이 중에서 화성으로 갈 우주선을 지구 주변 궤도로 발사할 로켓은 현재 개발 중인 SLS(Space Launch System)로 결정되었습니다. 화성 탐사선은 한 번에 발사하기엔 너무 크므로 역대 가장 큰 화학 로켓인 SLS로 화성 우주선을 몇 차례에 나눠서 지구 궤도로 발사한 후 여기서 조립을 하는 것이 가장 합당한 방법일 것입니다.
그런데 더 큰 문제는 화성까지는 어떻게 갔다 오느냐는 것입니다. 다시 말해 아직 지구궤도에서 화성까지 왕복할 우주선이 개발되지 않았습니다. 일단 SLS와 같은 대형 화학 로켓은 너무 무겁고 비싸므로 가능성이 떨어집니다. 더 적은 연료로 더 빠른 속도를 낼 수 있는 엔진이 필요합니다.
나사는 화성 유인 로켓에 대해서 여러 가지 제안을 해왔는데, 이 중에는 원자력 로켓도 존재합니다. 수년 전 나사가 공개했던 DRA(Mars Design Reference Architecture) 5.0 에는 열핵추진로켓(NTR: Nuclear Thermal Rocket) 제안이 들어있으며 사실 이에 대한 연구도 진행 중입니다.
하지만 원자력은 반대 입장도 만만치 않은 데다 만약 사고가 나면 우주비행사가 치명적인 방사선에 노출될 위험성이 있습니다. 그래서 나온 다른 대안은 태양 에너지와 이온 로켓을 조합하는 것입니다. 빠른 속도의 이온을 전기의 힘으로 발사하는 이온 엔진은 이미 태양계를 탐사하는 우주선과 위성 등에 사용되고 있습니다. 다만 현재 나와 있는 이온 엔진의 출력은 대형 유인 우주선에 사용하기에는 너무 낮습니다.
나사는 넥스트스탭 프로그램(NextSTEP program)의 일부로 로켓 엔진 제작사인 에어로젯 로켓다인(Aerojet Rocketdyne)사에 XR-100이라는 차세대 플라스마 이온 엔진의 개발을 의뢰했습니다. 650만 달러의 자금을 3년간 지원받았는데, 이 엔진의 핵심은 미시간 대학의 알렉 갈리모어(Alec Gallimore) 교수가 이끄는 연구팀이 개발하는 X3 홀 추진기(Hall thruster·사진) 입니다.
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▲ 사진=미시간 대학
홀 추진기는 이온 엔진의 일종으로 나선의 자기장을 이용해서 제논(Xenon) 이온을 고속으로 가속해서 발사하는 방식입니다. 그래서 추진기의 모습이 원통형으로 생겼습니다. X3는 3개의 원통을 이용해서 더 많은 제논 이온을 발사할 수 있습니다.
갈리모어 교수에 의하면 현재 지구 궤도에 있는 가장 강력한 이온 로켓도 4.5kW급에 불과합니다. 하지만 X3는 200kW급을 목표로 개발되고 있습니다. X3는 제논 이온을 30,000m/s라는 고속으로 발사해서 추진력을 내기 때문에 기존의 화학 로켓 대비 적은 연료로 같은 속도를 내거나 반대로 같은 연료로 더 빠른 속도를 얻을 수 있습니다. 이는 화성에 인류를 보낼 대형 우주선에 매우 중요한 장점입니다.
다만 아직 어떤 형태의 엔진이 화성 유인 탐사선에 탑재될 것인지는 결정되지 않았습니다. 나사는 우선 첫 단추라고 할 수 있는 SLS 로켓과 오리온 우주선 개발에 집중할 계획입니다.
과연 이번 세대 안에 가능할지는 알기 어렵지만, 인류의 도전이 계속된다면 언젠가 영화가 아닌 현실에서 인류가 화성에 도착하는 날이 올 것입니다.
고든 정 통신원 jjy0501@naver.com
