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새로운 고성능 이온 엔진 개발






(Dr Patrick Neumann of the University of Sydney working on the experimental drive)


 현재 사용되는 화학 로켓의 원리는 사실 아폴로 시대에서 근본적으로 변한것은 없습니다. 수소 같은 연료를 산소 등과 반응시켜 작용 반작용의 원리로 추력을 내죠. 문제는 아주 짧은 시간 동안 연소가 끝나면 그 이후에는 필요없어진 연료탱크와 엔진만 남게 된다는 것입니다. 더구나 사실 연료에 비해 낼수 있는 속도는 우주여행을 하기에는 충분치 않습니다. 따라서 엔지니어들은 오랜세월 이를 극복하기 위한 연구를 해왔습니다. 


 이중에서 화학 로켓을 대체할 가장 유력한 후보는 바로 이온 로켓입니다. 전자기력을 이용해서 고속으로  이온입자를 발사하는 이온 로켓은 화학 로켓처럼 연소시 고온 고압을 견디지 않아도 되기 때문에 소형 경량화가 상대적으로 쉽고 추력은 적어도 꾸준히 가속하면 화학 로켓 대비 훨씬 빠른 속도를 구현할 수 있습니다. 


 다만 지구의 중력을 이겨낼 만한 강한힘을 낼수가 없어 주로는 인공위성의 자세제어 로켓이나 혹은 장거리 로켓의 엔진으로 사용되고 있습니다. 현재의 이온 로켓이 만드는 추력은 종이 한장 들어올리는 수준에 불과합니다.다만 저항이 거의 없는 우주 공간에서 계속 가속하면 아주 빠른 속도를 얻게 되는 것이죠.  


 나사가 개발한 High Power Electric Propulsion (HiPEP) 이온 엔진의 경우 현재 최고의 효율을 보이는 이온 엔진이기는 하지만 여러가지 단점도 가지고 있습니다. 그런데 호주의 과학자들이 이를 극복할 새로운 이온 엔진을 제안했습니다. 


  시드니 대학의 패트릭 뉴만 박사(Dr Patrick Neumann of the University of Sydney)와 그의 동료들은 새로운 디자인의 이온 엔진을 선보였습니다. 


 기존의 HiPEP 엔진은 제논 가스를 할효과(Hall effect)를 통해서 가속하는 방법을 사용합니다. 이 방식은 속이 빈 음극(hollow cathode)와 마이크로웨이브 전자 사이클론을 이용해서 40kW 급 엔진을 통해 최대 90,000m/s 의 속도를 낼수 있습니다. (우주선이 아니라 이온 입자의 속도가 그렇다는 의미)


 이번에 개발된 이온 엔진은 이와는 달리 금속 아크 용접기 같은 독특한 방식을 사용합니다. 금속 소재 - 마그네슘 ,티타늄, 알루미늄 등 - 에 전류를 흘려 음극으로 사용하면서 동시에 금속을 용접봉처럼 열을 가해 증발시키고 이온 상태로 만들게 됩니다. 그리고 이 증발된 입자가 원형의 양극과 자기장을 지나면서 이온으로 가속되어 방출되는 것입니다. 


 이 디자인이 가지는 장점은 분명합니다. 연료로써 보관이 까다로운 기체대신 금속 연료를 사용하는 것은 매우 유용한 특징입니다. 예를 들어 제논의 경우 끓는 점이 영하 108 도 입니다. 당연히 보관을 위해서는 특수한 연료탱크가 필요합니다. 그러나 마그네슘 합금의 경우에는 별다른 보관 용기가 필요 없습니다. 더 많은 연료를 쉽게 탑재하는 것은 물론 우주선의 무게를 크게 줄일 수 있습니다. 


 물론 실제로 우주에서 잘 작동하게 될지는 아직 장담할 순 없습니다. 하지만 가능하다면 여러모로 큰 응용의 가능성이 있습니다. 앞으로 미래는 장담할 순 없지만, (수많은 신기술이 가능성만 보여주고 저편으로 사라졌습니다) 어쩌면 꽤 흥미로운 이야기가 아닐 수 없습니다. 


 참고 






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