우주에 최대 전력을 공급할 준비가 된 슈퍼커패시터

Supercapacitors ready to deliver maximum power to space

우주에 최대 전력을 공급할 준비가 된 슈퍼커패시터

 

High-power supercapacitors – already found within terrestrial electric cars, trains, lifts and cranes – are on their way to space.

이미 지상 전기 자동차, 기차, 승강기, 크레인에서 발견된 고출력 슈퍼커패시터가 우주로 향하고 있다.

 

An ESA-led project with Airbus Defence and Space developed and tested a supercapacitor design able to provide brief bursts of very high power levels to space missions as required. Potential uses might include operation of high-power satellite radar systems, to stabilise overall onboard power during solar eclipses or other such events or launcher thrust vectoring.

Airbus Defence and Space와 함께 ESA 주도 프로젝트는 필요에 따라 매우 높은 전력 수준의 짧은 버스트를 우주 임무에 제공할 수 있는 슈퍼커패시터 설계를 개발하고 테스트했다. 잠재적인 사용에는 일식 또는 기타 그러한 이벤트 또는 발사기 추력 벡터링 동안 전체 온보드 전력을 안정화하기 위한 고출력 위성 레이더 시스템의 작동이 포함될 수 있다.

 

 

Redirecting launcher thrust requires high power

 

“While traditional batteries store electric energy on a chemistry basis, supercapacitors do so on the basis of physics. The energy is stored as electrostatic charge, within an electrochemical double layer at the boundary between an organic electrolyte and activated carbon layers,” explains energy storage engineer Brandon of ESA’s Energy Storage section.

“전통적인 배터리는 화학 기반으로 전기 에너지를 저장하지만 슈퍼커패시터는 물리학을 기반으로 저장한다. 에너지는 유기 전해질과 활성탄 층 사이의 경계에 있는 전기화학적 이중층 내에 정전기 전하로 저장된다.”라고 ESA 에너지 저장 섹션의 에너지 저장 엔지니어 Brandon이 설명한다.

 

“This means they can both store and discharge power at a very fast rate that batteries cannot match, for many thousands of cycles with almost no internal resistance. However they have the corresponding disadvantage that they possess a lower overall energy density, so are able to store only a fraction the amount of energy of a battery with the same mass.”

“즉, 내부 저항이 거의 없는 수천 사이클 동안 배터리가 따라올 수 없는 매우 빠른 속도로 전력을 저장하고 방전할 수 있다. 그러나 그것들은 전체 에너지 밀도가 더 낮기 때문에 동일한 질량을 가진 배터리의 에너지 양의 극히 일부만 저장할 수 있다는 상응하는 단점이 있다.”

 

Supercapacitors are, for instance, often used within electric and hybrid cars, storing the electric energy generated by braking wheels for later reuse and supplying power boosts for rapid acceleration.

예를 들어, 슈퍼커패시터는 전기 자동차와 하이브리드 자동차에서 종종 사용되며, 나중에 재사용할 수 있도록 제동 휠에 의해 생성된 전기 에너지를 저장하고 빠른 가속을 위한 파워 부스트를 제공한다.

 

 

Assembling BOSC engineering unit

 

“We performed an initial study of such a ‘Bank of Supercapacitors’ unit through ESA’s Advanced Research in Telecommunications Systems, ARTES, programme,” adds Brandon. “We studied possible applications and which commercial cells could be feasible for the application in space. The results of this study were very promising.

"우리는 ESA의 통신 시스템 고급 연구인 ARTES 프로그램을 통해 이러한 '슈퍼커패시터 은행' 장치에 대한 초기 연구를 수행했습니다."라고 Brandon이 덧붙였다. “우리는 가능한 응용 프로그램과 우주에서의 응용 프로그램에 사용할 수 있는 상용 셀을 연구했다. 이 연구의 결과는 매우 유망했다.

 

“Then Airbus Defence and Space in France approached us, wanting to finalise and qualify such a design for space. This project proceeded on a co-funded basis through our General Support Technology Programme – preparing promising products for space and the marketplace.”

“그때 프랑스의 Airbus Defence and Space가 우리에게 접근하여 이러한 우주 설계를 마무리하고 자격을 부여하기를 원했다. 이 프로젝트는 우주 및 시장을 위한 유망한 제품을 준비하는 우리의 일반 지원 기술 프로그램을 통해 공동 출자 방식으로 진행되었다.”

 

The first challenge was to design and construct a working prototype ‘Bank of Supercapacitors’ (BOSC), based on 34 supercapacitors in series with three strings in parallel, incorporating thermal sensors to keep it from overheating and degrading.

첫 번째 과제는 3개의 줄이 병렬로 연결된 34개의 슈퍼커패시터를 기반으로 작동 중인 시제품 '뱅크 오브 슈퍼커패시터'(BOSC)를 설계·시공해 열감지 센서를 내장하는 것이었다.

 

 

BOSC vacuum testing

 

“To make these prototype BOSCs suitable for space required careful ‘potting’ – meaning the insertion of epoxy between the stacked supercapacitors, connectors and printed circuit boards,” adds Brandon.

Brandon은 "이 프로토타입 BOSC를 공간에 적합하게 만들기 위해서는 신중한 '포팅'이 필요했다. 즉, 적층된 슈퍼커패시터, 커넥터 및 인쇄 회로 기판 사이에 에폭시를 삽입해야 한다."라고 덧붙였다.

 

“This sealant potting is needed for multiple reasons, firstly to help safeguard these delicate devices from the violent vibration of launch. It also prevents the unwanted interaction of bare wires and to minimise ‘outgassing’ of electrolyte from the supercapacitor can – the release of unwanted gases in the vacuum of space.”

“이 실란트 포팅은 여러 가지 이유로 필요하다. 첫째, 발사의 격렬한 진동으로부터 이러한 섬세한 장치를 보호하는 데 도움이 된다. 또한 베어 와이어의 원치 않는 상호 작용을 방지하고 슈퍼커패시터 캔에서 전해질의 '가스 방출'을 최소화하여 우주의 진공에서 원치 않는 가스를 방출한다.”

 

BD Sensors in the Czech Republic– in charge of designing and manufacturing the BOSC – was responsible for developing this critical process.

BOSC의 설계 및 제조를 담당하는 체코의 BD 센서는 이러한 중요한 공정의 개발을 담당했다.

 

 

X-ray inspection

 

Mechanical testing – coming down to violent, launcher-strength shaking, as well as exposure to space-quality vacuum and temperature extremes – took place at project partner EGGO Space in the Czech Republic. Radiation testing was also essential, involving kilorads of exposure, to check the bank would go on operating when exposed to the same kind of charged particles experienced in orbit.

발사대 강도의 격렬한 진동과 공간 품질의 진공 및 온도에 대한 노출로 이어지는 기계적 테스트는 체코의 프로젝트 파트너인 EGGO 스페이스에서 수행되었다. 궤도상에서 경험하는 같은 종류의 전하 입자에 노출되었을 때 은행이 계속 작동하는지 확인하기 위해 킬로라드의 노출을 수반하는 방사선 검사도 필수적이었다.

 

Gabriel Beulaguet of Airbus Defence and Space, engineering and project manager for the project, comments: “we have set-up in our laboratory a long life test under relevant electrical, thermal and vacuum conditions. After more than 2.3 million cycles, the performances – especially in terms of fading and balancing – are behaving as expected and the test will continue to run”.

이 프로젝트의 엔지니어링 및 프로젝트 매니저인 에어버스 디펜스 앤드 스페이스의 가브리엘 뷸라게는 다음과 같이 말했다. "우리는 실험실에 전기, 열 및 진공 조건에서 긴 수명 테스트를 설치했다. 230만 회 이상의 사이클이 지난 후, 특히 페이딩과 균형감각 측면에서 예상대로 동작하며 테스트는 계속 진행될 것이다."라고 말했다.

 

 

Bank of supercapacitors engineering model

 

Testing the electrical performance of the BOSC involved millions of charge and discharge cycles, including a dedicated lifetime test campaign to look at ageing effects. In parallel, the BOSC was also subjected to ‘abuse’ testing – involving short circuits, overcharges and physical shock from impacts.

BOSC의 전기적 성능 테스트에는 노화 효과를 살펴보기 위한 전용 수명 테스트 캠페인을 포함하여 수백만 번의 충전 및 방전 주기가 포함되었다. 동시에 BOSC는 단락, 과충전 및 충격으로 인한 물리적 충격을 포함하는 '남용' 테스트를 받았다.

 

“We found the bank can take a huge amount of current, up to 400 amps, several times without damage,” adds Brandon.

"우리는 bank의 손상 없이 여러 번 최대 400A의 엄청난 양의 전류를 사용할 수 있음을 발견했다."라고 Brandon이 덧붙였다.

 

Denis Lacombe of ESA’s Technical Reliability and Quality Division, technical officer for the project, explains: “Now that lifetime testing is about to conclude, after three years of hard work we have a space-qualified product, ready for use by Airbus and added to the European Preferred Parts List so other missions can make use of it as well, enabling high-power space applications of all kinds.”

이 프로젝트의 기술 책임자인 ESA의 기술 안정성 및 품질 부서의 Denis Lacombe는 다음과 같이 설명합니다. "이제 우리는 3년간의 힘든 작업 끝에 Airbus에서 사용할 수 있는 우주 인증을 받은 제품을 확보하여 다른 미션에서도 사용할 수 있다. 모든 종류의 고출력 우주 애플리케이션이다."