화성 탐사를 위해 미국이 개발한 차세대 플라즈마 엔진에 많은 관심이 모였다. 기존 우주선 대비 추력을 비약적으로 끌어올린 이 엔진은 최근 브라질 대학 연구팀이 지구-화성 이동 시 활용 가능한 최단 루트를 알아낸 뒤 더욱 시선을 끌었다.
미 항공우주국(NASA)이 개발 중인 플라즈마 엔진은 지난 2월 테스트에서 최고 추력 120kW(킬로와트)를 찍었다. 실제 유인 화성 탐사를 목표로 하는 이 엔진은 미국이 지금껏 개발한 우주선 엔진 중 최고 추력을 기록했다.
전자기력으로 플라즈마를 가속, 추력을 얻는 이 엔진은 NASA가 60년 넘게 개발해 온 MPD 스러스터 기술(Magnetoplasmadynamic thruster technology)의 결과물이다. 추력이 높은 데다 연료를 쓰는 기존 엔진 대비 추진제를 90%까지 줄일 수 있다.
재러드 아이작먼(43) NASA 국장은 “현존하는 로켓으로 화성에 가기는 한계가 있다. 지구와 화성의 거리는 위치 관계에 따라 변하며, 가장 가까워져도 수천만 ㎞에 달한다”며 “연료 연소에 의한 폭발력으로 추력을 얻는 기존 엔진으로 화성에 가려면 시간도 문제지만 막대한 양의 추진제가 필요하다”고 말했다.
지금의 로켓이나 우주선은 발사 시 무게의 대부분을 연료가 차지한다. 비행사나 물자를 운반할 여유가 줄어들 수밖에 없다. 이에 NASA가 오랫동안 주목해 온 것은 연료 소비를 크게 줄이는 전기 추진 기술이다. 한 번에 만들어내는 추력은 작고, 시간을 두고 서서히 가속하는 방식이지만 장거리 우주 탐사에 매우 타당한 접근법이다.
NASA는 소형 탐사선 사이키(프시케)에 이미 전기 추진 시스템을 적용했다. 2023년 발사된 사이키는 우주 공간에서 천천히 가속하면서 최종적으로 시속 약 20만㎞를 내고 있다.
MPD 스러스터는 1960년대부터 연구됐다. 리튬을 고온에서 증발시켜 플라즈마(초고온으로 전자가 원자와 분리된 전리 가스 상태)로 만든다. 여기에 강력한 전류를 흘리면 주변 자기장과 사이에 에너지가 발생해 플라즈마가 격렬하게 분출된다. 이 반동이 우주선을 앞으로 밀어내는 추진력이 된다. 전류와 자기장이 결합해 힘이 발생하는 원리는 모터 회전과 동일하다.
NASA는 MPD 스러스터를 향후 소형 원자로와 결합할 계획이다. 태양에서 멀리 떨어진 우주 공간에서도 안정적으로 높은 추력을 유지할 수 있어 장거리·장기간 우주 탐사에 적합해서다. 추진제로 사용하는 리튬은 가볍고 높은 효율을 기대할 수 있어, 화성 탐사의 유력한 추진제 후보로 꼽힌다.
과제도 있지만 전망은 밝은 편이다. 지난 2월 24일, NASA 제트추진연구소(JPL) 전기 추진 연구소에서 이뤄진 MPD 스러스터 프로토타입의 점화 시험이 성공했다. 전체 길이가 약 8m인 수랭식 챔버 내부를 우주 공간에 가까운 진공 상태로 유지한 상태에서 총 5회 점화했는데, 무려 최대 120kW 추력을 달성했다.
시험 가동을 담당한 MPD 스러스터 책임자 제임스 포크 박사는 “스러스터가 정상 작동한 것은 물론, 목표 추력을 무난하게 달성했다”며 “실험에서 찍힌 숫자는 사이키가 탑재한 엔진보다 추력이 25배나 높다”고 의미를 부여했다.
이어 “플라즈마 엔진은 우주선의 유효 적재량을 크게 확보할 수 있어 유인 탐사에 상당히 유리하다”며 “120kW는 첫걸음일 뿐이다. 실제 유인 화성 탐사에 필요한 플라즈마 엔진의 추력은 2~4MW(메가와트)이기에, 몇 년 안에 스러스터 1대당 500kW에서 1MW로 출력을 높여야 한다”고 강조했다.
MPD 스러스터 기술의 가장 큰 기술적 과제는 내구성이다. 2800℃를 초과하는 고온에서 장시간 가동해야 하므로, 부품이 열에 견디는지 검증해야 한다. 현재 미국 프린스턴대학교와 MPD 스러스터 기술을 고도화 중인 NASA는 보다 많은 연구팀과 협력 가능성도 열어놓았다.
정이안 기자 anglee@sputnik.kr
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