NASA, 핵추진 로켓 사용한 화성 여행 준비···2030년대 가능할 듯

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우주비행중인 핵 로켓으로 추진중인 우주선 이미지. (사진=나사)

태양계를 여행하는 더 선호되는, 더 빠른 수단으로인 핵분열 로켓이나 핵융합 로켓을 만드는 경쟁이 시작됐다. 
IEEE스펙트럼은 최근 미항공우주국(NASA·나사)이 화성을 포함한 미래 우주 탐사 임무를 위한 새로운 추진 기술로 (화학연료 로켓 대신) 핵 로켓 기술을 사용하기 위한 투자를 하고 있다고 소개했다. 지구상에서의 온갖 논쟁에도 불구하고, 원자로는 대형 우주선을 화성이나 그 너머로 빠르게 데려다 주는 데 필요한 에너지와 추진력을 생산할 수 있다.

핵 로켓 엔진에 대한 생각은 1940년대로 거슬러 올라간다. 그러나 이번에는 핵분열과 핵융합에 의해 추진되는 행성간 임무를 위한 훨씬 더 가능성 높은 새로운 설계에 의해 뒷받침되고 있다는 점에서 차이를 보인다. 
결정적으로 중요한 사실은 우주선에 핵 로켓을 탑재하더라도 지구 대기권에서는 사용하지 않는다는 점이다. 지구를 벗어난 후 행성 간 이동을 위해서만 사용된다. 화학연료를 사용하는 로켓은 이 우주선이 지구 저궤도를 벗어나는 데에만 사용된다. 지구중력을 벗어나면 그 때부터 핵추진 로켓 시스템이 가동된다.

◆ 2년 내 화성갔다 귀환하는 데엔 핵추진 로켓이 유리

그 과제는 이 핵 엔진들을 안전하고 가벼워지게 만드는 것이었다. 새로운 연료와 원자로 설계는 이 도전 과제에 부응하는 것으로 보인다. 현재 나사는 미래의 핵 연료를 사용하는 유인 우주선 미션을 위해 우주 산업계 파트너들과 협력하고 있기 때문이다. 제프 쉬 나사 우주기술임무이사회 수석 엔지니어는 “화성으로 가서 2년 이내에 돌아오기를 원한다면 핵 추진이 유리할 것”이라며 “(화성탐사에서) 선진화가 필요한 핵심 기술은 연료”라고 말한다. 
특히 연료는 핵 열 엔진 내부의 초고온과 휘발성 조건을 견뎌야 한다. 나사와 핵연료 로켓 개발을 위해 협력 중인 미국의 두 기술 회사는 이제 자신들의 연료가 안전하고, 작고, 성능 좋은 원자로에 부합될 정도로 충분히 튼튼하다고 말한다. 사실 이 회사들 중 한 곳은 이미 나사에 세부 개념 디자인을 전달했다.

◆ 원자력발전소 코어보다 8배 뜨거워도 견딜 수 있어야

작고 안전한 핵추진 로켓으로 다른 행성을 가기 위한 또 다른 길이 있다고 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소의 새무얼 코언은 말한다. 사진은 핵융합 원자로. (사진=프린스턴 플라즈마 물리학 연구소)

핵 열(핵융합) 추진은 핵 반응에서 방출된 에너지를 사용해 액체 수소를 약 2430°C로 가열하는데, 이는 원자력 발전소 코어의 약 8배나 되는 엄청나게 뜨거운 온도다. 추진제는 팽창해 엄청난 속도로 노즐에서 분사된다. 이것은 화학 로켓 추진제의 2배에 달하는 추진력을 낼 수 있어 핵추진우주선이 더 오래, 더 빨리 이동할 수 있게 해 준다. 게다가 일단 목적지에 도착하게 되면, 원자로는 그곳이 토성의 달 타이탄이든 명왕성이든 간에 추진 시스템에서 동력원으로 전환된다. 이는 우주선이 그곳에 머물면서 수년 간 고품질 데이터를 지구로 전송할 수 있게 해 준다.

◆ 고농축 우라늄 기반 핵추진 로켓 제작 경쟁에 나선 업체들

핵 로켓이 충분한 추진력을 얻게 하려면 핵무기급 고농축 우라늄이 필요하다. 상업용 발전소에서 사용되는 저농축 우라늄 연료는 사용하기에 더 안전하겠지만, 폭발 온도와 극도로 반응하는 수소의 화학적 공격에 의해 부서져 분해돼 버리기 쉽다. 그러나 시애틀에 본사를 둔 USNC(Ultra Safe Nuclear Corp.)테크는 20% 미만의 농축 우라늄 연료를 사용하고 있다. 이 회사의 마이클 이데스 엔지니어링 이사는 “이는 원자로용 우라늄보다 높은 등급이지만 악의적인 목적으로 전용될 수 없기 때문에 핵확산 위험을 크게 줄일 수 있다”고 말한다.

이 회사의 연료는 지르코늄 카바이드 매트릭스에 분산돼 있는 미세한 세라믹 코팅 우라늄 연료 입자를 함유하고 있다. 이 마이크로캡슐은 열을 방출하는 동안 내부에 방사성 핵분열 부산물을 유지한다. 버지니아주 린치버그에 있는 BWX테크놀로지는 나사와의 계약에 따라 유사한 세라믹 복합 연료를 사용하는 설계를 검토하고 있으며, 금속 매트릭스에 둘러싸인 대체 연료 형태도 조사하고 있다.

원자로로 추진되는 로켓 개발에 나선 BWX테크놀로지는 미 해군 핵잠수함과 핵항공모함 가동용 원자로를 공급한다. (사진=BWXT)
BWX테크놀로지가 공급한 원자로로 가동되는 미 해군 핵항공모함. (사진=BWXT)

이 회사의 첨단 기술 그룹 총책임자인 조 밀러는 “우리는 2017년부터 원자로 설계를 연구해 왔다”고 말한다. 두 회사의 디자인은 각기 다른 종류의 감속재에 의존한다. 감속재들은 핵분열 동안 생성된 에너지 넘치는 중성자들을 감속시켜 원자로를 녹아내리게 하는 대신 연쇄반응을 지속시킨다. BWX는 자사의 연료 블록을 수소화물 원소들 사이에 산재시키는 반면, USNC테크의 독특한 디자인은 베릴륨 메탈 감속재를 연료와 통합한다.

이데스 이사는 “우리의 연료는 한 조각으로 유지되고, 뜨거운 수소와 방사선 조건에서도 살아남으며, 원자로의 중성자를 모두 먹어치우지는 못한다”고 말했다. 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소 과학자들은 행성 간 이동을 위한 핵융합 추진 로켓 개발의 긴 과정에서 최대 100만℃까지 융합 플라즈마를 가열하기 위해 이 실험용 원자로를 사용하고 있다. 
메인라인 핵융합은 중수소 및 삼중수소 연료를 사용하지만, 코언은 매우 적은 중성자를 생성하는 고온 플라즈마에서 중수소 원자와 헬륨-3 사이에 일어나는 핵융합에 의존하는 원자로를 만들기 위한 노력을 주도하고 있다.

그는 “우리는 중성자가 강철과 같은 구조 물질을 스위스 치즈처럼 만들 수 있고 그것을 방사능으로 오염시킬 수 있기에 좋아하지 않는다”고 말한다. 코언은 “직접 융합 드라이브(Direct Fusion Drive)라는 프린스턴연구소의 컨셉또한 기존 핵융합보다 훨씬 적은 연료를 필요로 하며, 장치의 크기는 1000분의 1에 불과하다”고 말했다.

◆ 핵융합추진 로켓, 핵분열기반 추진력 능가

시애틀에 본사를 둔 USNC테크. (사진=UNSC)

나사의 쉬히는 “핵융합 추진은 이론상 핵분열 기반의 추진력을 훨씬 능가할 수 있는데, 이는 핵융합 반응이 최대 4배의 에너지를 방출하기 때문”이라고 설명했다. 그는 “그러나 이 기술은 그리 오래되지 않았고 플라즈마를 생성 및 차폐하며, 방출되는 에너지를 제트 배기로 효율적으로 변환하는 것 같은 여러 가지 도전 과제에 직면해 있다. 이것은 2030년대 후반에 화성 임무를 위한 준비가 될 수 없을 것이다”라고 말했다.

반면 USNC테크는 이미 새로운 연료에 기반한 소형 하드웨어 프로토타입을 제작했다.

이데스 이사는 “우리는 2027년까지 발사할 수 있는 절반 규모의 시범 시스템을 갖추려는 나사의 목표 달성을 위한 궤도에 올랐다”고 말했다. 다음 단계는 2035년 화성에 도착해 임무를 잘 수행할 수 있는 본격적인 화성 비행 시스템을 구축하는 것이다.

이 내용은 IEEE스펙트럼 새해 1월호 인쇄본에 ‘핵 추진 로켓을 다시 한 번 살펴보다(Nuclear-Powered Rockets Get a Second Look)’라는 제목으로 실렸다.

아래는 핵추진 로켓을 설명하는 동영상이다.

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