정확한 위치 파악을 통한 효율적인 실험
기후 친화적 에너지 공급을 위한 레이저 기반 핵융합 연구 개발
핵융합은 미래의 에너지 문제에 대해 비교적 깨끗하고 위험이 낮은 해결책으로 여겨집니다. 이 과정에서 기존 원자력 발전소의 원자로에서처럼 원자핵이 분열되는 대신 극한의 온도와 압력에서 융합합니다. 별과 태양에서도 비슷한 과정이 일어납니다. 이는 이산화탄소를 배출하지 않으면서도 엄청난 양의 에너지를 생성합니다. 핵융합을 이용해 기후 중립적인 방식으로 대량의 에너지를 생산한다는 아이디어는 인류의 희망으로 여겨집니다. 그러나 핵융합은 기술적으로 매우 까다로우며, 실현을 위해서는 막대한 투자와 연구 개발이 필요합니다. 독일 Munich에 본사를 둔 스타트업 Marvel Fusion GmbH는 상업적으로 실행 가능한 최초의 핵융합 발전소를 건설하는 것을 목표로 합니다. 이 딥테크 기업은 이산화탄소 없이 깨끗하고 안전하게 전기를 생산할 수 있는 새로운 레이저 기반 접근 방식을 개발했습니다. 미국 Colorado에 기술 시연장을 건설할 계획으로 프로토타입 연구가 결정적인 단계에 접어들고 있습니다. 상업용 핵융합 연구를 위한 세계 최초의 맞춤형 레이저 시스템이 Colorado 주립대 캠퍼스에 구축될 예정입니다. 한편, Munich와 Bucharest에서는 기초 연구가 진행되고 있습니다. 최대 20대의 IDS 카메라가 동시에 고진공 챔버의 실험을 모니터링하고 제어하는 데 사용됩니다.
"이 카메라를 통해 레이저 기반 핵융합 연구 및 개발을 위한 실험을 정밀하게 모니터링할 수 있습니다."
실험이 수행되는 고진공 챔버에서는 10^-4 파스칼의 압력 범위가 적용됩니다. 이 극저압은 대기압인 약 10^5보다 훨씬 낮으며, 최대 8시간의 펌프다운 시간을 가진 특수한 진공 펌프가 필요합니다. 따라서 실험을 효율적으로 실행하는 것이 중요합니다. "카메라는 실험을 관찰하고 측정 장치를 제어할 수 있게 해주는 중요한 역할을 합니다."라고 Caya Momm(구매)은 덧붙입니다.
카메라는 GigE uEye LE 모델로 결정되었습니다. 카메라 주변에 특수 개발된 보호 하우징이 장착되어 있어 핵융합 실험 중 발생할 수 있는 극한의 조건과 강한 전자기 펄스를 견딜 수 있습니다. 이 EMP 카메라 박스는 높은 에너지 방전으로부터 카메라 전자 장치를 보호합니다. "이 설계는 최적의 기능과 안정성을 보장합니다."라고 Kyle Kenney(랩 엔지니어)는 말합니다.
그렇다면 카메라는 무엇을 보는 것일까요?
실험 중에 일부 카메라는 거울 반사와 레이저의 정렬을 확인하도록 배치됩니다. 진공 챔버 내부의 카메라는 상부 구조의 배열을 모니터링합니다. "이는 챔버의 전동 어셈블리를 외부에서 제어하기 때문에 꼭 필요한 기능입니다. IDS 카메라는 측정 장치, 감지기, 센서, 거울을 제어합니다." Kyle Kenney는 레이저 실험당 최대 20대의 IDS 카메라를 사용한다고 설명하며 말했습니다. 카메라 사용 양상도 그에 따라 다양합니다:
- 광학 장치 정렬: 카메라는 거울의 정확한 위치를 보장합니다.
- 충돌 방지: 챔버의 오버뷰 카메라는 전동식 상부 구조물과의 충돌을 방지하기 위해 실시간으로 모니터링합니다.
- 미세한 초점: 또 다른 카메라 세트는 레이저의 표적에 정확하게 초점을 맞춰 정확한 레이저 표적 획득을 가능하게 합니다.
- 레이저 펄스와 동기화: 카메라는 정확하고 오류 없는 데이터를 보장하기 위해 레이저 펄스와 동기화되어야 합니다.
모든 작업 범위가 단일 카메라 모델로 수행됩니다: Marvel Fusion은 싱글 보드 GigE 카메라 UI-5241LE와 S-마운트를 선택했습니다.
"IDS의 공간 절약형 프로젝트 카메라는 고해상도에 빠르고 작기 때문에 이 모든 작업을 해결할 수 있습니다."라고 IDS 영업 매니저 Markus Schickner는 설명합니다. 45 x 45mm의 컴팩트한 사이즈의 GigE uEye LE 카메라는 이번 임베디드 프로젝트에 완벽하게 적합합니다. EMP 하우징에 정밀하게 통합 가능하며, GigE 인터페이스는 최대 100미터의 케이블 길이도 지원합니다. 이 카메라 모델은 50fps의 프레임률로 1.3메가픽셀(1280 x 1024)의 해상도를 제공하는 e2v 1/1.8" CMOS 센서가 탑재되어 있습니다. 레이저 펄스와 동기화되는 트리거와 같은 특수 기능과 가격 또한 모델 선택에 결정적인 영향을 미쳤습니다. uEye LE는 필수 기능을 탑재한 합리적인 가격의 카메라이기 때문입니다. 그렇지만 다양한 요구 사항을 충족시키는 다재다능함으로 다른 특수 카메라가 필요하지 않습니다. 이를 통해 실험에 사용되는 최대 20대의 카메라 핸들링이 크게 간소화됩니다.
"이 카메라는 레이저 실험에서 효율적으로 작동하도록 설계되었습니다."라고 Caya Momm은 이야기합니다. "또한 이를 통해 레이저 실험의 직접적이고 지속적인 실시간 전송이 가능해졌습니다. 이렇게 하면 진공 챔버에 들어갈 필요가 부분적으로 없어집니다."라고 그녀는 덧붙입니다. 카메라 박스의 견고한 밀봉으로 안전성이 보장되며, 이를 통해 입자가 빠져나가는 것을 방지하고 오염으로부터 진공 챔버의 무결성을 보호합니다.
촬영된 이미지 정보는 오픈 소스 소프트웨어 프레임워크인 Tango Controls를 사용하여 추가로 처리되며, IDS 카메라는 GigE Vision 표준 인터페이스를 통해 빠르고 쉽게 통합될 수 있습니다. Tango Controls는 분산 시스템에서 장치를 제어하고 모니터링할 수 있으며, 이와 같이 복잡한 장치 통합 및 제어가 필요한 과학 시설 및 실험실을 위해 특별히 개발되었습니다. 따라서 IDS 카메라는 물론 시스템에 통합된 다른 모든 장치를 네트워크를 통해 개별적으로 제어할 수 있습니다. 또한 Tango는 이벤트 기반 커뮤니케이션을 지원하여 실험 진행 중에 필요한 경우 실험 설정과 비전 시스템에 실시간으로 반응하고 조정할 수 있습니다. 카메라가 제공하는 라이브 이미지는 Tango Controls의 도움으로 즉시 처리되어 전달됩니다. "레이저의 위치가 정확하게 국소화되었기 때문에 결과는 매우 만족스러웠습니다. 이미지 프로세싱 덕분에 선형 드라이브로 광학장치의 위치를 정확하게 정의하거나 재배치할 수 있습니다."라고 Oscar Juina(전기 엔지니어)는 말합니다.
전망
"이러한 품질의 EMP 하우징을 갖춘 특수 설계 카메라는 일반적으로 구하기 어렵고 매우 비쌉니다."라고 Marvel Fusion의 바이어 Caya Momm은 설명합니다. "IDS 카메라의 적응성과 가용성은 우리에게 매우 중요합니다. 현재 시간 제한이 있는 연구 실험에 집중하고 있기 때문에 필요한 수량은 아직 적습니다. 그러나 이는 향후 더 큰 규모의 핵융합 실험과 미래 핵융합 발전소 건설 계획에 따라 변경될 수 있습니다." Marvel Fusion에 따르면 세계에서 가장 강력한 단펄스 레이저 시스템을 2026년까지 Colorado에 건설하고, 2030년대 중반까지 최초의 상업용 발전소를 건설할 예정이며, 2045년까지 에너지 공급에 크게 기여할 수 있기를 희망하고 있습니다.
"IDS 카메라의 적응성과 가용성은 우리에게 매우 중요합니다."
레이저 융합의 발전과 혁신적인 에너지원으로서의 잠재력은 매우 중요합니다. 전 세계 에너지 공급의 탄소발자국을 크게 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
이미지 권한: Marvel Fusion GmbH
uEye LE – 비용 효율적이고, 공간 절약형인 프로젝트 카메라
사용 모델: UI-5241LE-MB
카메라 제품군: uEye LE
귀하의 프로젝트
정기적으로 애플리케이션 솔루션에 대해 알아볼 수 있는 뉴스레터를 구독하세요.
귀하의 프로젝트에 도움이 필요하신가요? IDS가 도와드리겠습니다.
고객사
2019년에 설립된 Marvel Fusion은 안전하고 깨끗하며 신뢰할 수 있는 에너지 생성 분야의 기술 선구자입니다. 첨단 기술을 갖춘 이 회사는 인류가 직면한 가장 큰 문제 중 하나를 해결하기 위해 융합 가능성을 획기적으로 높이고, 레이저 및 나노 과학의 최신 발전을 바탕으로 하는 완전히 새로운 유형의 융합 에너지 기술을 개발하고 있습니다.
