주국의 화학 추진 참조 임무는 12개월). 동일한 우주선은 7개월 임무로 토성의 위성을 방문할 수 있었다(화학 추진 임무는 약 9년). 발생한 주요 엔지니어링 문제는 승무원 차폐 및 푸셔 플레이트 수명과 관련이 있었다.
핵 펄스 추진 역사
이 시스템은 작동 가능한 것처럼 보였지만, 이 프로젝트는 1965년에 주로 부분적 핵실험 금지 조약으로 인해 불법이 되었기 때문에 중단되었다. 실제로 조약 이전에 미국과 소련은 이미 우주에서, 즉 100km 이상의 고도에서 열핵폭탄을 포함한 최소 9개의 핵폭탄을 별도로 폭발시켰다(고고도 핵폭발 참조). 윤리적 문제는 지구의 자기권 내에서 이러한 우주선을 발사하는 것을 복잡하게 만들었다. 방사능 피해의 (논란의 여지가 있는) 선형 무역치 모델을 사용한 계산에 따르면 각 이륙으로 인한 방사능 낙진으로 인해 약 1에서 10명의 사망자가 발생할 것으로 나타났다. 문턱 모델에서는 이러한 극히 낮은 수준의 얇게 분산된 방사능은 관련 악영향이 없을 것이며, 호르미시스 모델에서는 이러한 미량의 선량은 무시할 수 있을 정도로 이로울 것이다. 궤도 진입을 위해 덜 효율적인 청정 핵폭탄을 사용하고, 이후 여행을 위해 더 효율적인 고수율의 더러운 폭탄을 사용하면 지구 발사로 인한 낙진량을 크게 줄일 수 있다.
핵 펄스 추진 역사
한 가지 유용한 임무는 지구와 충돌 코스에 있는 소행성이나 혜성을 빗나가게 하는 것으로, 1998년 영화 딥 임팩트 (영화)에서 극적으로 묘사되었다. 높은 성능은 늦은 발사라도 성공할 수 있게 할 것이며, 이 우주선은 단순한 충돌로 소행성에 많은 양의 운동 에너지를 효과적으로 전달할 수 있을 것이다. 임박한 소행성 충돌 가능성은 예측되는 몇몇 낙진 사망자에 대한 우려를 불식시킬 것이다. 자동화된 임무는 승무원을 보호할 충격 흡수 장치를 설계해야 하는 과제를 없앨 것이다.
오리온은 프리먼 다이슨의 1968년 논문 "성간 수송"에서 논의되었듯이, 이론적으로 사용 가능한 기술로 건설될 수 있는 몇 안 되는 성간 우주 추진 장치 중 하나이다.
다이달로스 프로젝트는 영국 행성간 학회(BIS)가 1973년부터 1978년까지 약 50년 안에 근처 별에 도달할 수 있는 성간 무인 우주선을 설계하기 위해 수행한 연구였다. 앨런 본드 (엔지니어)가 이끄는 12명의 과학자와 엔지니어가 이 프로젝트에 참여했다. 당시 핵융합 연구는 큰 진전을 보이고 있었고, 특히 관성 봉입 핵융합(ICF)은 로켓 엔진으로 적용될 수 있는 것처럼 보였다.