기본 콘텐츠로 건너뛰기

다시 원자력 로켓의 개발에 뛰어든 나사

 

 미국이 원자력 추진 로켓을 개발하려 했던 것은 1950년대로 거슬러 올라갈 수 있습니다. 이와 같은 계획은 1960년대에 절정을 이뤘지만 리처드 닉슨 행정부 시절 나사의 예산이 극적으로 삭감을 당하면서 결국 1972년에서 1973년 사이 종말을 맞이하게 됩니다. 이 내용은 앞서 설명을 드린 바 있죠. 


  닉슨 행정부는 베트남전 및 미국 경제의 어려움으로 인해서 예산을 삭감할 수밖에 없었던 것이지만, 어쨌든 이와 같은 예산 삭감은 나사가 다음 목표로 생각했던 화성 유인 탐사를 좌절시키는 결과를 가져왔습니다. 

 본래 폰 브라운을 비롯해서 나사의 여러 엔지니어들은 핵추진 로켓 (nuclear thermal rocket/NTR 혹은 Nuclear Thermal Propulsion/NTP)을 차기 화성 유인 탐사의 핵심으로 생각했으나 이는 없던 일이 되고 말았습니다. 닉슨 행정부가 본래 진행 중이던 아폴로 계획까지만 진행하고 이후에는 예산을 주지 않았던 것이죠. 결국 인간 대신 로봇과 무인 탐사선이 태양계를 누비게 된 것은 닉슨의 공이 컸습니다.  

 이렇게 되자 화성 탐사를 위해 개발 중이던 핵추진 로켓 엔진들 - NERVA NRX/EST, NRX/XE 엔진 등 - 은 더 이상 의미가 없어졌습니다. 이들은 대부분 해체되어 역사의 뒷편으로 사라지게 됩니다. 이 일이 꽤 충격이었는지 나사는 훗날 자신들의 기록물에 핵추진 엔진이 종말을 맞이한 것은 닉슨 행정부가 예산을 급격히 줄였기 때문이라고 적어 놓습니다. (In the late 1960's and early 1970's, the Nixon Administration cut NASA and NERVA funding dramatically... Eventually NERVA lost its funding, and the project ended in 1973) 

 우리식으로 말하면 'OOO 행정부가 예산을 삭감해서 개발에 실패했다.' 라는 식으로 항우연에서 적어놓는 식인데, 아무리 미국이지만 꽤 직설적인 화법인 것 같습니다.  


(1967년 12월 1일 첫 번째 지상 테스트를 준비 중인 NERVA XE 엔진. 이 테스트에는 핵연료가 포함되지 않았기 때문에 엔지니어들이 근처에서 엔진을 검사 중에 있다. 1 December 1967: The first ground experimental nuclear rocket engine (XE) assembly, is shown here in "cold flow" configuration, as it makes a late evening arrival at Engine Test Stand No. 1 at the Nuclear Rocket Development Station, in Jackass Flats, Nevada. Credit : NASA)   

 아무튼 본론으로 다시 돌아와서 나사는 이제 다시 오리온 우주선과 SLS 를 이용해서 인간을 화성으로 보내려는 장기 계획을 들고 나왔습니다. 과연 화성에 성조기가 휘날리는 그날까지 안정적으로 예산을 타낼 수 있을지는 상당히 의문이지만 계획이 있다는 것은 분명하죠. 그런데 40년만에 다시 화성에 가보려고 하니 역시 재래식 화학 로켓으로는 물리적 한계가 있다는 당연한 사실에 직면하게 됩니다. 

 물론 재래식 로켓으로도 얼마든지 화성 탐사는 가능합니다. 하지만 그러려면 엄청난 양의 연료를 우주로 발사해야 하고 이는 곧 엄청난 비용으로 이어집니다. 이미 17조 달러가 넘는 미 연방 부채를 생각하면 실현 가능성이 아무래도 떨어지는 이야기이기 때문에 나사는 다시 핵추진 로켓의 개발의 필요성을 느끼게 됩니다. 그리고 실제로 자신들의 계획 안에 핵추진 로켓을 끼워넣게 되죠. 


 그런데 새로운 원자력 로켓을 만들기 위해서는 사실 원점에서 다시 시작해야 하는 문제가 있습니다. 사실 네르바 계획을 포함 당시 나사와 다른 기관들이 만든 실험적인 엔진들은 20여개에 달하지만 그 중 어느것도 지금 사용할 수 있는 상태는 아닙니다. 일부는 남아있을지 모르지만 대부분은 방사성 폐기물로 처리되었겠죠. 설령 살아남았다손 치더라도 40년도 넘은 구세대의 유물을 다시 재활용하고 싶을 생각은 누구도 하지 않을 것입니다. 

 따라서 나사는 새로운 핵추진 로켓 개발을 위한 예산을 신청했는데 FY12-14 에 실제로 예산을 타내는데 성공합니다. Nuclear Cryogenic Propulsion Stage (NCPS)라고 명명된 이 프로젝트는 25,000 lb (100 kN)급 열핵추진 로켓을 개발하는 것이었습니다. 물론 40-50년전 기술에 비해서 현재 기술이 월등히 뛰어나기 때문에 새롭게 엔진을 개발하는 것도 있습니다. 새로운 엔진은 네르바/로버와 그 친구들에 비해서 더 뛰어난 능력을 지니게 될 것입니다. 다만 네르바 시절의 노하우를 일부 가져오게 될 것이라고 합니다. 

 나사는 새로운 핵추진 로켓을 개발하기 위해서 NTREES (Nuclear Thermal Rocket Element Environmental Simulator)라는 시설을 건설했습니다. 이곳에서 이산화우라늄(UO2) 60%와 텅스텐 합금 40%로 구성된 서멧(cermet: 세라믹과 금속 복합물질)으로 된 연료 시스템을 테스트 중에 있습니다. 


(The NTREES primary chamber and diagnostic equipment (Photo: NASA)) 


(NTREES (Nuclear Thermal Rocket Element Environmental Simulator) in operation (Photo: NASA))


(Mike Houts, left, project manager for nuclear systems at the Marshall Center, discusses upcoming testing with Bill Emrich, who manages Marshall's Nuclear Thermal Rocket Element Environmental Simulator, or NTREES (Photo: NASA)) 


(Cross-section of an experimental fuel rod design for the Nuclear Cryogenic Propulsion Stage (NCPS) (Photo: NASA))

 새로운 연료봉은 내부로 액체 수소를 흘려보내기 위한 작은 구멍들을 가지고 있습니다. 위의 사진에서 보듯이 수많은 구멍들이 있는데 각각의 지름은 2mm 에 불과합니다. 분열 중인 핵연료 안으로 액체 수소를 흘려보내면 이 액체 수소들은 2750K까지 가열되어 분사되는데 엄청난 열에너지 덕분에 그 속도는 화학 로켓 분사보다 훨씬 빠른 10km/s 이상에 달합니다. 압력도 평방 인치당 1000파운드 정도입니다. 덕분에 기존 화학 로켓대비 절반의 연료로도 같은 목적을 달성할 수 있다고 합니다. 

 물론 안전성에 대한 주의는 아무리 강조를 해도 지나치지 않을 것입니다. 연구팀은 이 부분에도 많은 주의를 하고 있는데, 연료 겸 냉각제인 수소가 떨어지면 노심 융해(meltdown)가 일어나기 쉽상인 로켓이라 각별한 주의가 필요하죠. 

 NCPS는 시작입니다. 앞으로 10-12년에 걸쳐 지속적인 개발을 통해서 대형 로켓 엔진을 개발하지 못하면 2033년에 인간의 화성 착륙은 꿈같은 이야기라고 할 수 있습니다. 자칫 잘못하면 이번에도 화성땅에 성조기를 휘날리지 못하게 되는 것이죠. (그리고 자꾸 시간이 늦어지다가 나사 입장에서는 악몽같은 이야기지만 오성홍기가 대신 휘날릴수도 있는 것입니다.)   

 이전에는 예산 때문에 화성 탐사가 취소되었고, 그래서 엔진 개발은 중단되었습니다. 과연 이번에는 중단되지 않고 진행될 수 있을까요? 누구도 장담할 수 없는 일이지만 아무튼 예산 말고도 핵추진 엔진에 대한 반대 여론도 무마시켜야 하기 때문에 쉬운 일은 아닐 것입니다.

 그리고 마지막으로 사족을 하나 더 달아야 하겠네요. 중간에 이전 네르바 계획 시절의 엔진은 대부분 해체되었을 것이라고 했는데 일부는 아직 살아남아 있습니다. 아래 사진이 증거입니다. 


(On the left, the Kiwi-A nuclear rocket engine, on the right the Phoebus 1 (Photo: Los Alamos National Laboratory)) 

 실물이 아직 남아있었다니 정말 의외네요. 


 참고 






댓글

이 블로그의 인기 게시물

세상에서 가장 큰 벌

( Wallace's giant bee, the largest known bee species in the world, is four times larger than a European honeybee(Credit: Clay Bolt) ) (Photographer Clay Bolt snaps some of the first-ever shots of Wallace's giant bee in the wild(Credit: Simon Robson)  월리스의 거대 벌 (Wallace’s giant bee)로 알려진 Megachile pluto는 매우 거대한 인도네시아 벌로 세상에서 가장 거대한 말벌과도 경쟁할 수 있는 크기를 지니고 있습니다. 암컷의 경우 몸길이 3.8cm, 날개너비 6.35cm으로 알려진 벌 가운데 가장 거대하지만 수컷의 경우 이보다 작아서 몸길이가 2.3cm 정도입니다. 아무튼 일반 꿀벌의 4배가 넘는 몸길이를 지닌 거대 벌이라고 할 수 있습니다.   메가칠레는 1981년 몇 개의 표본이 발견된 이후 지금까지 추가 발견이 되지 않아 멸종되었다고 보는 과학자들도 있었습니다. 2018년에 eBay에 표본이 나왔지만, 언제 잡힌 것인지는 알 수 없었습니다. 사실 이 벌은 1858년 처음 발견된 이후 1981년에야 다시 발견되었을 만큼 찾기 어려운 희귀종입니다. 그런데 시드니 대학과 국제 야생 동물 보호 협회 (Global Wildlife Conservation)의 연구팀이 오랜 수색 끝에 2019년 인도네시아의 오지에서 메가칠레 암컷을 야생 상태에서 발견하는데 성공했습니다.   메가칠레 암컷은 특이하게도 살아있는 흰개미 둥지가 있는 나무에 둥지를 만들고 살아갑니다. 이들의 거대한 턱은 나무의 수지를 모아 둥지를 짓는데 유리합니다. 하지만 워낙 희귀종이라 이들의 생태에 대해서는 거의 알려진 바가 없습니다.  (동영상)...

몸에 철이 많으면 조기 사망 위험도가 높다?

 철분은 인체에 반드시 필요한 미량 원소입니다. 헤모글로빈에 필수적인 물질이기 때문에 철분 부족은 흔히 빈혈을 부르며 반대로 피를 자꾸 잃는 경우에는 철분 부족 현상이 발생합니다. 하지만 철분 수치가 높다는 것은 반드시 좋은 의미는 아닙니다. 모든 일에는 적당한 수준이 있게 마련이고 철 역시 너무 많으면 여러 가지 질병을 일으킬 수 있습니다. 철 대사에 문제가 생겨 철이 과다하게 축적되는 혈색소증 ( haemochromatosis ) 같은 드문 경우가 아니라도 과도한 철분 섭취나 수혈로 인한 철분 과잉은 건강에 문제를 일으킬 수 있습니다. 하지만 높은 철 농도가 수명에 미치는 영향에 대해서는 잘 알려지지 않았습니다.   하버드 대학의 이야스 다글라스( Iyas Daghlas )와 임페리얼 칼리지 런던의 데펜더 길 ( Dipender Gill )은 체내 철 함유량에 영향을 미치는 유전적 변이와 수명의 관계를 조사했습니다. 연구팀은 48972명의 유전 정보와 혈중 철분 농도, 그리고 기대 수명의 60/90%에서 생존 확률을 조사했습니다. 그 결과 유전자로 예측한 혈중 철분 농도가 증가할수록 오래 생존할 가능성이 낮은 것으로 나타났습니다. 이것이 유전자 자체 때문인지 아니면 높은 혈중/체내 철 농도 때문인지는 명확하지 않지만, 높은 혈중 철 농도가 꼭 좋은 뜻이 아니라는 것을 시사하는 결과입니다.   연구팀은 이 데이터를 근거로 건강한 사람이 영양제나 종합 비타민제를 통해 과도한 철분을 섭취할 이유는 없다고 주장했습니다. 어쩌면 높은 철 농도가 조기 사망 위험도를 높일지도 모르기 때문입니다. 그러나 임산부나 빈혈 환자 등 진짜 철분이 필요한 사람들까지 철분 섭취를 꺼릴 필요가 없다는 점도 강조했습니다. 연구 내용은 정상보다 높은 혈중 철농도가 오래 유지되는 경우를 가정한 것으로 본래 철분 부족이 있는 사람을 대상으로 한 것이 아니기 때문입니다. 낮은 철분 농도와 빈혈이 건강에 미치는 악영향은 이미 잘 알려져 있기 때문에 철...

사막에서 식물을 재배하는 온실 Ecodome

 지구 기후가 변해가면서 일부 지역에서는 비가 더 많이 내리지만 반대로 비가 적게 내리는 지역도 생기고 있습니다. 일부 아프리카 개도국에서는 이에 더해서 인구 증가로 인해 식량과 물이 모두 크게 부족한 현상이 지속되고 있습니다. 이를 해결하기 위한 여러 가지 아이디어들이 나오고 있는데, 그 중 하나가 사막 온실입니다.   사막에 온실을 건설한다는 아이디어는 이상해 보이지만, 실제로는 다양한 사막 온실이 식물재배를 위해서 시도되고 있습니다. 사막 온실의 아이디어는 낮과 밤의 일교차가 큰 사막 환경에서 작물을 재배함과 동시에 물이 증발해서 사라지는 것을 막는데 그 중요한 이유가 있습니다.   사막화가 진행 중인 에티오피아의 곤다르 대학( University of Gondar's Faculty of Agriculture )의 연구자들은 사막 온실과 이슬을 모으는 장치를 결합한 독특한 사막 온실을 공개했습니다. 이들은 이를 에코돔( Ecodome )이라고 명명했는데, 아직 프로토타입을 건설한 것은 아니지만 그 컨셉을 공개하고 개발에 착수했다고 합니다.   원리는 간단합니다. 사막에 건설된 온실안에서 작물을 키움니다. 이 작물은 광합성을 하면서 수증기를 밖으로 내보네게 되지만, 온실 때문에 이 수증기를 달아나지 못하고 갖히게 됩니다. 밤이 되면 이 수증기는 다시 응결됩니다. 그리고 동시에 에코돔의 가장 위에 있는 부분이 열리면서 여기로 찬 공기가 들어와 외부 공기에 있는 수증기가 응결되어 에코돔 내부로 들어옵니다. 그렇게 얻은 물은 식수는 물론 식물 재배 모두에 사용 가능합니다.  (에코돔의 컨셉.  출처 : Roots Up)   (동영상)   이 컨셉은 마치 사막 온실과 이슬을 모으는 담수 장치를 합쳐놓은 것이라고 말할 수 있습니다. 물론 실제로도 잘 작동할지는 직접 테스트를 해봐야 알 수...