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화학 + 전기식 듀얼 모드 로켓 엔진



(University of Illinois at Urbana-Champaign associate professor Joshua Rovey, left, talks about electric propulsion system testing with AE graduate students Nick Rasmont and Matt Klosterman Credit: University of Illinois Department of Aerospace Engineering)


 현재 사용되는 우주 로켓 엔진은 크게 두 가지 방식으로 나눌 수 있습니다. 화학 로켓은 대부분의 로켓 엔진이 사용하는 방식으로 신뢰성이 높고 한 번에 강한 추력을 얻을 수 있지만, 효율이 낮아 연료를 많이 실어야 한다는 점이 큰 약점입니다.


 이온 엔진은 추력은 낮지만, 입자를 고속으로 가속해 분사하므로 화학 로켓 대비 절반 정도의 연료로 같은 가속도를 만들 수 있습니다. 따라서 과학자들은 화학 로켓에 견줄 만한 추력을 지닌 이온 로켓 엔진을 개발하거나 혹은 하나의 연료로 두 가지 모드로 작동할 수 있는 엔진과 연료를 연구하고 있습니다. 


 후자의 경우 아직 실제로 작동하는 엔진이 존재하지는 않지만, 일리노이 대학의 연구팀은 가능성 있는 대안을 제시했습니다. 연구팀은 현재 상업적으로 이용할 수 있는 질산 히드록실암모늄 (hydroxylammonium nitrate)과 emim ethylsulfate가 듀얼 모드 엔진 연료로 가능성이 있다고 주장했습니다. 


 이 연료로 화학 반응을 그렇다쳐도 과연 어떻게 전기 이온 추진이 가능할지 의문이 들 수 있는데, 연구팀이 제시한 대안은 전기 스프레이 (electrospray) 혹은 콜로이드 추진 (colloid propulsion)이라는 방법입니다. 간단히 말해 전하를 띤 작은 입자와 이온을 전기적으로 가속해 화학 반응보다 더 빠른 속도로 분하는 방식이라고 할 수 있습니다. 


 물론 아직은 초기 연구 단계이며 이 방식이 기존의 이온 로켓에 사용된 제논 가스 대비 얼마나 효과적일지는 아직 검증되지 않았습니다. 그래도 아이디어는 괜찮은 것 같습니다. 언제쯤 괜찮은 결과를 보여줄지 궁금합니다. 


 참고 


 Mitchell J. Wainwright et al, Hydroxylammonium Nitrate Species in a Monopropellant Electrospray Plume, Journal of Propulsion and Power (2019). DOI: 10.2514/1.B37471

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