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)

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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참고

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

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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