평균적으로 번개 하나는 3억 볼트와 3만 암페어의 전류를 생성합니다. 이것은 질문을 던집니다. 800개의 번개와 동등한 에너지를 생성할 수 있는 발전기가 필요한 시나리오는 어떤 유형입니까? 이것은 휘발유 캔을 들고 접근하는 발전기도 아니고, 정전 시 가정용 백업으로 사용할 수 있는 발전기도 아니며, 산업용 전력을 공급하는 데 필요한 발전기도 아닙니다. 문제의 발전기는 그 이상으로 핵융합 응용 영역으로 이동합니다.
핵융합은 종종 미래의 힘으로 인용됩니다. 근본적으로, 최근 획기적인 발전을 이룬 분야인 핵융합은 태양에 동력을 공급하는 과정과 동일합니다. Titan 임피던스 정합 마르크스 발생기(IMG)는 초강력 전기 방전을 일으키도록 설계된 실험적인 연구 등급 펄스 전력 시스템입니다. 핵융합의 꿈을 실현하는데 도움을 주는 동반기술 중 하나입니다.
나중에 살펴보겠지만, 이는 100년이 넘은 기술인 마르크스 생성기에 기반을 두고 있습니다. 잠재적인 응용 분야는 융합 연구, 첨단 재료 테스트, 심지어 국가 안보 연구까지 확장됩니다. 이는 전기 시스템이 처리할 수 있는 극한의 한계에서 작동하는 최첨단 전기 공학입니다.
임피던스 정합 마르크스 생성기란 무엇입니까?
흥미로운 사실부터 시작해 보겠습니다. 100나노초 동안 Titan 발전기는 뉴욕, 두바이, 도쿄, 상하이를 합친 것보다 더 많은 전력을 소비합니다. 그 짧은 순간 동안, 이 괴물은 지구상에서 가장 전력이 부족한 도시 4곳보다 더 많은 에너지를 필요로 합니다. 이것은 실제로 극단적인 엔지니어링입니다. 그런데 IMG란 무엇입니까? Erwin Marx는 Nikola Tesla와 같은 영향력 있는 발명가만큼 잘 알려져 있지는 않지만 자신의 이름을 딴 발전기를 발명했습니다. 그는 1924년에 최초의 마르크스 생성기(Marx Generator)를 개발했습니다. 그 아이디어 뒤에 숨은 원리는 놀라울 정도로 간단합니다. 저전압은 커패시터 뱅크를 충전하는 데 사용되며, 커패시터는 저장된 전기를 직렬로 방출하여 고전압 펄스를 생성합니다. 본질적으로 이는 풍선을 부풀린 다음 한 번에 모든 공기를 배출하는 것과 동일한 원리입니다.
IMG는 이러한 전력 공급을 최적화하도록 설계되었습니다. 이름에서 알 수 있듯이 IMG는 출력 임피던스를 부하 임피던스와 일치시킵니다. 이 접근 방식은 “전통적인” 마르크스 생성기에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 아키텍처부터 시작하여 IMG는 추가 펄스 압축 하드웨어에 대한 요구 사항을 줄입니다. 이는 설계를 단순화할 뿐만 아니라 발전기의 에너지 효율성도 높입니다(100나노초의 전력 수요를 고려하면 이 역시 마찬가지입니다). 또한 발전기의 “임피던스 매칭” 특성은 저장된 에너지의 더 많은 부분이 목표에 도달하도록 보장합니다. 실제로 적절한 임피던스 매칭을 통해 에너지 전달 효율이 90%에 가까워 기존 마르크스 생성기보다 훨씬 더 효율적입니다.
타이타닉급의 전력 공급
Titan 발전기는 델라웨어에 본사를 둔 Fuse Energy Technologies에서 제조합니다. 회사는 핵융합 에너지로의 전환을 가속화하고 미국과 동맹국이 해당 분야에서 관련성을 유지하도록 하는 것이 자사의 임무라고 밝혔습니다. 타이탄은 이 로드맵의 중요한 부분입니다. 보다 구체적으로 Fuse Energy는 16개의 Titan 모듈을 병렬로 연결하여 “Z-Star”라는 시설을 만들 계획입니다. 회사는 이 시설을 “중간 차세대 펄스 전력(NGPP) 시설”이라고 부르며 이를 통해 상업 및 정부 고객 기반을 확대할 수 있기를 기대하고 있습니다.
실험 결과에 따르면 330GW의 피크 전력을 제공하는 6단계 버전이 설명되어 있지만 전체 14단계 Titan은 테라와트의 출력에 도달할 것으로 예상됩니다. 이것이 실제로 얼마나 많은 전력인지에 대한 맥락을 제공하기 위해 2024년 4월에 미국의 전체 풍력 발전 용량은 150.1GW였으며 가장 많이 배치된 풍력 터빈은 고작 15메가와트를 생산한다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 마르크스 생성기의 기본 아이디어는 상대적으로 단순하지만 Titan IMG는 전혀 그렇지 않습니다. 이러한 극단적인 펄스를 생성하기 위해 22톤 타이탄은 40,000개 이상의 부품으로 구성되어 있으며 5,283갤런(20,000리터)의 오일을 사용하고 169갤런(640리터)의 탈이온수를 지속적으로 순환합니다. 이 모든 기술의 결과는 무엇입니까? 한 번의 발사로 800개 이상의 번개가 동시에 발사되는 것과 동일한 에너지를 전달할 수 있는 최첨단 발전기이며 Fuse가 희망하는 기계는 미래의 융합 에너지 연구를 지원할 것입니다.
