부산대학교·한국원자력연구원 공동연구팀이 심우주 탐사 전기추력기의 가속 특성이 자기장 구조와 밀접하게 연관돼 있음을 밝혀냈다.
부산대(총장 최재원)는 김호락 항공우주공학과 교수팀과 채길병 한국원자력연구원 연구팀이 공동으로 차세대 심우주 탐사용 '전기추력기(MPD : Magnetoplasmadynamic)' 내에서 발생하는 미확인 이온 가속 메커니즘을 자기장 구조 분석으로 규명했다고 10일 밝혔다.
'MPD 추력기'는 우주선이 심우주로 갈 때 사용하는 플라즈마 엔진이다. 전기와 자기장으로 뜨거운 기체(플라즈마)를 빠르게 밀어내며 추진력을 얻는다. 전류와 자기장의 상호작용(로렌츠 힘)으로 플라즈마를 가속하는데, 이 과정에서 자기장 형상이 어떻게 성능을 제한하거나 향상시키는지에 대해서는 실험적 검증이 부족했다.
공동연구팀 분석 결과 이때 자기장을 무조건 세게 하는 것보다 자기장의 모양(구조)을 잘 설계하는 것이 중요했다. 자기장이 거의 0이 되거나 방향이 급격히 바뀌는 지점(자기 영점)에서는 오히려 힘이 줄어들 수 있다는 사실도 확인했다.
연구팀은 전자석과 영구자석으로 서로 다른 두 가지 자기장 환경을 구축하고, 추진기의 추력, 비추력, 이온 에너지 분포를 정밀 측정했다. 그 결과 자기장의 기하학적 구조가 이온 가속의 효율을 결정짓는 핵심 변수임을 밝혀냈다.
이어 자기장의 세기가 0이 되거나 자기력선 방향이 급격히 변하는 특정 지점(자기 영점)에서 추진력이 감소하는 현상을 발견하고, 이를 토대로 자기장의 세기보다 자기력선의 정렬 상태와 전자 흐름을 최적화하는 구조 설계가 추력기 성능 향상의 핵심임을 입증했다.
연구팀은 연구 실험에서 15㎾(킬로와트)급 입력 전력으로 최대 436mN(밀리뉴턴) 추력과 2935초의 비추력을 확보해 고성능 전기추진 엔진 설계에 새로운 가이드라인을 제시했다. 향후 고출력 전기추진 시스템, 원자력 기반 우주 추진 기술, 심우주 탐사 추진 시스템 연구 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
김호락 교수는 “베일에 싸여 있던 MPD 추진기 내부의 이온 가속 메커니즘을 실험적으로 규명했다”며 “우리나라 심우주 탐사선 추진 시스템 개발과 상용화에 중요한 기술적 토대가 될 것”이라고 말했다.
부산=임동식 기자 dslim@etnews.com
