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회전 글라이딩 아크 추력기에서의 플라즈마 보조 N₂O/CH₄ 추진실험 및 이의 결과/사진=포스텍
독성이 강한 연료 없이도 우주에서 즉시 점화되고, 장기간 안전하게 저장할 수 있는 차세대 위성 추진 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
포스텍(포항공과대) 기계공학과 이안나 교수와 박사과정 이정락 씨 연구팀은 한국기계연구원(KIMM) 강홍재 선임연구원과 함께 플라즈마 기술을 적용해 아산화질소(N₂O) 기반 추진기관의 기존 한계를 극복하고, 친환경·고신뢰 저장성 추진 시스템의 가능성을 실험적으로 입증했다고 5일 밝혔다. 이번 연구 성과는 항공우주 분야 국제 저명 학술지 '에어로스페이스 사이언스앤테크놀로지'(Aerospace Science and Technology)에 게재됐다.
최근 스페이스X를 비롯한 글로벌 발사체 기업들의 재사용·고빈도 발사 체계가 자리 잡고, 지난해 11월 한국형발사체 '누리호' 4차 발사가 성공하면서 국내외 우주 수송 역량은 한층 강화되고 있다.
이에 따라 위성 군집 운용, 저궤도 위성 서비스, 달 탐사 등 우주 임무가 장기화·다양화되고 있으며, 필요할 때 즉시 점화되고 오랫동안 저장 가능한 '저장성 추진제'의 중요성도 빠르게 커지고 있다.
그러나 기존 위성 추진제의 대표 격인 하이드라진은 강한 독성과 까다로운 취급 절차로 인해 환경·안전 측면에서 한계를 지닌다. 이를 대체할 보다 안전하고 친환경적인 추진 기술에 대한 요구가 지속적으로 제기돼 왔다.
이 문제의 대안 중 하나로 아산화질소가 주목받고 있지만, 소형 추진기에서의 낮은 효율, 복잡한 촉매 구조, 예혼합 과정에서의 폭발 위험 등 기술적 제약으로 실제 적용에는 어려움이 있었다.
연구팀은 이 같은 딜레마를 플라즈마 기술로 해결했다. 플라즈마는 번개나 오로라처럼 매우 높은 에너지 상태의 물질로, 연소 반응의 개시 장벽을 크게 낮추는 역할을 한다. 연구팀이 적용한 '회전 글라이딩 아크(RGA·Rotating Gliding Arc) 플라즈마'는 짧은 시간 안에 3차원 공간에서 플라즈마를 활성화해, 기존에 점화가 어려웠던 조건에서도 안정적인 연소를 가능하게 한다는 특징을 지닌다.
이 기술을 아산화질소 기반 이원추진제(N₂O/CH₄) 시스템에 적용한 결과, 30~100와트(W) 수준의 낮은 전력만으로도 즉각적인 점화가 가능했으며, 연료가 극히 적은 '초희박 조건'에서도 안정적인 연소가 유지됨을 확인했다.
특히 산화제 대비 연료 질량비(O/F 비율)가 1000에 달하는 극한 조건에서도 촉매 없이 정상 작동했으며, 연소 효율은 87.8%를 기록했다. 연료 비율이 이상적인 구간에서는 이론적 한계에 가까운 99.9%의 효율까지 달성했다. 플라즈마가 연소 반응의 문턱을 낮춰, 마치 젖은 장작에도 불씨를 살리는 역할을 한 셈이다.
이번 성과는 복잡하고 무거운 촉매나 예열 장치를 제거해 위성의 전체 무게를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 폭발 위험이 따르는 예혼합 과정을 생략함으로써 안전성과 경제성을 동시에 높일 수 있는 기술로 평가된다. 소형 위성은 물론, 장기 우주 임무용 추진 시스템으로의 확장 가능성도 크다.
이안나 포스텍 교수는 "플라즈마 기술을 통해 차세대 친환경 저장성 추진 기술의 실질적인 가능성을 확인했다"며 "위성 추진 분야에서 안전성과 효율을 동시에 만족시키는 새로운 해법이 될 수 있을 것"이라고 말했다.
강홍재 KIMM 선임연구원 역시 "저전력 조건에서도 높은 신뢰성을 확보할 수 있는 기술로, 다양한 우주 임무에 폭넓게 활용될 잠재력이 크다"고 평가했다.
