우주에 널린 금속을 연료로···우주선 차세대 동력원 개발 경쟁

英 연구진, 금속플라스마엔진 개발나서
우주서 연료 수급 쉽고 비추력 장점
NASA도 일찍이 금속수소엔진 연구
ESA도 유사 기술···발전소도 운영

[서울경제]

심우주 탐사 시대가 열리면서 우주선을 오래 가동하기 위한 차세대 동력원이 필수 기술로 주목받고 있다. 기존 화학 엔진 이상의 태양전지와 원자력전지는 물론 우주에서 구하기 쉬운 금속을 연료로 쓰는 신개념 엔진까지 각종 기술이 우주항공학계와 업계에서 연구되고 있다.

로켓 엔진 관련 이미지. 사진 제공=사우샘프턴대

10일 과학기술계에 따르면 한인 과학자인 김민관 김민관 영국 사우샘프턴대 우주항공학과 교수 연구팀은 영국 우주 스타트업 ‘매그드라이브’와 함께 금속 플라스마 엔진을 개발 중이다. 김 교수는 “금속 표면의 좁은 부위에 순간적으로 높은 전기에너지를 집중적으로 가하면 해당 부위가 초고온 상태가 되면서 금속 플라스마가 만들어진다”며 “이 플라스마로 추력을 얻는 원리”라고 설명했다.

플라스마 엔진은 고체·액체·기체를 넘어 원자핵과 전자가 분리된 제4의 물질 상태인 플라스마를 추진체로 사용하는 엔진이다. 화학연료를 쓰는 화학엔진보다 추력 효율(비추력)이 높아 스페이스X의 ‘스타링크’ 위성에도 탑재됐다. 다만 스타링크는 희귀 기체인 제논을 연료로 쓰는 반면 이번 영국 연구진은 철과 알루미늄처럼 달이나 소행성에서 쉽게 구할 수 있는 금속을 연료로 쓰는 기술을 개발하고 있다. 물질을 플라스마 상태로 만들려면 초고온이 필요한 만큼 금속 플라스마 상태를 안정적으로 구현하는 것이 상용화의 관건이 될 전망이다.

NASA·하버드대의 금속수소엔진 연구 내용. 사진 제공=NASA

2010년대 미국 항공우주국(NASA·나사)도 ‘금속수소 엔진’을 게임체인저로 평가하며 하버드대와 설계 연구를 진행했다. 수소를 400만 기압의 초고압으로 압축시키면 고체를 넘어 금속과 같은 격자 구조를 갖는 금속수소가 된다. 금속수소는 산소 없이도 탈 수 있어 공기가 없는 우주공간에서 사용하기에 용이하다. 이때 방출되는 에너지로 인한 비추력은 기존 수소 연료인 액체수소보다 2~3배 높다고 알려져 있다.

ESA의 금속연료엔진 개념도. 사진 제공=ESA

다만 연료를 태우려면 섭씨 6700도의 고온이 필요한데 이 열기를 감당할 수 있는 마땅한 엔진실 소재가 거의 없다는 한계가 있다. 초고압 환경 구현도 과제다. 목성 등 우주의 극한환경에 금속수소가 분포하는 만큼 우주현지자원활용(ISRU) 기술의 일환으로 활용될 수 있다는 전망도 있다. 금속 연료 엔진은 양자컴퓨터처럼 아직 상용화 조건이 까다롭지만 수급이 쉽고 추진 효율이 높아 선진국을 중심으로 꾸준히 연구가 시도되고 있다.

유럽우주국(ESA)은 네덜란드 에인트호번공대와 철가루를 내뿜는 금속연료엔진을 연구 중이다. 이 역시 달에서 철과 액체산소를 수급해 각각 추진제와 산화제로 사용한다는 발상이다. 이런 방식으로 전력을 생산하는 1MW급 시험용 발전소도 네덜란드 현지에서 관련 기업들과 운영 중이다.

철을 연료로 1MW 전력을 생산하는 네덜란드 시험용 발전시설. 사진 제공=ESA

김윤수 기자 sookim@sedaily.com