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2015년 2월 8일 일요일

인간을 화성으로 - 핵추진 로켓과 우주선 코페르니쿠스



 나사는 현재 개발 중인 차세대 로켓인 SLS와 오라이언(오리온) 우주선의 개발이 순조롭게 진행된다면 인류를 달 너머로 보낼 계획을 가지고 있습니다. 첫 단계는 소행성이 될 것이며, 그 다음 단계는 화성이 될 가능성이 높습니다. 다만 현재 예산 상태로는 본래 목표했던 달 기지는 어려워 보이고 사실 화성 유인 탐사도 예산이 허락할지 불투명한 상태입니다.

 하지만 나사는 자신들의 오랜 숙원 사업 가운데 하나였던 화성 유인 탐사를 (즉 화성에 미국인을 보내서 성조기를 화성 표면에 올리는 사업) 성공시키기 위해서 많은 노력을 진행 중에 있습니다. 수년전 나사는 DRA(Mars Design Reference Architecture) 5.0 연구를 발표하면서 매우 구체적인 화성 유인 탐사 계획을 밝혔는데, 그 핵심에는 열핵 추진 로켓(NTR: Nuclear Thermal Rocket)과 유인 화성 우주선 MTV(Mars Transfer Vehicle) 코페르니쿠스(Copernicus)가 있습니다. 





(유인 화성 탐사선의 상상도 Artist’s concept of a Bimodal Nuclear Thermal Rocket in Low Earth Orbit. Credit: NASA )   

 이 핵추진 우주선은 2020년 대 중반에 소행성, 2033년에는 화성 유인 탐사를 진행한다는 매우 구체적인 계획까지 가지고 있습니다. 물론 궁극적인 목적인 화성 유인 탐사 및 화성 기지 건설을 위해서는 우주선만 필요한 것이 아니므로 나사는 화성 착륙선 및 화성 탐사차, 화성 유인 기지 모듈 등도 같이 연구 중에 있습니다. 

 일단 여기서 이 계획의 핵심인 열핵 추진 장치(Nuclear Thermal Propulsion)부터 설명을 해야 할 것입니다. 미국은 이미 1950년대부터 다양한 원자력 추진 로켓을 개발해 왔습니다. 물론 냉전 시절 소련과의 군사적 경쟁을 염두에 둔 것이었지만, 우주 탐사라는 목적 역시 같이 염두에 둔 것이었습니다. 다만 사고 위험 및 방사능 누출의 가능성이 매우 컸기 때문에 결국 이 계획은 연구 단계에서 더 진행하지 못했습니다.  

 이전 포스트 참고 


 현재 나사가 생각하는 방식은 핵 - 전기 방식(Nuclear Electric Propulsion (NEC))이나 핵 펄스 방식이 아닌 열핵 추진 방식의 로켓입니다. NTP 방식은 쉽게 이야기해서 원자로 내부나 밖에서 핵분열 반응으로 나오는 열을 이용해서 연료를 가열해 분사하는 방식을 의미합니다. 예를 들어 액체 상태인 물이 기체가 되면 부피가 1700배 증가하게 됩니다. 여기서 나오는 뜨거운 기체를 이용해서 추진력을 발휘하는 방식입니다. 이 방식 역시 연료가 필요하지만 화학 로켓과 대비하면 상당히 적은 연료로 많은 추진력을 낼 수 있습니다. 

 NTP 로켓은 1 kg 의 우라늄 연료로 200kWt 의 에너지를 13년간 낼 수 있습니다. 물론 가열하는 액체 (이 경우에는 액체 수소)는 중간 중간 보충을 해줘야 하지만 연료의 수명은 매우 긴 편입니다. 위의 그림에서 보면 핵추진 엔진부와 거주 모듈 사이에는 액체 수소 연료 탱크가 있습니다. 이 연료 탱크는 드롭 탱크 방식으로 교체하거나 추가로 연결이 가능합니다. 



(NERVA 계획에서의 열핵 추진 로켓의 모식도 NASA design for a Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA). Credit: NASA )    


 사실 기술적인 세부 사항은 오래전 개발이 진척되어 있어 새롭게 개발하는 것 자체는 기술적 난이도가 높지는 않을 것으로 생각되고 있습니다. 문제는 역시 사고와 방사능 유출의 가능성이겠죠. NTP 엔진의 디자인은 액체 수소를 직접 반응로에 넣느냐 아니면 한번 더 단계를 거치느냐로 나눌 수 있습니다. 전자는 구조가 단순하고 출력이 높은 반면 방사능 물질의 유출 가능성이 높고, 후자는 방사능 유출 가능성은 낮은 대신 구조가 복잡하고 출력이 낮아집니다. 



(일명 전구 방식이라고 불리는 폐쇄 방식의 NTP 로켓 디자인. 액체 수소는 연료봉과 직접 접촉하는 대신 주변을 돌아 나간 후 노즐을 통해 배출된다. The closed-concept (aka. Lightbulb) gas core nuclear-thermal rocket engine. Credit: NASA ) 

 물론 이외에도 다양한 디자인이 제안되고 있으나 이 중 어느 것도 아직 우주에서 테스트 된 적은 없습니다. 이에 반해 이온 플라즈마 로켓은 추력이 낮긴 하지만 이미 우주에서 실제로 사용되고 있습니다. RTG 같은 원자력 전지를 이용해서 이온 플라즈마 로켓에 동력을 제공하는 방식은 구조도 단순하고 사고의 위험성도 적긴 하지만 추력이 너무 낮다는 문제점이 존재합니다. 

 코페르니쿠스 MTV에 최종적으로 어떤 설계가 적용될 지 아직은 결정된 바가 없지만 이를 어떤 방식으로 운용할지는 어느 정도 컨셉이 잡혀있습니다. 우선 여러 차례의 SLS 로켓 발사를 통해서 몇개의 부분으로 구성된 코페르니쿠스 MTV가 조립됩니다. 그리고 유인 버전에 앞서 탐사 및 기지 건설에 필요한 장비를 실은 무인 우주선이 화성을 향해 발사됩니다. 이후 인간이 탄 우주선이 화성으로 향하게 되는 것입니다. 그리고 물론 무사하게 귀환하게 됩니다. 



(화성 유인 탐사 컨셉. 출처 : NASA) 


 다만 이 계획은 핵추진 로켓에 대한 반대 여론을 무마시켜야 하는 것 이외에도 막대한 예산을 타내야 하는 어려움이 존재합니다. 아마도 이것이 기술적인 어려움보다 더 극복하기 쉽지 않은 일이 될 가능성이 높습니다. 

 나사는 꽤 실현 가능성이 있어 보이는 계획을 세심하게 준비했지만, 언제나 그렇듯이 예기치 않은 문제가 그들의 앞을 가로막을 수 있습니다. 특히 예산 문제가 그렇죠. 과연 나사가 핵추진 로켓을 쏘아올릴 수 있을지, 그리고 화성에 도달할 수 있을지 시간이 알려줄 것입니다. 

 참고 






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