[고든 정의 TECH+] 수성 탐사선 베피콜롬보의 비밀…이온 로켓 엔진

인류 최초로 수성의 궤도를 공전하며 많은 비밀을 밝힌 나사의 메신저 탐사선은 2015년 연료가 고갈되어 4년간의 임무를 마치고 퇴역했습니다. 그리고 그다음 탐사 임무를 수행하기 위해 유럽과 일본의 합작 우주선인 베피콜롭보 (BepiColombo)가 발사됐습니다.

베피콜롬보는 수성 행성 궤도선 Mercury Planetary Orbiter (MPO)와 수성 자기장 궤도선 Mio (Mercury Magnetospheric Orbiter, MMO)의 두 탐사선으로 구성된 대형 우주선으로 발사 중량이 1t이 약간 넘는 메신저의 4배인 4.1t에 달하는 대형 우주선입니다. 물론 메신저보다 훨씬 많은 탐사 장비를 탑재했기 때문인데, 이런 무거운 우주선을 머나먼 수성까지 보내기 위한 특별한 신기술이 담겨 있습니다. 바로 T6 이온 추진 (ion thruster) 로켓 엔진입니다.

선배인 메신저와 비슷하게 베피콜롬보는 여러 차례 행성 플라이바이(flyby)를 통해 속도를 늦춰 수성 궤도로 진입합니다. 태양을 기준으로 지구 궤도에서 수성 궤도로 진입하는 것은 그만큼 위치 에너지를 잃는 것이기 때문입니다.

하지만 이를 모두 로켓 연료로 감당하기는 어렵기 때문에 행성을 이용해 우주선을 가속하거나 감속하는데 이것이 바로 플라이바이입니다. 베피콜롬보는 크기가 큰 만큼 지구에서 한 번, 금성에서 두 번, 수성에서 6번의 플라이바이가 필요합니다.

그런데 플라이바이 역시 궤도 수정을 위해 연료가 필요한 데다 너무 늦지 않게 수성에 도달하기 위해서는 더 속도를 조절해야 할 필요가 있습니다. 더구나 수성 궤도에 진입한 후에도 여전히 궤도를 유지하기 위해서 로켓 엔진이 필요합니다.

그래서 과학자들은 베피콜롬보에 4개의 T6 이온 엔진을 탑재했습니다. 기존의 화학 로켓 엔진에 비해 이온 로켓 엔진은 절반 이하의 연료만으로도 같은 속도를 얻을 수 있습니다. 비결은 플라스마 상태의 이온을 초속 50km의 빠른 속도로 발사하는 데 있습니다.

화학 로켓은 로켓 연료의 연소에 따른 기체 팽창을 추진력으로 바꾸는 원리입니다. 하지만 아무리 강력한 로켓 엔진이라도 수소와 산소 같은 연료의 화학 반응으로 얻어질 수 있는 속도에는 한계가 있습니다. 따라서 화학 반응을 통하지 않고 직접 이온을 하나씩 가속하는 대안이 나왔는데, 바로 이온 로켓 엔진이 그것입니다.

화학 에너지가 아니라 전기 에너지를 이용해 이온을 빠르게 분사해 속도를 얻는 것이죠. 작용 – 반작용의 법칙을 생각하면 우주선을 더 빠르게 가속하기 위해서는 연료를 더 많이 분사하거나 (질량을 늘리거나) 혹은 더 빨리 분사해야 (속도를 높이거나) 합니다. 이온 로켓 엔진은 연료의 속도를 높여 같은 연료로 속도를 더 높이거나 혹은 같은 속도로 적은 연료를 소모하는 원리입니다. 따라서 이온 엔진이 없었다면 베피콜롬보는 더 무거워지거나 아니면 과학 탐사 장비를 실을 공간에 추가 연료를 실어야 했을 것입니다.

베피콜롬보에 탑재된 T6 엔진은 영국에 본사를 둔 다국적 방산 업체인 QiniteQ가 제작을 담당했으며 카프만 이온 엔진 (Kaufman Ion Engine)이라는 형태의 원통형 이온 엔진입니다. 지름은 22cm인데 흥미로운 사실은 추력이 145mN에 불과하다는 것입니다. 그것도 네 개가 동시에 작동하는 것이 아니리 최대 2개만 작동시킬 수 있어 최대 추력은 290mN에 불과합니다.

쉽게 설명하면 자동차보다 큰 우주선이 사람이 손으로 미는 것보다 훨씬 약한 힘으로 가속되는 것입니다. 그래도 T6 이온 엔진은 이제까지 우주에서 작동한 것 가운데 가장 강력한 이온 엔진입니다. 참고로 이온 엔진으로 장시간 임무에 성공한 나사의 던 (Dawn) 탐사선의 경우 90mN 이온 엔진을 탑재했습니다.

여기서 알 수 있듯이 이온 로켓 엔진은 소량의 이온을 빠르게 분사할 수는 있지만, 화학 로켓처럼 대량의 연료를 분사하기는 어렵다는 단점이 있습니다. 하지만 공기 저항이나 마찰이 없는 우주 공간에서는 속도를 잃을 염려 없이 우주선을 계속 가속해 원하는 속도를 얻을 수 있습니다.

동력원은 14m에 달하는 베피콜롬보의 대형 태양 전지 패널로 태양에너지를 전기 에너지로 바꾼 후 최종적으로 운동 에너지로 변환하기 때문에 태양 전기 추진 시스템 Solar Electric Propulsion System (SEPS)로 분류합니다.

나사와 유럽 우주국을 비롯해 세계의 주요 우주 연구 기관과 과학자들은 추력을 크게 높인 새로운 이온 로켓 엔진을 개발하고 있습니다. 화성 유인 탐사에 쓰일 대형 우주선에 기존의 화학 로켓 엔진을 탑재하면 연료 소모량이 감당이 되지 않기 때문입니다.

반면 현재 있는 이온 로켓 엔진은 힘이 너무 약한 문제가 있습니다. 그러나 이온 엔진의 성능이 향상되면서 이제는 대형 탐사선의 주 엔진이 된 것처럼 앞으로도 성능이 계속 좋아질 것입니다. 미래 인류는 강력한 이온 로켓을 탑재한 우주선으로 태양계 곳곳을 누비게 될 것입니다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com