기본 콘텐츠로 건너뛰기

에너지 효율을 높인 무선 주파수 추진 방식 이온 엔진



 (The magnetic nozzle rf plasma thruster operated in a Mega hpt vacuum chamber at Tohoku University. Credit: Kazunori Takahashi)

고에너지의 이온 플라스마 입자를 이용한 이온 추진 엔진은 이미 몇몇 우주선에서 사용되었습니다. 이온 추진 엔진은 기존의 화학 엔진보다 훨씬 높은 에너지로 입자를 내보내기 때문에 같은 가속도를 얻기 위한 연료의 양이 절반 이하로 작다는 점이 큰 장점입니다. 단점은 낮은 추력으로 인해 꾸준한 가속이 필요하다는 것입니다. 추력이 낮기 때문에 이착륙처럼 순간적으로 큰 힘이 필요하거나 혹은 대형 우주선처럼 질량이 큰 물제를 가속하는데는 적합하지 않다는 것도 단점입니다.

현재 주로 사용되는 홀 추진기나 다른 이온 엔진의 또 다른 단점은 전자기력을 이온에 의한 추진력으로 바꾸기 위해 전극이 필요하다는 것입니다. 이 전극이 몇 년 동안 작동을 해야 보니 결국 고에너지 이온 입자에 의해 전극의 열화가 일어나 수명에 한계가 있습니다. 이 문제는 출력을 높일수록 더 심해지기 때문에 결국 더 고출력의 이온 엔진을 만들기 힘들어집니다.

일본 도호쿠 대학의 연구팀은 기존의 이온 플라스마 엔진의 대안으로 여겨지는 무선주파수 (radiofrequency)를 이용한 무전극 플라스마 추진기 (electrodeless plasma thruster)를 연구했습니다. 그러나 이 방법은 추력이 홀 추진기보다도 낮고 에너지 전환 효율도 20% 대로 낮은 편입니다.

연구팀이 개발한 새로운 무선주파수 에너지 전송 기술은 실린더 내에 아르곤 분자를 고에너지 플라스마 입자로 바꾼 후 노즐로 분사할 수 있습니다. 이번 연구에서는 에너지 전환 효율을 30%까지 높여 실용화 가능성을 더 높였습니다. 고온의 플라스마에 계속 노출되는 전극 대신 좀 떨어져 있는 안테나를 사용하기 때문에 수명이 더 길고 출력을 높여도 손상이 크지 않다는 점이 이 기술의 장점입니다.

하지만 가장 큰 장점은 구하기 힘들고 비싼 기체인 제논 (크세논) 대신 지구 대기의 1%를 차지하는 아르곤을 사용한다는 점입니다. 아르곤은 매우 구하기 쉬운 불활성 기체이기 때문에 우주선 연료로 대량 채취가 가능합니다. 앞으로 이 기술의 상용화가 기대됩니다.

참고

https://phys.org/news/2022-11-electrodeless-plasma-thrusters-space-propulsion.html

Kazunori Takahashi, Thirty percent conversion efficiency from radiofrequency power to thrust energy in a magnetic nozzle plasma thruster, Scientific Reports (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-22789-7

댓글

이 블로그의 인기 게시물

100 테슬라급 자기장 도달

 미국의 로스 알라모스 국립 연구소 (Los Alamos National Laboratory) 에서 과학자들이 지금까지 인간이 개발한 가장 강력한 자기장을 발생시키는 장치 개발에 도전하고 있습니다. 자기장의 세기를 나타내는 방법으로 자기력선의 밀도를 나타내기 위해 단위 면적당 자기력선의 수를 표시하는 단위인 테슬라 (T) 가 있습니다. (1T = 1Wb/㎡  웨버 (Wb) 는 자속의 단위)   의료용으로 사용되는 초전도체를 이용한 MRI 의 경우 1.5 - 3 테슬라급의 강력한 자기장으로 인체 내부를 볼 수 있게 만들지만 과학 연구용으로 이보다 더 강력한 자기장이 필요할 수 있습니다. 최근에 등장한 90 테슬라급 자기장에 이어 이번에 로스 알라모스 국립 연구소에서는 100 테슬라급인 100.75 T 를 실현 했다고 합니다.   이를 구현한 것은 18000 파운드 (8.16 톤 정도) 의 코일과 여기에 에너지를 공급할 1200 메가줄 (Megajoule) 급 모터 제네레이터등의 설비입니다.  (   The 1,200-megajoule motor generator that powers the magnetic pulse.  )  이와 같은 연구를 통해 알아내고자 하는 것은  Quantum Phase transitions and new ultra high field magnetic states Electronic Structure determination Topologically protected states of matter  로 요약할 수 있다고 합니다.   아무튼 수 T 급 MRI 만 해도 자기장의 힘이 엄청난데 100 T 라니 엄청난 자기장이네요. 이는 지구 자기장 세기보다 200만배 강력한 (물론 좁은 범위에서 작용하는 자기장이라 지구 전체...

고대 양서류 이야기 (2) - 악어를 닮은 거대 양서류들

  페름기에는 다양한 양막류가 진화해서 앞서 소개한 육상형 템노스폰딜리는 점차 설 자리를 잃게 됩니다. 하지만 양서류는 본래 자신의 서식지인 물과 습지에서 여전히 번성을 누렸습니다. 당시에는 악어류 같은 대형 양서형 파충류도 없던 시절이었기 때문에 이와 비슷한 생태학적 지위는 여전히 양서류의 몫이었습니다. 이들에 대한 이야기는 제 책인 포식자에서 비교적 간단히 다뤘는데, 오늘은 여기에 대한 보충 설명입니다.  책 정보:  http://book.naver.com/bookdb/book_detail.nhn?bid=13347200 Yes 24:  http://www.yes24.com/24/goods/58772859 11번가:  http://books.11st.co.kr/product/SellerProductDetail.tmall?method=getSellerProductDetail&prdNo=1977867160 알라딘:  http://www.aladin.co.kr/shop/wproduct.aspx?ItemId=134877825 교보문고:  http://www.kyobobook.co.kr/product/detailViewKor.laf?ejkGb=KOR&mallGb=KOR&barcode=9788970447988&orderClick=LAG&Kc= 인터파크 :  http://book.interpark.com/product/BookDisplay.do?_method=detail&sc.prdNo=279593764&sc.saNo=003002003&bid1=search_auto&bid2=detail&bid3=prd_img&bid4=001 영풍문고:  http://www.ypbooks.co.kr/book.yp?bookcd=100843205&gubun=NV ...

이빨이 다시 진화한 개구리

  ( CT scans of Gastrotheca guentheri skulls revealed what appeared to be identical rows of teeth on both the upper and lower jaws, which researchers later confirmed through dissection. Credit: Florida Museum/Daniel Paluh )  개구리는 2억년 전 진화 과정에서 이빨을 잃어버리고 큰 턱과 혀를 이용해 곤충 같은 작은 먹이를 잡아 먹는 방향으로 진화했습니다. 파충류나 포유류 같은 다른 사지류와의 경쟁에서 밀려 양서류가 쇠퇴하고 멸종하던 시기에도 개구리는 여전히 생존할 수 있었던 비결입니다.   이빨이 없는 덕분에 큰 혀를 발사하기 편해졌을지는 모르지만, 이빨이 없으면 종종 불편할 때가 있습니다. 씹는 대신 삼키기 때문에 음식을 씹을 수 없다는 점은 문제되지 않지만, 필사적으로 달아나려는 먹이를 잡기 힘들기 때문입니다. 이런 이유 때문에 일부 개구리는 이빨 같이 보이는 엄니 (fang)을 지니고 있으나 이는 사라진 이빨이 다시 난 것이 아니라 다른 부분이 진화한 것입니다.   이는 돌로의 법칙 ( Dollo's Law )으로 알려져 있습니다. 진화 과정에서 퇴화한 부분이 다시 생겨나지 않으며 대신 필요하면 다른 부분이 진화해 그 역할을 대신한다는 것입니다. 예를 들어 아가미가 사라진 사지 동물은 다시 물에 들어온다고 해도 아가미가 다시 생기진 않습니다. 대신 고래처럼 폐가 커져서 그 기능을 대신하게 됩니다.   하지만 모든 법칙엔 예외가 있기 마련입니다. 남미에서 발견된 멸종 위기 개구리 중 하나인 구엔터 유대류 개구리 ( Gastrotheca guentheri, Guenther's marsupial frog, dentate marsupial frog)는 완전한 형태의 이빨을 지니고 있습니다. 참고로 유대류 개구리라는 명칭은...