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이온 엔진

last modified: 2015-04-08 09:53:32 Contributors

Ion Propulsion Engine
Ion Thruster

딥 스페이스의 이온 엔진 NSTAR의 분사 모습.

Contents

1. 개요
2. 가늘고 오래가는 엔진
3. 매체에서의 이온 엔진
4. 관련항목

1. 개요

아르곤이나 제논 등의 추진제를 플라즈마(이온)화하여 전기적 특성을 띠게 한 후 전기적 힘(전기력, 전자기력)을 이용하여 가속하여 추진력을 얻는 추력기를 말한다.

2. 가늘고 오래가는 엔진

현재의 이온 엔진은 추진력이 부족하기 때문에 대기권/중력권에서 쓰기에는 턱없이 약하다. 엔진 스스로의 무게를 지면에서 들어올릴 정도의 힘도 내지 못한다. 과학동아에서의 표현에 따르면 종이 한 장 떨어질 때의 힘만큼도 못 낸다. 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.

즉, 최소한의 연료를 싣고 오래동안 가속을 해야 할 지라도 우주 공간은 공기 저항 등 엔진으로 얻는 운동에너지를 상실할 염려가 없다시피 하며, 중력권에서 멀다면 엔진 추력이 약하더라도 운동 에너지를 조절하기가 더 쉬워진다. 고로, 연료를 거의 소모하지 않고, 그 연료조차 매우 가벼운 엔진을 어찌되었든 우주 공간에 날려준다면 우주 탐사도 어느 정도 해볼만한 과제가 된다는 것.

이리하여 등장한것이 바로 이온 엔진. 입자 단위 극미량의 추진제를 전자기 가속해서 쏘아 추진력으로 삼는 것이다. 물론 쏘아내는 질량 자체가 워낙 작고, 이런저런 이유로 전자기 가속에도 한계가 있을수밖에 없으므로 추진력 자체는 극히 미약하다. 그러나 중력이 없는 우주에서는 약하든 말든 작용 반작용에 의해 추진이 가능하다. 그리고 대기와 마찰이 없는 우주의 특성상, 한번 추진력을 받은 물체는 어디에 충돌할 때 까지 계속 등속도 운동을 하게 된다. 달 탐사선인 아폴로만 해도, 달로 향해 잘 조준해서 한번 잠깐 분사한 것으로 달까지 갈 수 있었다.마찰력이 아예 없는건 아니지만 교실만한공간정도에 수소원자 1,2개정도이니 무시하자

그리고 이온 엔진의 장점은 바로 높은 에너지 효율과 무시무시한 지속 시간 즉, 연비다. 가늘고 길게 가는 이온 엔진 연료의 제한이 큰 기존 화학로켓 분사와 달리, 이온 엔진은 한번 분사로 끝나지 않고 계속 켜둔다. 덕분에 발사체는 느리지만 계속 가속도가 붙어, 한도 끝도 없이 가속하게된다. 이로 인해 처음 추진 속도나 반응성은 화학로켓에 비해 크게 밀리지만, 연료가 금세 소진되어 가속에 한계가 있는 현재의 화학로켓보다 수십, 수백배 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 48,000 시간, 5 년 반을 가동하는 기록을 세웠다. 43,000 시간 (약 5년) 간 가동하는데 소모된 연료가 고작 10톤 이었다고 한다.

연비가 얼마나 대단하냐면, 이온 엔진의 개념 실증을 주 목적으로 1998년에 발사된 딥 스페이스 1호는 670일간 엔진을 작동하며 몇몇 소행성혜성의 사진을 찍은 뒤 우주공간으로 날아갔는데, 그 2년 가까운 시간 내내 엔진을 작동시키는데 사용된 제논 추진제의 양은 고작 72kg이었다.[1]

처음 사용된 것은 SERT계획으로 1964년 NASA가 우주 공간에서 실험한 것. 이후 실험 외 실질적 목적으로 사용된 것은 2005년 발사된 우주탐사선 딥 임팩트였다. 딥 임팩트는 특이하게도 혜성 연구 전용 탐사선으로, 해성과 가까이 접근한 다음 충돌체를 표면으로 발사해 혜성의 구성물을 조사했다. 7월 혜성의 핵에 충돌체를 박아넣는데 성공했다. 이전의 혜성 탐사선이 가까이서 사진 촬영하는 것에 그친 것에 비해 큰 발전을 이룬 것. 임무는 완수했지만 그 후로도 다른 혜성을 탐사하는데 쓰이고 있다.

저 탐사선을 혜성이나 소행성에 넣었다는 말은 이미 인류가 총알의 50배의 속도로 이동하는 직경 100~200 미터짜리의 소행성에 탐사선을 꽂아넣을 수 있다는 소리며 날라가는 총알을 다른 총알로 맞춰내는 기술력을 이미 보유했다는 뜻이다. 위 사례가 이 이온엔진의 활용도를 급히 늘려줄 수 있는 이유는 핵폭탄으로 소행성에서 폭파시킨다거나 하는 기존의 영화속 발상과는 다르게[2]이온엔진을 소행성 궤도에 진입시켜 소행성과 탐사선의 중력을 동기화한다면 몇년에 걸쳐서 지속적인 분사로 아주 섬세하고 안전하게 소행성을 지구궤도에서 비껴나가게 할 수 있다.[3]

세계최초로 사용된 사례는 딥 임팩트보다 2년 앞서 2003년 발사된 일본의 소행성 탐사선 하야부사가 운용한 크세논 이온엔진으로 장장 1천시간을 가동해 60억km를 왕복함으로써 이온엔진의 위엄을 전세계에 알리는데 일조했다.

하야부사 이후로 심우주 탐사선들은 이온 엔진을 적극적으로 탑재할 예정이다. 당연하지만 기존의 화학로켓 엔진에 비해 무게와 공간이 크게 줄고, 항속도 크게 상향되었다. 다만 추진력 자체는 약하기에 로켓 엔진이 가지는 순간적인 추진력은 여전히 따라갈 수 없다. 미래에 이온 엔진이 개량되면 대기권에서도 쓸 날이 올 것이라는 예측이 있다. 그러기전에 전력을 제공할 핵발전기가 모든 비행체 및 차량에 장착되는 폴아웃세계관이 되버릴지도 모르지만...

현재 NASA에서는 VASIMR(가변 비추력 자기 플라즈마 로켓, Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)이란 초고온 플라즈마를 자기장으로 압축한후 팽창시킨다음 배출하여 엄청난 추력을 얻는 신형 이온엔진을 실험중에 있는데, 최고속도가 초속 56km에 달해 이 속도만 된다면 화성까지 편도 39일이라는 엄청난 속도를 얻을수 있다이거 잘하면 화성행 편도에서 왕복이 가능해질수도 있다.현재 200 kw짜리 VASIMR까지 나왔으며, 지속적으로 고추력의 VASMIR가 개발중에 있다.

3. 매체에서의 이온 엔진

북한[4] 자신들이 UFO를 만들었고, 그 UFO에 이온 엔진을 탑재했다고 주장하는 모양. 하지만 앞서 서술했다시피 지금의 이온 추진 기술로는 대기권에서 추진은 개뿔, 엔진 자체의 무게도 못 들어올린다. 애시당초 추진제(공기)가 넘쳐나는 대기권에서는 이딴짓을 할 필요도 없다.

반중력과 함께 SF물에 자주 등장하는 소재. 스타워즈 시리즈의 대다수 우주선만 하더라도 이온엔진을 주 추진력으로 쓰고 있다[5]. 은하 제국군의 TIE Fighter 의 TIE가 Twin Ion Engine 의 약자이다. 스타크래프트벌처또한 업그레이드를 통해 장착 가능하다. 특히 푸른 빛을 뿜어내는 것이 멋지기 때문에 자주 쓰인다.

아이언맨의 리펄서건도 이온 엔진의 한 변종일지도?

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  • [1] 가솔린의 밀도가 대략 0.71~0.79 kg/L이다.(위키피디아 가솔린 항목 참조) 계산 편의를 위해 가솔린 밀도를 0.72kg/L이라고 하면 가솔린 72kg면 100L. 리터당 10km정도 가는 자동차라면 그 가솔린으로 1000km을 갈 수 있으며, 60km/h 연속주행이라고 가정한다면 16시간 40분정도 달릴 수 있는 양이다. 결론적으로 가솔린 72kg를 가지고 엔진을 계속 돌리면 하루도 못 간다는 소리니, 이온 엔진의 연비가 어느정도인가 짐작할 수 있다.
  • [2] 게다가 핵폭탄을 소행성 바로 옆에서 터트리기란 극히 어렵다!, 기억하자 소행성은 움직이는 총알이며 핵폭탄이 점화되기 까지 걸리는 몇십분의 몇초도 정말로 긴 시간이다. 거기에다 계속해서 회전하는 소행성의 궤도를 까딱이라도 잘못 변경한다면 그대로 축!지구직행!이 될 수도 있다.
  • [3] http://www.ted.com/talks/lang/ko/phil_plait_how_to_defend_earth_from_asteroids.html
  • [4] 정확하게는 종북주의자들의 주장이다.
  • [5] 대기권에서는 반중력 엔진의 도움을 받는다.