한국항공우주연구원

올 연말이면 전라남도 고흥군 외나로도에 위치한 나로우주센터에서 한국 첫 국내 위성발사가 이루어집니다. 100㎏급 과학위성이 한국과 러시아가 함께 만든 KSLV-1 로켓에 실려 우주로 발사됩니다.

KSLV-1 역시 화학연료를 연소시켜 추진력을 얻는 로켓입니다. 지구의 중력을 이겨내고 우주로 가기 위해서는 지표면에서 초속 11.2㎞라는 엄청난 속력을 유지해야 합니다. 또 특정한 행성을 향해 우주선이 날아갈 때도 화학연료를 태워 추진력을 얻습니다.

하지만 영국은 최근 유럽항공우주국(ESA)과 함께 새로운 형태의 동력원을 개발하고 있습니다. 전자추진시스템이라 불리는 '이온엔진(Ion engine)'이 주인공입니다.

이온 추진기는 전기적으로 전하를 띤 상태의 양이온을 뿜어내어 추진력을 얻습니다. 이미 1960년대에는 전자를 자기장에 가두어 놓은 후에 한꺼번에 이온화된 전자를 배출해 추진력을 얻는 '홀 추진기'가 개발되어 미국과 옛소련의 인공위성 제어에 사용됐지요.

하지만 최근 개발되고 있는 이온엔진을 이용한 추진기는 우주탐사선의 기본 추진동력을 만들어내는 엔진에 사용되고 있습니다. 이온엔진은 기본적으로 두 가지 시스템을 통해서 추진력을 얻습니다.

이온엔진은 제논가스를 이용하는데 제논가스는 기존 화학연료보다 훨씬 적은 양으로도 추진력을 낼 수 있기 때문에 연료 무게로 인한 적재 무게를 줄일 수 있습니다. 엔진도 화학연료 엔진의 무게에 비해 90%까지 줄일 수 있는 이점이 있지요. 특히 제논가스는 탐사선에 적재된 태양전지판으로부터 얻은 전기에 의해 이온화(전화를 띤 전자로 전환)될 수 있기 때문에 제논가스와 태양전지판의 두 가지 시스템 결합은 원거리 우주 여행을 가능하게 해줍니다.

물론 이온엔진에도 단점이 있습니다. 수십ｔ에 달하는 무거운 로켓을 처음 공중에 띄우기 위해서는 폭발적인 출력과 추진력이 필요합니다.

하지만 이온엔진은 날고 있는 비행체를 서서히 가속할 수는 있어도 갑자기 엄청난 힘을 내는 데는 적합하지 않습니다. 이런 이유로 인해 발사과정에서는 화학연료를 사용한 엔진을, 발사 후 장거리 비행에는 이온엔진을 사용해야 합니다.

예를 들어 달 탐사와 같이 매우 높은 가속력을 요구하는 임무에는 화학연료 엔진을 사용하는 것이 더 효율적일 수 있지만, 많은 에너지를 요구하는 소행성탐사 혜성탐사 태양계탐사 등에는 안정적이고 일정한 가속력을 낼 수 있는 이온엔진이 더 적절할 것으로 보입니다.

실제로 영국의 우주항공기업인 콰인티크사는 기존 이온 엔진보다 더 강력한 추진력을 얻을 수 있는 T5와 T6를 개발 중입니다. 이온엔진 개발에 참여하고 있는 공학자 닐 월리스에 의하면 T5와 T6를 사용하는 우주선이나 위성은 초당 50㎞까지 속력을 낼 수 있다고 합니다. 엄청난 속도지요.

그러나 엔진의 무게는 더욱 놀랍습니다. T5엔진은 무게가 3㎏에 불과하고 이온 엔진과 태양전지판을 통해 얻은 전기를 이용해 추진력을 얻습니다. 콰인티크사는 현재 우주공간과 가장 비슷한 환경의 진공방을 건설하고 섭씨 영하 235도까지 온도를 낮추어 이온엔진을 점검하고 있습니다.

이 엔진은 ESA의 고스 탐사선에 장착될 예정입니다. 이 탐사선은 지구 저궤도를 250㎞ 상공에서 지구를 관측하는 임무를 수행할 예정이지요. 보통 다른 인공위성이나 탐사선은 지구궤도를 600~800㎞ 상공에서 돌고 있지만 고스탐사선은 저궤도를 돌면서 지구 자기장의 미세한 변화를 측정해 그 지도를 작성하게 됩니다.

고스탐사선의 초저궤도에서의 지구 관측은 매우 민감한 측정을 필요로 하기 때문에 효율적이고 정밀한 고도통제 시스템이 필요합니다. 과학자들은 바로 이온엔진이 궤도 유지와 항력 통제에 이상적인 해결책이 될 것으로 보고 있습니다.

참고 : http://news.mk.co.kr/newsRead.php?sc=30000001&cm=헤드라인&year=2008&no=444966