“주유소도 없는 우주 공간에서, 우주 탐사선은 어떻게 연료가 바닥나지 않고 10년 넘게 날아갈까요?”
로켓 하면 거대한 화염과 굉음을 뿜어내며 솟아오르는 장면이 떠오릅니다. 하지만 이런 화학 연료 로켓은 지구의 중력을 뚫고 나갈 때는 강력하지만, 기껏해야 몇 분 만에 연료를 다 써버리고 맙니다.
화성이나 목성처럼 몇 년을 날아가야 하는 심우주 탐사선에 이런 로켓을 달면 무거운 연료통만 잔뜩 싣다가 정작 중요한 과학 장비는 하나도 싣지 못할 것입니다.
항공우주공학과 ‘추진 및 연소’ 트랙의 공학자들은 이 문제를 해결하기 위해 불꽃을 버리고 ‘전기’를 선택했습니다. 바로 푸른빛을 내뿜는 ‘이온 엔진(Ion Engine)’입니다.
종이 한 장을 들어 올리는 힘으로 우주를 날다
이온 엔진은 태양광 패널로 만든 전기를 이용해 제논(Xenon) 같은 가스를 플라즈마 상태(이온)로 바꾼 뒤, 자기장을 이용해 우주 밖으로 총알보다 빠르게 쏘아내며 앞으로 나가는 추진력을 얻습니다.
그런데 이 엔진의 미는 힘(추력)은 상상을 초월할 정도로 약합니다. 엔진을 풀가동해도 고작 지구에서 ‘A4 용지 한 장’을 손바닥 위에 올려놓았을 때 느껴지는 무게 정도의 힘밖에 내지 못합니다.
그래서 이온 엔진만으로는 지구의 중력을 절대 뚫고 날아오를 수 없습니다. 반드시 거대한 화학 로켓에 업혀서 우주(진공 상태)까지 올라간 뒤에야 비로소 엔진의 스위치를 켤 수 있습니다.
그렇다면 이토록 나약한 엔진으로 우주에서는 어떻게 거대한 우주선을 움직일 수 있을까요?
공기 저항이 없는 우주 공간의 마법
비밀은 우주 공간에는 공기 저항이나 마찰이 전혀 없다는 것입니다.
아무리 약한 힘이라도 우주에서는 밀면 미는 대로 속도가 깎이지 않고 계속 누적됩니다.
화학 로켓이 3분 동안 100의 힘을 쓰고 꺼져버린다면, 이온 엔진은 종이 한 장의 힘(0.01)으로 수개월에서 수년 동안 한 번도 쉬지 않고 우주선을 계속 밀어줍니다.
시간이 지날수록 속도가 차곡차곡 쌓여, 결국에는 화학 로켓보다 훨씬 더 빠른 속도(시속 수만 km)에 도달하게 되는 것입니다.
게다가 연료 소비 효율이 화학 로켓의 10배 이상 좋기 때문에, 아주 적은 가스만 싣고도 10년 넘게 심우주를 누빌 수 있습니다.
우주 공간에서는 강력한 폭발력보다 ‘오래, 꾸준히, 효율적으로’ 밀어주는 힘이 더 중요합니다.
화염을 내뿜는 거친 로켓부터 푸른 플라즈마를 조용히 뿜어내는 전기 추진 엔진까지. 목표와 궤도에 맞춰 가장 완벽한 심장을 설계하는 것, 그것이 항공우주공학 추진 트랙이 우주를 정복하는 방식입니다.
더 깊이 알아보기: 공식 기술 리포트
심우주 탐사와 최신 인공위성에 필수적으로 적용되고 있는 이온 엔진(전기 추진) 시스템의 작동 원리와 국내 개발 동향은 아래 학술 논문 및 공식 리포트를 통해 확인할 수 있습니다.
- [인공위성 및 우주탐사선용 홀 추력기(전기추진 시스템) 연구 동향] 👉 한국추진공학회지 KCI 등재 논문
- [AI로 우주용 전기추력기 개발·고성능 예측] 👉 KAIST 연구진 연구 뉴스
