혁신적 우주선 개발, 연료 1만분의 1

혁신적 우주선 개발, 연료 1만분의 1

 

혁신적인 플라즈마 엔진 시제품이 개발됐다. 이 엔진은 시속 7만2천km로 우주여행을 할 수 있게 해 줄 전망이다. 이 로켓 엔진이 소비하는 연료는 기존의 화학 연료를 사용하는 로켓의 1억분의 1밖에 되지 않는다. 2015.10.27일 프랑스 과학자들은 연료 탱크 하나로 화성까지 거뜬하게 갈 수 있는 홀(Hall) 추진기로 불리는 우주 탐험 우주선용 엔진 시제품을 내놓았다.

 

이른바 ‘벽 없는 홀 추진기’(wall-less Hall thruster)이다. 이 엔진은 오는 2030년대 중반 발사될 화성 탐사선을 기존 방식 보다 훨씬 더 효율적으로 화성에 보내 줄 것으로 기대를 모으고 있다. 이 로켓 엔진은 홀(Hall) 효과를 이용해 동력을 얻고 있어 홀 추진기(hall thruster)로 불린다.

 

■ 기존 화학 로켓 보다 효율적으로 화성 탐사선 보낸다.

 

현재, 미국 항공 우주국(NASA)이 위성과 우주 탐사선을 정확한 궤도에 올리기 위해 전통적인 방식의 홀(Hall) 추진기를 사용하고 있다. 하지만, 프랑스 과학자들이 개발한 홀(Hall) 추진기는 이보다 효율적인 방식을 사용하고 있어 오는 2030년대 중반 발사될 화성 탐사선을 기존 방식 보다 훨씬 더 효율적으로 화성에 보내줄 것으로 기대를 모으고 있다.

 

홀 효과(Hall effect)란 자기장 속 도체에 자기장의 직각 방향으로 전류를 흘리면 자기장과 전류 모두에 직각 방향으로 기전력이 발생하는 현상을 말한다. 1879년 미국 물리학자 에드윈 홀(Edwin Hall)이 발견했다. 홀 추진기는 플라즈마를 이용하는 전기 로켓 엔진으로서 우주선에 시속 7만2천km의 추진력을 제공한다. 로켓으로 지구를 벗어나기 위한 이른바 탈출 속도는 시속 4만320km이다.

 

화성에 가있는 큐리오시티(Curiosity)를 실은 우주선은 2011년 11월26일에 발사돼 8개월여만인 2012년 8월 6일 화성에 도달했다. 영화화된 소설 마션(Martian)에 등장하는 화성 탐사선 헤르메스호는 플라즈마 이온 엔진을 사용한다. 게다가 이 플라즈마 엔진을 단 우주선은 화학 연료를 사용하는 기존 로켓 우주선에 비해 1억분의 1에 불과한 연료만 소비한다. 따라서, 화성은 물론 태양계 끝자락까지 탐사하는 우주선을 위한 이상적인 우주선 추진기로 여겨지고 있다.

 

연구원들은 이같은 연료 절약형 엔진을 사용함으로써 우주선 연료 적재 공간을 줄이고, 임무 수행을 위한 더 많은 화물을 실을 수 있게 될 것으로 전망했다. 문제는 지금까지 개발된 홀 추진기의 수명이 1만 시간에 불과해 대부분의 우주 탐사선용으로는 너무 짧다는 점이다. 화성 탐사용 우주선에 이 엔진을 적용하기 위해서는 최소한 홀 추진기의 가동 시간이 5만 시간은 돼야 한다.

 

■ 홀(Hall) 추진기(thruster)는 어떻게 작동하나?

 

기존의 홀 추진기는 자기장 및 전기장 속에서 저압 플라즈마 방전을 만들어 내면서 작동한다. 플라즈마는 초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 상태의 기체이다. 홀 추진기로 전자를 만들어 내기 위해서는 우선 추진기 아래쪽 주변에 있는 이른바 홀로 음극(hollow cathode)을 이용하게 된다. 채널로 불리는 홀 추진기 애노드는 전원 공급 장치에 의해 양극(+)으로 충전된다. 추진기 양극(+)에는 제논이나 크립톤 같은 불활성 가스가 추진제(propellents)로 주입된다.

 

홀로 음극의 전자(-)는 양극(+)을 향해 움직이며, 추진기의 강력한 전자석에 의해 만들어지는 자기장 쪽으로 향한다. 추진기 쪽의 고성능 자기장은 전자를 잡아 가두며, 추진기 아래 쪽 끝부분에 ‘회전하는 고리’를 형성하게 된다. 이렇게 해서 만들어진 추진제 이온은 양극(+) 채널 사이에 형성된 전기장을 지나게 된다. 전자의 고리는 음극을 띠면서 추진기 밖으로 가속되며, 이온빔을 만들어 내게 된다.

 

이온이 전자의 구름에 전달하는 힘은 우주선의 추진력을 만들어준다. 이 힘은 자기장으로 전달되고, 다시 추진기의 자기 회로로 전달된다. 홀 추진기의 최대 단점은 방전하는 양극(+) 채널벽 물질이 방전 특성. 성능 수준. 작동 시간까지 결정한다는 점이다. 이 엔진의 양극 벽 물질은 2차 전자 방전을 하면서 플라즈마 성질에 매우 중요한 영향을 미친다. 이 현상은 고에너지 이온이 양극(+) 채널벽 표면을 때리고, 이차 전자의 방출을 유도하는 곳에서 발생한다. 고밀도 에너지 이온이 양극 방전(discharge) 벽을 때리는 데 따른 부식 현상은 추진기의 수명을 줄이는 문제를 일으킨다.

 

프랑스 국립 과학 연구소(FNCSR) 연구팀은 홀 추진기의 작동 수명을 늘리기 위해 이른바 벽 없는 추진기(wall-less thruster) 개발 작업을 하고 있다. 이들은 2014년에 개발한 벽 없는 홀 추진기 시제품이 이같은 문제들을 해결할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이 벽없는 추진기는 과학자들에게 이전까지 양극 채널 벽 뒤에 숨겨진 플라즈마 지역을 다시 보도록 만들어 주었다.

그러나 이같은 방식으로 시도한 프랑스 과학자들의 첫번째 테스트 결과에서 벽 없는 소규모 추진기의 성능은 낮게 나왔다. 왜녀면, 추진기축을 가로지르는 자기장선(magnetic field lines) 때문이다. 연구진은 이후 자기장벽을 90도 회전시켜 자기장선과 축을 평행하게 만들어 자기장 선을 주입했고, 시제품의 성능을 향상시켰다. 예상 모의 실험 개발에 있어서 힘든 부분은 플라즈마와 벽 사이의 상호 작용을 모델링하는 데 있다.