이온엔진 / 과학

이온 엔진

『Techno Leaders' Digest (TLD)』 제 209호 2008/06/24

영국은 유럽연합의 우주탐사를 담당하는 유럽항공우주국과 함께 최근 새로운 형태의 동력원을 개발하고 있다. 기존의 화학연료를 연소시켜 발생하는 추진력을 이용하는 방법과는 달리 소위 ‘전자추진시스템’이라 불리는 ‘이온엔진(Ion engine)’이 그것이다.  이온엔진에 사용되는 이온 추진기는 전기적으로 전하를 띤 상태의 양이온을 뿜어내어 추진력을 얻는 방법이다. 사실 이온추진기는 1959년 미국 글렌 연구소의 해럴드 카우프만(Harold Kaufman)에 의해 고안된 비교적 오래된 장치로써, 1960년대에 이 추진기에 대한 실험이 이루어진 바 있다. 또한 1960년대에는 전자를 자기장에 가두어 놓은 후에 한꺼번에 이온화된 전자를 배출하여 추진력을 얻는 홀 추진기(Hall thruster)가 개발되어 미국과 구소련의 우주탐사에 이용되기도 하였다. 이 추진기는 주로 궤도에 오른 인공위성의 안정화를 위해 사용되었다.  하지만 최근 개발되고 있는 이온엔진을 이용한 추진기는 우주탐사선의 기본 추진동력을 만들어내는 엔진에 사용되고 있으며, 네온이나 헬륨가스보다 더 무거운 제논가스를 연료로 이용한다. 이 엔진이 개발되면 초당 30km의 속도로 우주탐사선을 가속시킬 수 있다. 전통적인 화학연료 엔진과 비교했을 때 이온 엔진은 열 배 정도 더 많은 추진력을 얻을 수 있는 장점이 있으나 갑작스런 가속추진력은 얻을 수 없다는 문제점이 있었다. 이러한 이유로 인해 발사과정에서는 화학연료를 사용한 엔진을, 발사 후 장거리 비행에는 이온엔진을 사용하기도 한다. 예를 들어 달 탐사와 같이 매우 높은 가속력을 요구하는 임무에는 화학연료 엔진을 사용하는 것이 더 효율적일 수 있지만, 많은 에너지를 요구하는 소행성이나 혜성 탐사, 태양계 탐사에는 안정적이고 일정한 가속력을 낼 수 있는 이온엔진이 더 적절할 것이다.  이온엔진은 기본적으로 두 가지 시스템을 통해서 추진력을 얻는다. 이온엔진은 제논가스를 이용하는데 제논가스는 기존 화학연료보다 훨씬 적은 양으로도 추진력을 낼 수 있기 때문에 연료 무게로 인한 적재 무게를 줄일 수 있다. 또한 엔진도 화학연료 엔진의 무게에 비해 90%까지 줄일 수 있는 이점을 가지고 있다. 제논가스는 탐사선에 적재된 태양전지판으로부터 얻은 전기에 의해 이온화(전화를 띤 전자로 전환)될 수 있으며 제논가스와 태양전지판의 두 가지 시스템 결합을 통해 이전까지 제한되었던 원거리 여행이 가능하게 되었다.    또한 이온엔진은 제논가스 자체가 많은 공간과 무게를 차지하지 않기 때문에 탐사선이나 인공위성의 무게를 줄이고 발사 비용도 낮출 수 있는 장점이 있다. 그리고 장기적으로 일정한 추진력을 얻을 수 있기 때문에 인공위성의 수명을 연장시키는 장점이 있다. 이런 이유로 미국 나사는 혜성탐사를 위해 2004년에 발사한 딥임팩트(Deep Impact)호에 이온엔진을 사용하기도 하였다.  유럽항공우주국도 이온엔진에 큰 관심을 보이고 있으며, 자체적인 탐사 프로그램에 이온엔진을 사용하거나 사용할 계획을 세우고 있다. 이미 2003년 발사된 유럽의 달 탐사선인 스마트-1호는 이온엔진을 적재하여 사용가능성을 테스트한 바 있다. 이 탐사는 유럽이 최초로 달에 탐사선을 보낸 것으로 기본적인 탐사의 목적은 앞으로 계획되고 있는 원거리 행성 간 탐사에 사용할 이온엔진의 가능성을 실험하려는 것이었다. 스마트-1호는 2003년 9월에 발사되어 2004년 11월에 달에 도착했으며, 2006년까지 달의 궤도를 선회하면서 달표면 지도를 작성하였다.  영국의 우주항공기업인 콰인티크(Qinetiq)사는 기존 이온 엔진보다 더 강력한 추진력을 얻을 수 있는 T5와 T6를 개발중이다. 콰인티크사에서 이온엔진개발에 참여하고 있는 공학자 닐 월리스(Neil Wallace)에 의하면 T5와 T6는 초당 50km까지 속력을 낼 수 있다고 한다. 콰인티크사는 이들 개발을 위해 우주공간과 가장 비슷한 환경의 진공방을 건설하였으며, 20켈빈(영하 235도)까지 온도를 낮추어 이온엔진을 테스트하고 있다.      콰인티크사가 개발하고 있는 이온엔진은 유럽항공우주국이 계획하고 있는 고스 탐사선에 장착하기로 결정되었다. 이 탐사선은 지구 저궤도를 250km 상공으로 순환하면서 지구를 관측하는 임무를 수행할 예정이다. 보통 다른 인공위성이나 탐사선은 지구궤도를 600~800km 상공으로 순환한다. 하지만 고스탐사선은 저궤도를 돌면서 지구 자기장의 미세한 변화를 측정하여 그 지도를 작성하게 된다. 고스 탐사선에 적재되는 T5엔진은 그 무게가 3kg에 불과하며 이온 엔진과 태양전지판을 통해 얻은 전기를 이용하여 추진력을 얻는다. 고스탐사선의 초저궤도에서의 지구관측은 매우 민감한 측정이 필요하며 탐사선은 높은 수준의 항력을 경험하기 때문에 효율적인 고도통제시스템이 필요하다. 이온엔진은 궤도유지와 항력통제에 이상적인 해결책이 되고 있다.      닐 월리스는 “이 탐사선은 초당 8.5km의 속도로 이동할 수 있다. 탐사선이 지구궤도를 돌면서 대기 상층부를 지나게 되면 진동현상을 경험하게 될 것이다. 이 때 진동현상을 통제할 수 있는 정확하고 정교한 기술이 필요하며 우리가 수행하고 있는 연구가 바로 이 문제를 해결할 수 있는 이온 엔진이다. 이온 엔진은 이 탐사선에 크루즈 콘트롤을 제공할 수 있다”라고 말했다.  또한 콰인티크사가 개발하고 있는 T6 이온엔진은 효율적이고 안정적인 궤도유지가 가능한 엔진으로 두 개 이상의 추진기를 이용하여 강력한 추진력을 얻을 수 있다. 이 엔진은 상업용 지오 통신위성(GEO communication satellite)에 사용될 수 있으며, 행성 간 탐사선에도 적재될 수 있다. 특히 유럽항공우주국은 태양계의 가장 안쪽에 있는 행성인 수성을 탐사하기 위한 베피콜롬보(BepiColombo) 탐사선에 T6가 적재될 것으로 예상하고 있다. 이 탐사선은 2013년에 발사될 예정이며, 두 대의 탐사선으로 이루어져 있다. 하나는 행성탐사를 위한 탐사선이고, 다른 하나는 일본항공탐사국(JAXA)이 건조하게 될 자기장 탐사선이다. 이 탐사선은 6년에 걸친 여정을 통해 2019년에 수성에 도착하여 수성에 대한 전반적인 탐사를 수행하게 될 것이다.