Ion Thruster
Ion Drive
딥 스페이스 1호의 이온 엔진 NSTAR의 분사 모습.
1. 개요
이온 엔진 혹은 이온 추진 장치는 우주선 추진 방법의 일종으로 아르곤이나 제논, 그리고 크립톤 등의 추진제를 플라즈마(이온)화하여 전기적 특성을 띠게 한 후 자기력을 이용하여 선체의 후방으로 빠르게 분사하여 추진력을 얻는 기관이다.2. 가늘고 오래가는 엔진
현재의 이온 엔진은 추진력이 부족하기 때문에 대기권/중력권에서 쓰기에는 턱없이 약하다. 엔진 스스로의 무게를 지면에서 들어올리는 힘은 고사하고[1] 옛날 제1차 세계 대전 시기 프로펠러 엔진만큼의 추력보다도 한참 못하다. 과학동아에서의 표현에 따르면 종이 한 장 떨어질 때의 힘 만큼도 못 낸다.이온엔진이 내는 추력은 약 20–250밀리뉴턴이다. 성인이 뀌는 방귀가 한 방에 약 200밀리뉴턴의 추력을 낸다는 것을 생각해보면, 정말 미미한 힘이다.[2] 이렇다보니 당연하지만 최근 발사된 이온 엔진 탑재 탐사선 역시 별도의 화학 로켓 발사체에 탑재되어 대기권을 벗어났다.
이렇게 약해빠진 엔진을 왜 쓰냐 하면 연비가 엄청나게 좋기 때문이다. 얼마나 대단하냐면, 이온 엔진의 기술 실증을 주 목적으로 1998년에 발사된 딥 스페이스 1호는 670일간 엔진을 작동하며 몇몇 소행성과 혜성의 사진을 찍은 뒤 우주공간으로 날아갔는데, 그 2년 가까운 시간 내내 엔진을 작동시키는데 사용된 제논 추진제의 양은 고작 72kg이었다. 이 덕에 작동 시간이 매우 짧은 기존 화학 로켓과 달리, 이온 엔진은 계속 켜둘 수 있다. 그리고 우주에는 공기저항도, 중력의 영향도 없기 때문에 발사체는 느리지만 한도 끝도 없이 가속하게 된다. 이로 인해 순간적인 가속도는 화학로켓에 비해 크게 밀리지만, 종국에는 연료가 금세 소진되는 화학엔진보다 수십, 수백 배 빠르게 된다. 물론 질량이 있는 물체인 만큼 빛의 속도에 도달하는 것까지는 불가능하다. 또한 당연하지만 영구엔진이 아니기에, 추진체가 바닥나면 끝이며 전기 또한 필수다. 2013년 6월 24일, NASA에서 테스트 중인 NASA's Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) 가 중단없이 연속으로 48,000시간, 5년 반을 가동하는 기록을 세웠다. 43,000시간 (약 5년) 간 가동하는 데 소모된 연료가 고작 870kg이었고 약 144000km/h의 속도로 이온을 쏘았다. 이는 기존 화학로켓엔진으로선 10톤 이상의 연료를 소모해야 하는 양이였다.
이온 엔진은 극미량의 추진제를 전자기 가속해서 쏘아 추진력으로 삼는다. 물론 쏘아내는 질량 자체가 워낙 작고, 이런저런 이유로 전자기 가속에도 한계가 있을 수밖에 없으므로 추진력 자체는 극히 미약하며, 그리드(Grid) 방식의 이온 엔진은 원리상 추력을 일정 수준 이상 올리는 것이 물리적으로 불가능하다.[3] 레일건과 비슷한 형태로 전자석 사이에 이온을 넣고 쏘게 되는데 이온을 많이 넣으려면 전자석간의 거리를 벌려야 하고 그럼 자석과 거리가 멀어지니 효율이 떨어지기 때문. 그러나 대기와의 저항이 없는 우주에서는 약하든 말든 작용 반작용에 의해 가속이 가능하다.
이러한 이온 엔진이 처음 세상에 모습을 드러낸 것은 SERT 계획으로, 1964년 NASA가 우주 공간에서 실험하였다. 이후 2003년 발사된 일본의 소행성 탐사선 하야부사가 이온엔진을 세계 최초로 운용함으로써 실용화에 성공한다. 하야부사는 무려 1천 시간을 가동해 60억km를 왕복함으로써 이온 엔진의 위엄을 전세계에 알리는 데 일조했다. 이후로 심우주 탐사선들은 이온 엔진을 적극적으로 탑재할 예정이다. 당연하지만 기존의 화학로켓 엔진에 비해 무게와 공간이 크게 줄고, 순항 속도도 크게 상향되었다. 다만 추진력 자체는 약하기에 로켓 엔진이 가지는 순간적인 추진력은 여전히 따라갈 수 없다.
목성 너머 궤도에서는 전력 공급의 문제로 인해서 쓰기 엄청 곤란하다. 토성 너머에서는 태양빛이 하도 적어서 주노의 태양전지판 사이즈로도 모자랄 가능성이 높다. 실제로 NASA에서는 해왕성 탐사 미션을 제안하면서 이온 엔진을 써보자고 했다가 노답으로 판명되어 폐기되었고 결국 좀 더 가까워서 만만한 천왕성 탐사선에서도 배제되었다. 물론 태양전지 대신 이미 여러 심우주 탐사선들에서도 널리 활용된 바 있는 원자로나 원자력 전지 등을 동력원으로 채용하면 이런 문제를 어느 정도 해소할 수 있긴 하겠지만, 단종된 지가 오래인 원자력 전지의 재고 자체가 너무 적다는 문제가 있다.[4] 일단 뉴 호라이즌스의 후계가 될 차기 명왕성 탐사선에 원자력 전지를 동력원으로 이온 엔진을 작동시키는 방식을 채용할 예정이다.
이온 엔진은 지구접근천체와의 충돌 위험이 있을 때에도 활용 가능하다.[5] 이온 엔진을 소행성에 착륙시켜 몇 년에 걸쳐서 지속적인 분사로 아주 섬세하고 안전하게 소행성을 지구궤도에서 비켜나가게 할 수 있기 때문이다.[6] 기술력이 더 발전하면 SF드라마 익스팬스나 기동전사 건담 마냥 지나가던 소행성을 지구 공전 궤도로 끌어들여 묶어놓은 뒤 지속적으로 자원을 채취하는 것도 가능해질 것이다.
한편 우주선을 앞으로 나아가게 하기 위한 주 추진기로서의 사용 이외에도, 우주선의 자세제어와 방향전환을 위한 소형 보조 추진기인 RCS로서도 이온 엔진을 사용하고자 하는 시도가 이루어지고 있다. 다만 이쪽은 장거리 고속 순항을 전제로 한 우주탐사선의 사례와는 달리, 순수히 연비만을 바라본 것으로서 고정된 위치에서의 장시간 가동에 보다 초점을 맞추고 있는 편이다. 그 특성상 주로 인공위성이나 우주 정거장 등과 같이 한 자리에 느긋하게 고정되는 물체의 RCS로서 쓰이는 것이 전제가 되는 경우가 많고, 우주왕복선이나 소유즈 우주선 같은 일반적인 유인우주선의 RCS로서는 화학 로켓에 비해 순발력 등이 부족하여 신속한 자세제어를 하기 힘들기 때문에 그다지 적합하지는 않다는 듯하다. 때문에 유인우주선의 RCS로는 여전히 화학 로켓이 주류인 상황.
NASA와 Ad Astra Rocket Company에서는 전직 우주비행사 프랭클린 창 디아즈(Franklin Chang Díaz)[7]의 주도로 VASIMR(가변 비추력 자기 플라즈마 로켓, Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)이란 초고온 플라즈마를 자기장으로 압축한 후 팽창시킨 다음 배출하여 추력을 얻는 신형 이온엔진을 실험 중에 있는데, 최고속도가 초속 56km에 달해 이 속도만 된다면 화성까지 편도 39일이라는 엄청난 속도를 얻을 수 있다. 단 이 정도 출력을 내려면 시울프급 원자력 잠수함에 들어가는 원자로 6개 수준의 전력이 필요한데, 그만한 원자로를 붙이고 냉각기도 붙이고 해야 하는 걸 고려해보면 아직 그리 현실성은 없는 이야기다. 기술적으로는 실현이 불가능하진 않지만, 일반적인 이온 엔진에 비해 소모 전력이 너무 큰 관계로 원자로의 탑재가 필요하다는 점 때문에 현실적으로는 원자력 사고를 비롯한 상당한 위험부담이 있어 아직 실용화가 되지 못 하고 있다.[8]
미래에 이온 엔진이 개량되면 대기권에서도 쓸 날이 올 것이라는 예측이 있었고, MIT에서 실제로 이온 엔진으로 비행하는 소형 모형을 만들어 내면서 실증해냈다. 아르곤이나 제논 등을 추진제로서 소모하여 로켓 엔진으로서 작동하는 우주선용의 이온 엔진과는 달리, 이 항공기용의 이온 엔진은 대기권 내에서의 사용을 전제로 했기 때문에 공기를 추진제의 대용품으로 소모하여 제트 엔진에 가깝게 작동하는 것이 특징이다. 간단히 말해 공기를 추진제로 소모하여 작동하는 것이다. 이러한 추진제의 차이 이외에는 기본적으로 우주선용의 이온 엔진과 크게 다르지 않은 원리로 작동하며, 연비는 좋지만 추진력이 약하다는 특성도 공통된다고 한다. 다만 실험 결과 소음 발생과 탄소 배출이 없다는 새로운 이점을 확인할 수 있었다는 모양. 이러한 특성 때문에 연비 향상과 소음 감소가 중요한 무인기에 적합할 듯하다.
대기권 내 이온 엔진의 추력이 약한 문제는 전극이나 이온 가속 방식의 개선을 통해 추진체의 질량(정확하게는 질량흐름률)을 증가시켜서 해결할 수 있을 것이고 특히 대기권 내에서 사용할 경우 공기를 추진체로 사용할 수 있기 때문에 우주보다 상황은 더 낫다고 할 수 있다. 다만 같은 에너지를 사용할 때 기존 엔진보다 훨씬 추력 효율이 떨어진다는 한계는 그 원리상 극복하기 힘드므로 특정 용도에 맞춰 사용될 가능성이 높다. 가장 큰 문제는 역시 전력 문제인데, 소형 UAV 수준을 벗어나 대형 유인기의 추진 방식으로 이온 엔진을 사용하려면 결국 전통적인 터빈 발전기나 원자력을 동력원으로 이용할 수 밖에 없는데 그럴 경우 효율 문제는 말할 것도 없고 소음이나 탄소 배출 이점마저 사라지므로 그냥 터빈의 회전에서 직접 추력을 직접 얻는 쪽이 여러 모로 나을 수밖에 없다. 단, 그렇더라도 기존 엔진에 추력을 더하는 보조 추력으로 활용할 수 있을지 모른다.
여담으로 현재 실증된 이온 엔진 비행기는 사람이 탑승하는 것이 불가능한 소형 모형이며, 그 모형의 비행시간은 10초, 비행거리는 60m이고 그나마도 자력 이륙이 불가능해서 발사장치까지 필요하기에, 막말로 종이비행기 수준에 불과하다. 그럼에도 그 '비싼 장난감'에 불과한 것이 이렇게 중요하게 취급되는 이유는 이미 인류는 121년 전에 장난감 가게 아저씨들이 만들어낸 12초 간 36m를 비행하는 게 고작이었던 장난감이 어떻게 진화했는지 알고 있기 때문이다.
3. 종류
이온화 가스를 추진제로 사용하는 이온 엔진은 여러 종류로 나눌 수 있다. 그 중 대표적인게 그리드와 홀 추진기이다.3.1. 그리드 추진기
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3.2. 홀 추진기
전자를 자기장에 가둬 만들어진 전기장을 통해 이온화 가스를 가속하는 방식. 홀 효과를 이용한다. 이론적으로 정상 운용 상태일때는 +극이 손상되지 않기 때문에 훨씬 오랜 시간 가동할 수 있다. 하지만 아직 희박기체의 플라즈마 거동을 완벽히 통제할 수 없어 +극에 손상이 조금씩 발생하는 문제가 있다고.
4. 실용화
현재 실용화된 이온엔진의 용도로는 저궤도 인공위성의 위치유지(station keeping)용으로 쓰이고 있다. 통상 저궤도(LEO) 위성은 궤도가 200~ 2000km 가량인데 지구관측위성이나 통신위성이나 국제우주정거장 ISS 같은 위성은 고도가 낮은게 여러모로 유리하므로 300-500 km 에서 운행하는게 바람직하다. 하지만 500km 이하에서는 고공에 미세하게 남아있는 대기성분의 저항으로 속도가 느려져 인공위성의 수명이 크게 짧아지기 때문에 보통은 1000 km 이상의 궤도에서 운행한다. 그런데 이런 저궤도위성에 공기저항으로 떨어지는 속도를 보충하는데 이온엔진은 가장 적합한 가속수단이다.앞으로 위성 인터넷 등 500 km 정도의 낮은 고도를 가진 저궤도 통신위성이 대량으로 실용화되면 이의 위치유지와 수명연장을 위한 추진기로 이온엔진은 가장 유력한 수단이 될 것이다. 특히 위성 인터넷 사업용 통신위성은 500 km 정도로 고도가 낮으면 그만큼 전파 왕복지연이 짧아져 15 msec 정도로 지상인터넷에 버금가는 지연시간을 가질 수 있다. 또 지상과 가까우므로 그만큼 송신전력도 절약할 수 있고[9] 송신장치나 안테나도 축소되고 전력소모도 줄어들어 전력을 공급하는 태양전지도 축소할 수 있으므로 여러면에서 위성체의 무게를 줄일 수 있고 또 고도가 낮아서 위치에너지도 적어서 발사 비용을 낮출 수 있다. 그래서 수 kg 정도의 이온 엔진이나 수십 kg 정도의 이온엔진 연료의 무게등 추가되는 무게나 이온엔진에서 계속 소모하는 전력을 위한 태양전지 무게와 비용등을 감안하더라도 충분히 경제적이다. kg 당 인공위성 발사 비용이 점차 떨어질 수록 이러한 경제적 장점이 커질 것이다. 보통 1 제곱미터의 궤도 단면적을 가진 인공위성이 500 km 정도의 고도에서 공기저항을 이기고 고도를 계속 유지하려면 상시 20 mN 정도의 추력을 계속 가해야 한다. 이 정도는 소형의 이온엔진과 적은 연료로 충분히 실용화 할수 있는 수준이 된다. 실용화된 예로 2009 년에 발사된 ESA 의 지구중력장 탐사위성(GOCE Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer)은 무게 1톤 가량의 위성을 250 km라는 낮은 궤도에 띄웠는데, 중량 3kg에 20 mN 추력을 가진 이온엔진과 40 kg 의 제논(xenon) 추진체를 통해 약 5년 간 일정한 고도유지를 할 수 있었다.
수소나 헬륨 등 가벼운 기체를 이온엔진 추진체로 쓰면 분사속도가 빨라져 비추력(specific impulse, 추진제 무게당 추진능력)이 높아지는 장점이 있지만 워낙 이온엔진의 비추력이 높아서 무거운 제논 등을 써서 비추력이 떨어져도 화학로켓보다는 10배 이상의 비추력을 낼 수 있다. 제논을 많이 쓰는 이유는 원자의 무게는 무거워 비중이 높아 저장이 편리하고 원자크기가 크고 외곽전자가 핵에서 멀어서 이온화에 들어가는 이온화 에너지가 적고 이온의 전하량이 커서 전기 에너지 대비 추력 효율이 좋다. 비중이 높으니 추진제 탱크 부피가 적어지는 장점도 있다. 다만 산출량이 적어 가격이 비싼게 (아르곤의 300배 이상) 흠이지만 인공위성 발사비용이 워낙 비싸 커버가 된다.
스페이스X의 스타링크 위성들도 이온엔진을 쓰는데 비용을 줄이기 위해 비싼 제논 가스 대신 가격이 1/10 에 불과한 크립톤 가스를 쓴다. V2 위성에서는 아르곤으로 바꾸었다. (스타링크 2세대 위성 사양 공개 (클리앙), SpaceX 트위터 원문)
2013년 발사된 과학기술위성 3호에 제논 가스를 사용하는 이온 엔진이 탑재되었다. 과학기술위성 3호 홀추력기 추진계 개발 (한국항공우주학회지, DOI:10.5139/JKSAS.2010.38.8.834)
2024년까지 미국의 아르테미스 계획에 따라 건설될 달 궤도 정거장의 추진체로 이온엔진이 사용될 예정이다.
그리고 고도 100 km 이하의 초저궤도에서는 따로 추진제를 쓰지 않고 희박한 대기를 모아서 압축해 이를 이온엔진의 추진제로 쓰려는 연구도 있다. 이런 고도에는 극히 희박한 공기가 남아있어서 공기저항이 심해 인공위성의 수명이 아주 짧아서 통상적 위성에는 부적합하지만 그 희박한 공기를 모아서 압축해 이온엔진의 추진제로 써서 공기 저항을 극복하면 오히려 월등히 장기간의 수명을 가질 수 있다. 추진제가 필요없이 전기만으로 추진이 가능한 일종의 전기식 제트엔진. 초저궤도 운전이 절대 유리한 초정밀 광학정찰위성 같은 용도로 연구되고 있다. 지상과의 거리가 일반정찰위성의 1/4 이므로 위성의 크기나 무게가 수십분의 1로 줄어든다.
5. 매체에서의 이온 엔진
- 반중력과 함께 SF물에 자주 등장하는 소재. 물론 추진력이 지극히 약할 수밖에 없다는 현실적 제한점은 전혀 고려되지 않고 그냥 멋있게 푸르게 빛나는 엔진 정도로 묘사된다.
- 스타워즈 시리즈의 대다수 우주선은 이온엔진을 주 추진체로 쓰고 있으며 대기권에서는 반중력 엔진의 도움을 받는다. 은하 제국군의 TIE Fighter 의 TIE가 Twin Ion Engine의 약자이다.
- 과학동아에서는 아이언맨의 리펄서건에서 푸른빛이 나온다는 것을 보고 리펄서건이 이온 엔진과 관련이 있을지도 모르지만 아닐 것이라는 내용의 기사가 있다. 사실 아이언맨의 리펄서건은 노란색 빛에 가까운 흰색이다.
- 영화 마션(영화)의 원작 소설에서 화성 왕복선 헤르메스 호의 주 추진 기관이 VASIMR 방식의 아르곤 연료 이온 엔진으로 설정되어 있으며, 이온엔진 특유의 막대한 전기 소모량을 감당하기 위해 원자로가 탑재되어 있다(원자로의 반응열로 연료를 팽창시켜 추진하는 열핵엔진은 아니다). 덕분에 헤르메스 호의 궤도는 전형적인 호먼 트랜스퍼와 상당히 다르지만, 그렇다고 위에 언급한 것처럼 편도 39일 궤도 같은 초고성능의 물건도 아니어서 최대가속도가 고작 2mm/s2에 그친다. 흔히들 극중의 리치 퍼넬 기동을 단순한 스윙바이 기동으로 알고 있는데, 지구 스윙바이 후 화성을 향하도록 궤도를 수정할 수 있었던 것도, 화성 플라이바이 후 소행성대로 튕겨나가지 않고 지구로 귀환하는 궤도를 탈 수 있었던 것도 이온엔진의 엄청난 연비 덕분이다. 참고로 원작자는 소설 쓰기 전에 그게 실제 가능한 궤도를 계산해냈다.
- 우주탐사게임의 교과서 KSP에서도 전자 추진 체계라는 이름으로 등장한다. 제논 가스와 전기만 있으면 오랫동안 켜 둘 수 있고, 게임플레이를 위해 현실보다 전력효율과 추진력을 엄청나게 뻥튀기해준 물건이지만 여전히 추력이 매우매우 약한지라 극소형 인공위성 정도 쏘는 것 이외에는 별 효용이 없다. 조금만 덩치 큰 위성을 만들면 30분씩 분사해야 하는 사태가 터지기도 한다. 이에 대해서는 그냥 제논 탱크와 이온 엔진을 더 달고 발전기 패널도 더 달면 해결되지 않느냐는 의견도 있다.[10]
- 문명 5의 과학승리를 위해서는 SS시리즈 유닛을 전부 만들어야 하는데,이 중에 SS엔진은 이온엔진이다.
- 테라 인빅타 근미래 전략 시뮬레이션 게임에서 플레이어가 초반에 연구할 수 있는 추진기로 등장한다. 하드SF를 지향하다 보니 홀, 그리드, VASIMR 등 실존하거나 연구된적이 있는 엔진 스펙상의 전력 요구량과 출력비 그대로 반영되었다. 그 결과로 유인우주선에 최소한 핵분열 발전기라도 달지 않으면 도저히 쓸수 없으며, 초기치곤 많은 델타v를 얻을 수 있지만 전투추력은 거의 없는편이여서 외계인 군함이 달라붙으면 회피하기 힘들다.
- 영화 유랑지구에서는 태양이 적색거성화하자 중국의 주도로 이온 추진제를 이용한 만여 개의 행성엔진을 이용해 지구를 옮기는
대륙의 기상"프로젝트 유랑지구"를 실행하고, 도입부에서만 목성 부근까지 옮기는 데 성공한 것으로 나온다.
- 이만배의 만화 오디세이(웹툰)에서 목성의 위성인 가니메데 탐사선으로 개조된 ISS에 이온 엔진을 달고 목성으로 향한다. 이때 이온 엔진의 전력소모와 목성에서 받는 적은 태양광을 커버하기 위해 원자력 전지를 추가로 달았다.
6. 관련 문서
[1] 추력대 중량비가 1만 넘으면 자신의 추력으로 공중에 뜨는 것이 가능하다. 현용 제트엔진 중 가장 강력한 P&W F135 엔진은 엔진 자체의 추중비가 7.47:1, 애프터버너 가동시에는 11.47:1이나 된다.[2] 그럼 우주에서 방귀를 계속 뀌면 가속이 되지 않을까 생각할 수도 있겠는데, 물론 가능하다. 분류적으로는 콜드가스 추진이며, 이 콜드가스 추진은 우주선의 자세제어, 순간적인 가감속등에 매우 잘 사용된다.만화에서 보던 우주에서 소화기뿌려서 앞으로 가기와 똑같은 방식이다. 다만 이 콜드가스추진으로 방귀를 재현했을때 사용되는 연료량이 이온엔진으로 사용되는 연료량보다 압도적으로 많기 때문에 이온엔진쪽이 연구되는것. 콜드가스추진으로는 아무리 가늘고 길게 방출하더라도 이온엔진처럼 년단위 출력을 돌리는건 불가능에 가깝다.[3] 이온 엔진은 그리드 방식 외에도 전열 방식이나 홀 효과 방식 등 다양한 가속방법들이 있다.[4] 우주탐사선용 원자력 전지는 대개 플루토늄 238을 연료로 사용해 왔는데 이게 생산시설의 유지비가 비싸서 미국은 1988년 이후로 생산을 중단해 재고가 거의 없다. 러시아도 생산을 중단해 수입도 어렵다. 2015년부터 오크리지 핵연구시설에서 연간 최대 1.5kg을 생산하고 있지만 MMRTG(다중 임무 방사성 동위원소 열전 발전기) 하나에 4-4.8 kg 이 필요해 턱없이 부족한 실정이다.[5] 핵폭탄으로 소행성을 폭파시킨다거나 하는 것은 그다지 좋은 생각이 아니다. 지금의 기술력으로도 핵폭탄의 기폭 타이밍을 정확히 맞춰 소행성을 깨부수거나 경로에서 밀어낼 수는 있겠으나, 소행성의 파편이 어디로 어떻게 튈지 모두 예상할 수는 없다.[6] http://www.ted.com/talks/lang/ko/phil_plait_how_to_defend_earth_from_asteroids.html[7] 코스타리카 출신 중국계 혼혈 우주비행사로, 무려 통산 7회의 우주왕복선 임무를 수행하였다.[8] 어찌어찌 원자로를 소형화해서 실었는데 그 로켓이 사고로 공중 폭발하거나 다른 나라 땅에 떨어지면 뒷수습이 많이 힘들 것이다. 전자는 자국 영토에 방사능 분진을 뿌리는 것이고, 후자는 상대국이 더티 밤 테러로 받아들일 수도 있다.[9] 빛의 분산도는 거리의 제곱에 비례한다. 따라서 거리가 절반이 된다면 1/4의 전력으로 같은 신호강도를 확보할 수 있다.[10] 물론, 잘만 사용하면 이것만 가지고도 SSTO를 만들어 목성까지 가는 짓도 가능하다. 하지만 정신건강에 이롭지 않으니 추천하지는 않는다...