무한한 발전 가능성을 가진 이온 로켓 엔진
이온엔진 하니 뭔가 대단한 기술인 것 같은데, 항상 그렇듯 원리 자체는 어렵지 않습니다.
추진기 내에서 전하를 띄는 이온을 만들어 줍니다. 이 녀석들은 +/- 극성을 띄는데, 자석(자기력)을 이용해서 밀어내거나 끌어당겨 줍니다. 원하는 방향으로 분사시킵니다.
이게 끝입니다. 간단하죠?
자기력을 만드는데 전기(장)이 사용 되므로 넓은 의미의 전기추진이라고도 볼 수 있겠군요.
레일건이나 코일건을 로켓 엔진으로 쓰는 것과 유사합니다. 탄두를 가속시키는 것이 아닌 추진제를 가속시킨다는 것만 다를 뿐이지요.
* 이온엔진은 정전기 추진식 / 전자기 추진식 (Electrostatic ion thrusters / Electromagnetic thrusters)으로 분류 됩니다. 연료로는 불활성 기체인 아르곤이나 제논이 주로 사용되고요.
자세한 내용은 영문 위키를 참고해주세요.
Iron Thruster - 위키피디아
우선 이온엔진의 놀라운 능력은 연소 시간입니다.
일본이 개발한 소행성 탐사위성 하야부사에는 크세논 엔진 4기가 장착되었는데, 2기가 약 40일에 해당하는 1천 시간 동안 잘 가동하여 미션을 성공적으로 마무리 하였습니다.
소행성 이토카와에 착륙 후 시료를 채취하고 지구로 다시 돌아오는데 지대한 공헌을 세웠지요. 우여곡절이 있었지만, 이온엔진이 성공의 1등 공신 이라는데는 두말할 나위가 없습니다.
나사에서 개발중인 NEXT 엔진은 (Evolutionary Xenon Thruster) 2013년 48,000시간 동안 연속으로 가동되는 기록을 세웠습니다.
무슨 자동차 엔진도 아니고, 환산 하면 5.5년에 해당하는 기간입니다. 5분미만 동안 타오르고 버려지는 화학로켓 엔진에 비하면 놀랄 수준의 연소시간 입니다.
하지만 이온엔진의 또 다른 놀라운 점도 있습니다.
바로 '아주 적은' 추력입니다.
추력 자체가 말도 안되게 적습니다. 눈에 보이지도 않는 이온입자를 추진시키는 덕에 추력이 밀리 뉴턴 단위입니다.
1–7 kW의 가속기를 투입하여 겨우 25 – 250 밀리뉴턴의 추력을 낼 수 있습니다.
지금 개발 중인 한국형 발사체의 엔진 추력이 735 kN이니 감히 비교하기 민망한 수준이지요.
이상하다. 레일건은 어마어마한 에너지로 탄자를 쏘아 올리는데...
이온엔진은 왜 이렇게 추력이 작지?
이온엔진의 컨셉 자체가 가늘고 긴 연소 이기 때문입니다.
우주에서는 공기가 없습니다. 걸리적 거리는 저항이 전혀 없습니다. 저항이 없으니 추진력이 모두 운동 에너지로 전환됩니다.
조금씩이라도 꾸준히 분사만 된다면, 쌓이고 쌓여서 모두 운동에너지가 되는 것이고, 최종적으로는 탐사선이 근거리 행성을 여행할 수 있을 정도의 속도를 가지게 됩니다.
대기권에서의 굵고 짧은 추력보다 진공의 우주에서의 가늘고 ‘아주’ 긴 추력이, 더 좋은 연소효율을 가질 수 있는 이유입니다.
1998년 발사된 미국의 소행성 탐사선 딥스페이스의 경우, 불과 74kg의 제논을 사용해서 4.3 km/s, 시속 1만 5천 km를 내는 위력을 발휘했습니다.
몇십 톤의 연료를 싣는 화학 로켓엔진과 비교하면, 어마무시한 연소효율입니다
그럼 이 녀석을 크게만 만들면 모든게 해결 되겠군요.
기술적으로는 가능합니다. 실제 나사에서는 VASIMR (가변 비추력 자기 플라즈마 로켓, Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)을 만들고 있습니다.
애니 사이버포뮬러의 부스터처럼, (이온들이 모여있는) 플라즈마를 임계점까지 압축했다가 뻥 하고 배출하는 기술을 개발 중입니다.
성공하기만 하면 최고 56km/s 를 낼 수 있습니다. 딥스페이스의 10배가 넘는 속도를 가지게 되지요. 단순 계산으로 화성을 왕복하는데 지금의 3년에서 서너 달까지도 줄일 수 있습니다.
이런 성능을 내기 위해, 소형 원자로 6개에 맞먹는 출력이 끌어와야 한다는 점만 해결한다면 말이지요. -_-;;;;
즉 현재의 이온엔진은 '추력과 효율의 타협점을 찾아 보았더니 작은 탐사선 정도를 보낼 수 있구나.' 하는 수준이라고 보면 됩니다.
그리고 이 능력을 십분 활용하여 내행성 탐사선의 엔진으로 활용 중입니다.
(외행성은 탐사선의 덩치가 어느 수준 이상이 되어야 해서, 아직까지 화학로켓의 추진력을 필요로 한다는 군요.)
먼 미래 이야기로 보였던 레일건이 출력문제를 극복하고 양산단계에 들어가는 것 처럼, 이온엔진 역시 언젠가 출력문제가 해결 될 겁니다.
지금보다 더 큰 물체를 아니, 인류를 다른 행성으로 보내줄 이온엔진이 나오게 되겠지요.
화성을 3-4개월 만에 다녀온다니요.
대륙간 항해에 몇 개월이 걸렸던 중세시대에서, 몇 시간 만에 비행이 가능한 현대시대로 넘어가는 느낌과 비슷 하려나요.
살아생전에 재미난 우주 개발 역사를 만나 볼 수 있을지도 모르겠습니다.
그냥 끝내기 아쉬워서
P.S.
일본이 초 저궤도 정찰위성에 이온엔진의 장착을 검토 중 입니다.
180km의 초저궤도는 공기저항이 커서, 위성을 그냥 냅두면 대기권으로 떨어지게 되는데, 이걸 이온엔진의 지속연소로 극복하겠다는 계획입니다.
가속만 계속 한다면 저궤도에 장기간 머무를 수 있거든요.
초저궤도에서는 정찰위성의 해상도가 어마어마하다더니.... 일본이 무시무시한 치트키를 손에 넣으려나 봅니다.
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