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NASA, 화성 데려다 줄 이온 추진기 3년내 개발
NASA, 화성 데려다 줄 이온 추진기 3년내 개발
  • 이재구 기자
  • 승인 2018.09.02 18:45
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홀추진기 효율성 화학로켓 대비 10배·전기로켓 대비 2배

에어로젯 로켓다인과 3년간 750억짜리 개발 계악

 

태양전기추진 우주비행선은 대용량화물을 우주로 옮기는데 중요한 역할을 한다.(사진=미케니컬어소시에이츠,나사)
태양전기추진 우주비행선은 대용량화물을 우주로 옮기는데 중요한 역할을 한다.(사진=애널리티컬 미케닉스 어소시에이츠/나사)

미항공우주국(NASA)과 에어로젯 로켓다인(Aerojet Rocketdyne)의 엔지니어들이 인류를 화성까지 데려다 줄 효율성 높은 급진적 이온 엔진 개발 계획을 밝혔다고 데일리메일이 31일(현지시각) 보도했다.

홀추진기(Hall Thruster)로 알려진 이 시스템은 전기장과 자기장을 사용해 크세논(Xe)과 같은 가스를 이온화하고 이를 방출해 추진력을 만들어 낸다. 이 기술은 기존의 화학 로켓보다 훨씬 깨끗하고 안전하며 연료 효율이 높지만 반대급부는 상대적으로 낮은 추진력과 가속력이다.

보도에 따르면 나사는 에어로젯 로켓다인에 첨단 전기추진시스템(Advanced Electric Propulsion System·AEPS)으로 알려진 이 시스템을 개발하기 위해 3년 간 6700만 달러(약748억7000만원)짜리 계약을 맺었다.

이에 따라 수행되는 작업은 우주 비행시 연료 효율을 기존 화학 추진 로켓에 비해 10배 정도 증가시킨다. 기존 전기 추진 로켓 시스템에 비해서도 2배 이상의 추진력을 제공한다.

이미 핵심 기술인 홀 추진기(Hall thruster)는 지구 궤도를 도는 위성을 가동하는 데 사용되고 있지만 동력이 약하다.

에어로젯 로켓다인은 이 급진적인 엔진에 대한 초기 시스템 통합 테스트를 성공적으로 완료했다고 말한다. 이 회사는 나사에 공급하기 위해 13kW 홀 추진기 끈을 개발중이기도 하다.

오하이오 주 클리브랜드 소재 나사 글렌 연구센터에서 실시한 이 테스트는 성공적으로 동력을 고효율로 전환해 최소한의 폐 열을 생성하는 시스템 능력을 입증했다.

사용중인 이온엔진 시제품. 핵심기술은 홀 추진기로서 이미 지구궤도를 도는 위성에 사용되고 있다. 하지만 화성까지 갈 대규모 화물선을 제어하는데 사용하기에는 약하다. (사진=나사)
사용중인 이온엔진 시제품. 핵심기술은 홀 추진기로서 이미 지구궤도를 도는 위성에 사용되고 있다. 하지만 화성까지 갈 대규모 화물선을 제어하는 데 사용하기엔 너무 약하다. (사진=나사)

에일린 드레이크 에어로젯 로켓다인 최고경영자(CEO)는 “우리는 추진 기술의 최첨단에 있으면서 달에 다시 가는 것뿐만 아니라 화성에 사람들을 보내려는 미래의 구상에서 중요한 역할을 하게 됐다”고 말했다. 그는 “AEPS는 차세대 심우주 탐사의 선두 주자이며 우리는 이를 볼 수 있는 입장에 있어서 기쁘다”고 말했다.

이제 팀은 최종 설계 및 검증 단계로 이동해 설계가 최종 완성되고 생산을 위한 준비로 돌입하는 핵심 설계 검토(CDR)단계에 이르게 된다.

AEPS 추진기의 성과는 나사가 심우주 공간에서 로봇 및 인간 탐사 작업을 하기 위한 전초기지인 게이트웨이의 동력 및 추진요소로 사용될 수 있다는 점에서 중요하다.

나사는 상업 파트너들과 함께 동력 및 추진 요소를 이용해 달과 ​​그 주변, 그리고 그너머 화성까지의 탐사를 지원하기 위해 50kW급 태양 전기 추진력을 보여주게 된다. 현재 가장 강력한 홀 추력기는 4.5kW다.

이는 위성의 궤도, 또는 방향을 조정하는 데는 충분하지만 인간의 심우주탐사 지원에 요구되는 엄청난 화물량을 움직이는 동력으로 사용되기에는 너무나 약하다.

■홀 추진기는 어떻게 작동하는가?

홀 추진기는 플라스마 배출 가스를 매우 빠른 속도로 가속시켜 작동한다. 이 과정은 원형 채널을 통해 나선형으로 흐르는 전자 흐름으로부터 시작된다.

이들은 채널 안쪽에 있는 배기구 끝의 음극에서 양극으로 흐르는 회오리 바람을 통해 챔버로 공급되는 원자(일반적으로 크세논 가스)를 통과한다.

이 충돌은 크세논 원자에서 나온 전자를 두들겨 이를 양전하 이온으로 바꾼다.

13kW의 홀 추진기가 나사 글렌연구센터에서 평가받고 있다. 홀 추진기는 자기장에 전자를 가둔 후 이를 사용해 탑재된 추진제를 이온화하는데 사용된다. 동급의 화학방식 로켓추진제의 10%만 사용해도 같은 성능을 낸다. (사진=나사)
13kW의 홀 추진기가 나사 글렌연구센터에서 평가받고 있는 모습이다. 홀 추진기는 자기장에 전자를 가둔 후 이를 사용해 탑재된 추진제를 이온화하는데 사용된다. 동급의 화학방식 로켓추진제사용량의 10%만 사용해도 같은 성능을 낸다. (사진=나사)

전자의 나선형 운동은 또한 가스이온을 채널의 배기구 끝부분으로 배출해 추진력을 갖게 하는 강력한 전기장을 형성한다.

우주선에 전하가 쌓이는 것을 막기 위해 이온과 함께 딱 충분한 양의 전자를 남겨 두는 것은 한편으로는 전기적 문제를 야기할 수 있다.

■중국이 불가능한 엔진의 비밀을 풀었나?

중국의 새로운 선전 비디오에서 중국 과학자들은 연료가 필요없는 '불가능한' 연료 엔진의 워킹 프로토타입을 만들었다고 주장하고 있다.

엠드라이브는 연료를 사용하지 않고도 추진력을 제공하는 엔진이다. 그대신 밀폐된 컨테이버 주변에 있는 태양 에너지에 의해 제공되는 마이크로파를 튕겨낸다. 엠드라이브는 방출할 연료가 없기 때문에 뉴턴의 제 3 법칙, 즉 작용과 반작용의 법칙을 위반하게 된다.

이 급진적인 엠드라이브(Em Drive)는 나사에 의해 수년간 가설로만 제기돼 왔기만 작동하는 버전을 만들 수 없었다.

물리학을 무시하는 이 엔진 개념이 현실화된다면 7~8개월 걸리는 화성여행을 단 10주일로 줄일 수 있다고 한다.

동영상은 중국 국영 CCTV(CCTV.com)에 의해 게시됐으며 중국우주국 과학자 첸 유에 박사에 의한 ‘추진제없는 추진: 중국의 엠드라이브)’라는 제목이 붙어 있다.

동영상은 중국 과학자들이 엠드라이브를 개발했으며 곧 이를 우주여행에 사용할 것이라고 주장하고 있다.

이 동영상은 나사도 못푼 ‘불가능한 엔진’문제를 중국이 풀었다는 것을 보여준 것일지도 모른다. 하지만 중국은 이 장치의 기술적 측면에 대해서는 언급하지 않았다.

중국이 작동하는 엠드라이브를 만들었다고 주장한 것은 이번이 처음은 아니다.



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