(MIT 우주 추진 연구소에서 제작한 4개의 전기분무 비행 추진기 Credit: Amelia Bruno - MIT)
현재 우주선이나 인공위성에 사용되는 로켓은 크게 두 가지입니다. 첫 번째는 일반적인 화학 로켓이고 두 번째 이온 플라스마 엔진을 사용하는 경우입니다. 전자는 순간적으로 강한 추력을 낼 수 있지만 , 대신 효율이 낮습니다. 후자는 효율이 높은 대신 추력이 매우 약해 몇 개월에 걸쳐 가속할 때 유리합니다.
MIT 엔지니어들은 이 두 가지 로켓 엔진의 장점을 한 번에 누릴 수 있는 소형 위성용 하이브리드 추진 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 특징은 동일한 연료를 사용해 화학 로켓의 강력한 추진력과 전기 추진기의 장거리 효율성 두 가지 장점을 소형 큐브셋에서도 한 번에 누릴 수 있다는 것입니다.
소형 큐브셋인 신발 상자 정도로 작기 때문에 이 안에 두 가지 형태의 추진체를 탑재한다는 것은 공간 낭비가 심할 수밖에 없습니다. MIT 연구팀은 미 공군 주도하에 개발 중인 차세대 로켓 연료인 ASCENT (Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic propellant)에 주목했습니다. ASCENT는 기존의 로켓 추진체인 하이드라진을 대체하기 위해 개발됐습니다.
하이드라진은 산화제 없이도 연소가 가능하고 상온에서 장기간 쉽게 보관할 수 있어 지금까지 인공위성이나 행성 탐사선 등에 널리 사용되어 왔습니다. 하지만 독성이 있디는 큰 단점이 있어 새로운 추진체 개발이 진행됐습니다.
ASCENT는 하이드라진처럼 산화제 없이 연소가 가능한 추친체로 어는점이 영하 80도로 낮고 연료 밀도 역시 50% 정도 높으면서 무독성 연료라 하이드라진을 대체할 강력한 후보로 떠오르고 있습니다. 하지만 연구팀은 이 연료가 이온성이라는 점에 주목했습니다. 이온 로켓 연료로 사용할 수 있는 특징이기 때문입니다.
이온성 액체는 본질적으로 우주 진공 상태에서도 액체 상태를 유지하는 염으로, 이러한 특성을 가진 물질은 극히 드뭅니다. 이러한 안정성 덕분에 이온성 액체는 전기장을 가해 이온에 전하를 부여하고, 이를 미세한 제트 형태로 분사하여 추진력을 발생시키는 이온 추진기에 매우 적합합니다. MIT 항공우주 연구소는 파울로 로자노 교수의 지도 하에 (MIT's AeroAstro lab, led by Professor Paulo Lozano) 10년 넘게 바로 이런 종류의 추진기를 개발하고 개선해 왔습니다.
이번 연구에서 연구팀은 큐브샛에 장착된 전기 추진기에 연결된 소형 탱크에 ASCENT 1g을 넣었습니다. 이 초소형 위성을 자기부상 플랫폼(우주의 무중력 상태를 모방한 자기부상 트랙, 사진 참조)에 올려놓고, 다양한 전압 수준으로 원격 조종하여 큐브셋이 마치 슬로우 모션 팽이처럼 회전하는 모습을 관찰했습니다.
이번 테스트에서 ASCENT는 40~65 마이크로뉴턴/와트(mN/W)의 추력 대 출력비, 600초의 비추력(specific impulse, 추진제 효율을 측정하는 표준 지표), 그리고 15%의 전체 효율을 달성했습니다. 추진기는 눈에 띄는 성능 저하 없이 최대 167시간 동안 연속 작동했습니다.
ASCENT는 루나 플래시라이트 같은 나사 탐사 임무에서 우주 추진체로 사용할 수 있다는 것을 이미 증명했기 때문에 앞으로 남은 과제는 전기 이온 추진기로 우주에서 장시간 비행할 수 있는지를 검증하는 것입니다. 만약 가능하다면 소형 큐브셋으로도 화성 탐사가 가능해질 수 있습니다. 앞으로 연구 결과를 기대합니다.
참고
https://newatlas.com/space-systems/mit-thruster-ascent-cubesat-propulsion/
https://news.mit.edu/2026/new-propulsion-system-could-make-tiny-satellites-fast-fuel-efficient-0601
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