고온의 플라즈마를 로켓 추진 연료로 활용하는 연구가 이뤄지고 있다. (사진=123RF)

우주에 대한 인류의 집념은 기존의 로켓보다 훨씬 빠른 신개념의 로켓  개발로 향하고 있다.

21세기 들어 화석연료, 수자원, 광물 등 지구의 부존 자원이 급격히 감소하는 가운데 기후변화에 의한 기상 재앙의 증가는 더 이상 지구가 인류의 영원한 안식처란 사실에 의문을 품게 하고 있다.

이는 심해나 극지 또는 우주로 이주하는 인간의 모습이 결코 SF 영화 속에서의 스토리가 아니라 현실의 문제라는 인식을 갖게 해준다. 실제로 과학자들은 미지의 세계로의 이주를 인류의 당면과제로 여기고 이에 대한 연구를 현재 진행하고 있으며 그 중 우주는 가장 적합한 곳으로 평가받고 있다．　

그러나, 우주 역시 지구와는 판이하게 다른 무한 진공, 무중력 상태로 이뤄져 있고, 사람이 숨을 쉴 대기조차 존재하지 않는 극한 환경이다. 무엇보다도 인류가 정착할 장소를 찾아가려면 지금의 로켓 엔진으로는 불가능한 거리다．　

그럼에도 불구하고, 우주를 향한 인류의 도전은 기존의 로켓 엔진보다 훨씬 강한 신개념의 로켓엔진 개발에 다가서고 있다. 기존의 화석연료를 기반으로 한 연료가 아닌 신개념의 연료를 사용하는 차세대 로켓 엔진들이 현재 연구되고 있는 가운데 플라즈마, 핵융합, 메탄 등은 가장 근접한 후보로 꼽히는 물질들이다.

화성까지 두 달밖에 안걸려

미 항공우주국(NASA)이 두 달 안에 인간을 화성에 보낼 수 있는 차세대 로켓 추진 시스템 개발에 나섰다고 IT매체 기즈모도가 지난 8일 보도했다.

최근 NASA에 따르면‘NASA 혁신 진보 개념 연구(NIAC)’프로그램에 총 6개 프로젝트를 선정했고, 이중 핵추진 로켓 프로그램이 포함돼있다는 것이다.

바시미르 플라즈마 엔진을 사용하는 우주선 로켓의 모습. (사진=위키피디아)

화성은 지구 이외의 외계 생명체를 찾는 인류에게 가장 현실적인 장소다. 나사는 벌써 화성에 무인탐사선 퍼시비어런스를 보내 화성을 탐험했고, 물의 흔적을 발견했다고 밝힌 바 있다.

하지만, 이는 어디까지나 무인탐사선으로 수많은 사람들을 싣고 갈 수 없는 작은 우주선일뿐이다. 화성으로 가는 여정은 무수한 도전들을 안고 있는 험난한 길이다.

이에 NASA는 우주비행사와 탑재체를 효율적이고 신속하게 화성에 보낼 수 있는 기술을 개발하고 발전시키기 위해 적극적으로 노력해왔는데 화성에 도달하기 위한 첫 단계는 먼 행성을 오가는 거대한 화물을 신속하게 운송할 수 있는 추진 시스템을 만드는 것이다.

이에 개발되고 있는 것이 바로 펄스 플라즈마 로켓(PPR)이다. 미국에 본사를 둔 하우 인더스트리(Howe Industries)라는 스타트업이 기술개발을 맡고 있다.

이 회사에 따르면 이 신개념의 추진 시스템은 5,000초의 특정 임펄스(Isp)로 최대 100,000N(뉴턴)의 추력을 생산할 것이며, 이는 심우주 미션의 두 가지 주요 요구 사항을 충족한다는 것이다. 따라서 이 발사체는 미래의 심우주 미션에 유망한 후보가 될 수 있다.

펄스 플라즈마 로켓(PPR)이란? 우주선 추력을 발생시키기 위해 핵 에너지의 힘을 이용하는 로켓 엔진이다. PPR의 핵심에는 핵분열 기반 원자력 시스템이 사용되며, 이는 원자핵 분열을 제어해 얻는 에너지를 통해 로켓의 추진력을 얻는데 지구에서 화성까지의 편도 여행을 최소 9개월 정도로 예상하고 있다.

1분에 4,000파운드 이상 추력

지난해 12월 20일 나사(NASA)는 회전 폭발 로켓 엔진(Rotating Detonation Rocket Engine, RDRE)이라고 불리는 혁신적인 추진 시스템을 개발하고 있다고 밝혔다.

나사에 따르면 미국 앨라배마州 헌츠빌에 있는 나사의 마셜 우주 비행 센터의 공학자들은 5,800 파운드 이상의 추력을 생산하면서, 251초(또는 4분 이상) 동안 3D 프린터로 인쇄된 새로운 RDRE엔진을 최근에 성공적으로 테스트했다.

더 강력한 로켓에 대한 열망은 화성까지 두 달 걸리는 로켓 개발로 향하고 있다. (사진=123RF)

이 추진 로켓의 지속적인 연소는 달에서 화성까지 우주선을 착륙시킬 수 있는 착륙선 터치다운 또는 심우주 연소에 대한 일반적인 요구 사항을 모방한 것이라고 이 센터의 RDRE 시험 작업을 이끄는 마샬 연소 장치 엔지니어 토마스 티슬리(Thomas Teasley)는 말했다.

지난 2022년 여름에 인디애나州 라파예트에 위치한 인스페이스 LLC 및 퍼듀 대학과 협력해 마셜 센터에서 RDRE의 첫 번째 열기구 시험이 이뤄졌다.

그 결과, 이 새로운 추진 시스템은 거의 1분 동안 4,000파운드 이상의 추력을 발생시켰다.

테슬리 박사는“이번 시험의 주요 목표는 연소기를 다양한 추력 등급으로 확장, 모든 유형의 엔진 시스템 지원, 착륙선에서 상단 엔진, 초음속 역추진, 화성 표면에 더 큰 탑재체 착륙 가능 여부 등의 다양한 임무 수행 가능성을 타진하는 것이었다”고 밝혔다.

가볍지만 강한 핵융합 로켓

지난해 7월 13일(현지 시각) 영국의 항공우주 스타트업‘펄사 퓨전’(Pulsar Fusion)이 지구와 화성 사이의 비행시간을 절반으로 줄일 수 있는 핵융합 로켓 엔진을 개발하고 있다고 IT 전문 매체 BGR이 보도했다.

로켓은 대기권을 넘어 공기가 없는 우주로 나가야 하기 때문에 산소와 케로신(등유) 등의 연료를 3단 로켓에 싣고 가야 한다. 그러나, 연료를 만재한 3단 로켓의 엄청난 무게로 인해 가장 핵심인 화물의 양을 줄여야 하는 단점이 있다.

이는 달 또는 화성 이상의 행성 탐사에는 매우 불리한 요소로 작용한다. 이에, 개발되고 있는 것이 핵 추진 로켓으로 이중 핵분열 방식은 원자로의 고열을 식히기 위해 방화벽을 두껍게 해야 하는 단점이 있어 이보다 훨씬 더 가벼운 핵융합 로켓이 주목받고 있다.

핵융합 로켓은 플라스마(Plasma)를 추진 연료로 하는데 플라스마란? 원자핵과 전자가 분리된 기체 상태로 제4의 물질로 불린다. 이는 핵융합 반응을 일으키며, 전기장과 자기장에 의한 제어가 가능해 쓰임새가 크다.

핵융합　반응　추진　로켓은　거대한 코일(전선 묶음)에 플라스마를 가둬서 고온의　열에너지를　만든　후 조금씩 분사 노즐로 흘려보내서 우주선 추진력으로 이용하는데　플라스마 가두기, 가벼운 방사능 차폐장치의 개발 등의　문제를　완전히　해결하면 머나먼 천왕성을 향한 여행도 기대해볼 수 있다.

조행만 기자 [chohang5@kakao.com]

출처 : 뉴스튜브(http://www.newstube.kr)