[아하! 우주] 달 우주정거장에 탑재될 차세대 이온엔진…인류를 심우주로 이끌까?

미 항공우주국(NASA)과 여러 국제 협력 파트너들은 달 궤도에 유인 우주 정거장인 '루나 게이트웨이'(Lunar Gateway)를 건설하기 위해 힘을 모으고 있다. 루나 게이트웨이 건설은 2022년부터 시작되며 2024년으로 예정된 달 재착륙과 이후 이뤄질 달 탐사의 기반 시설이 될 예정이다. 그리고 더 나아가 달은 물론 화성과 소행성처럼 더욱 먼 우주의 전진 기지로 활용할 예정이다. NASA는 루나 게이트웨이에 지금까지 개발한 최첨단 우주 기술을 모두 적용할 계획이다. 차세대 이온 로켓 엔진인 AEPS(Advanced Electric Propulsion System)가 그 대표적인 사례다.

기존의 화학 로켓은 강력한 힘을 낼 수 있지만, 막대한 연료를 소모한다는 단점이 있었다. 장거리 우주 탐사에서 우주선 무게의 대부분을 연료로 채울 순 없기 때문에 과학자들은 더 연료 효율이 높은 대안을 연구했다. 이온 로켓 엔진은 전자기장의 힘으로 이온 입자를 매우 빠른 속도로 발사해 추력을 얻기 때문에 화학 로켓 대비 절반 이하의 연료로 같은 속도를 얻을 수 있다. 하지만 한 번에 많은 연료를 연소시킬 수 없기 때문에 힘이 약해 우주선 자세 제어나 소형 우주 탐사선 엔진으로 사용됐다. NASA는 로켓 제조 전문 회사인 에어로젯 로켓다인(Aerojet Rocketdyne)사에 기존의 이온 로켓 엔진보다 훨씬 강력한 차세대 이온 추진 엔진인 AEPS의 개발을 의뢰했다.

AEPS는 전문적인 용어로 ‘전자기 쉴드를 이용한 홀 효과 로켓'(Hall Effect Rocket with Magnetic Shielding, HERMeS)라는 형태의 이온 로켓 엔진으로 4.2-12.5kW의 출력을 낼 수 있다. 루나 게이트웨이의 엔진 모듈인 전력 및 추진 장치(Power and Propulsion Element, PPE)에는 이 엔진 네 개가 탑재되어 최대 50kW의 출력을 낼 수 있다. 연료로는 제논(Xenon)이 사용되는데, 루나 게이트웨이에는 5t 정도가 탑재되며 최대 5만 시간 작동할 수 있다. 제논 자체는 비활성 기체로 산소와 반응해 연소하지 않기 때문에 이를 빠른 속도로 방출하기 위해서는 전기 에너지가 필요하다. 이 에너지는 60kW급 태양전지인 ROSA(roll-out solar array)가 공급한다.

AEPS는 차세대 우주 탐사의 끝이 아닌 시작이다. NASA는 루나 게이트웨이에서 50kW급 이온 추진 로켓의 신뢰성과 성능을 테스트할 것이다. 그리고 여기서 만족할 만한 성과를 거두면 앞으로 이 기술을 기반으로 더 강력한 이온 추진 로켓을 개발한다는 로드맵을 지니고 있다. 수백 kW급 추전력을 지닌 이온 추진 로켓을 개발할 수 있다면 대형 우주선을 화성과 그 너머로 보낼 수 있을 것이다. 물론 말처럼 간단한 일은 아니지만, 지금처럼 적극적인 연구와 투자가 이뤄진다면 우주 개발의 미래는 밝을 것이다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com