3'30"읽기
- 오늘날 우주 탐사선과 위성은 화학 연료가 아니라 전기 시스템에서 추진력 얻는다.
- 대부분 이온 드라이브 형태, 연료는 크세논(제논), 고비용 생산 제한적 원료
- 요오드는 제논보다 훨씬 저렴하고 일반적, 100도 이하에서 고체, 3배 밀도 높아
- 압력 없이 저장할 수 있고, 이용 가능해 큰 이점

궤도에서의 첫 번째 요오드 연료 추진
요오드 기반 이온 추진은 일반적인 크세논 추진 시스템보다 저렴하고 효율적이다.

"게임 체인저"가 될 가능성:
과학자들이 요오드를 기반으로 하는 새로운 유형의 우주 추진 시스템을 개발하고 처음으로 위성에서 성공적인 테스트를 마쳤다. 새로운 시스템은 이전에 이온 추진에 사용되었던 비활성 기체인 크세논이나 크립톤 대신 고체 요오드를 사용한다. 이것은 가열되고 이온화돼 플라즈마 스트림으로 방출된다. 요오드는 희귀가스보다 저렴하고 풍부하며 다루기 쉽기 때문에 위성 별자리와 우주 탐사선을 위한 추진 기술에 혁명을 일으킬 수 있다. 

▲ 진공 챔버에서 테스트하는 동안 새로 개발된 요오드 드라이브. © ThrustMe

오늘날 우주 탐사선과 위성은 종종 화학 연료가 아니라 전기 시스템에서 추진력을 얻는다. 대부분 이온 드라이브의 형태다. 이들은 전기와 자기장을 사용해 가스를 이온화하고 정전기력을 사용해 생성된 플라즈마를 가속하고 고속으로 방출한다. 이러한 이온 드라이브는 효율적이며 연료와 공간이 거의 필요하지 않다. 따라서 대부분의 최신 정지 위성과 일부 우주 탐사선은 이미 이러한 드라이브를 사용하고 있다.

문제는 이온 드라이브의 공통 연료가 대부분 크세논이라는 것이다.
이 희귀가스는 지구상에서 극히 드물고 생산이 비싸고 제한적이다. 프랑스 스타트업 "Thrust Me"의 Dmytro Rafalskyi는 "위성 거대 별자리의 붐으로 크세논에 대한 수요가 향후 10년 동안 공급을 초과할 수 있다"고 설명했다. 또한 크세논은 선상에서 특수 고압 탱크에 저장해야 하므로 복잡한 기술이 필요하다.

▲ 일본 소행성 탐사선 Hayabusa-2는 기동을 위해 제논(크세논) 드라이브를 사용한다. © DLR / CC-by-sa 2.0

희귀가스 대신 고체 할로겐

따라서 과학자들은 더 저렴하고 사용하기 쉬운 이온 연료가 필요했고 요오드에서 원하는 것을 찾았다.
이 할로겐은 크세논에 비해 몇 가지 장점이 있다.
"요오드는 크세논보다 훨씬 저렴하고 일반적이다"고 Rafalskyi는 설명했다. 또한 요오드는 100도 이하의 온도와 상압에서 고체이며 크세논보다 3배나 밀도가 높아 압력탱크로 운반할 필요가 없다.

비용도 상당히 낮다. "요오드 연료 비용은 약 60달러이고 필요한 하드웨어 비용은 약 200달러였다"고 팀은 말했다. 반면에 같은 크기의 제논 엔진을 사용하면 휘발유 가격만 약 1,275달러에 달한다. 티타늄, 밸브 및 기타 하드웨어로 만든 고압 탱크 비용은 요오드 비용보다 약 100배 높다.

또 다른 이점:
"요오드의 이온화 임계값이 낮고 이원자 형태의 경우 크세논보다 질량이 거의 두 배나 높다."라고 연구자들은 설명했다. 이들 모두는 공급된 전기 에너지와 관련하여 추력을 증가시킨다.

요오드에서 플라즈마 추진까지

요오드 드라이브의 경우 요오드를 먼저 녹인 다음 알루미늄과 산화아연으로 만든 세라믹 프레임워크에 붓는다. 냉각되면 할로겐이 응고되어 시스템 탱크에 블록으로 배치할 수 있다. 요오드는 금속을 부식시키기 때문에 탱크의 내부 표면과 기타 금속 부품은 폴리머층으로 코팅된다. 구동을 시작하기 위해 요오드는 전기 가열 요소에 의해 가열되고 승화된다.

그런 다음 요오드 가스는 무선 주파수 안테나가 요오드 원자를 이온화하는 전기장을 생성하는 플라즈마 챔버로 흐른다. 양으로 대전된 요오드 이온으로 생성된 전류는 하전된 그리드에 의해 정전기적으로 가속된다. 구동 노즐을 빠져나가기 직전에 음극은 이온 스트림에 전자를 다시 추가해 플라즈마가 중성이 되도록 한다. 플라즈마 제트가 필요한 추력을 생성한다.

테스트 결과 이 ​​시스템은 매우 효율적으로 작동하는 것으로 나타났다.
"동일한 질량 유량과 무선 주파수 출력에 대해 제논보다 요오드를 사용하면 거의 50% 더 강한 입자 빔이 생성된다"고 과학자들은 보고했다. 

▲ 그림 1: NPT30-I2 요오드 전기 추진 시스템의 개략도. 고체 요오드(짙은 녹색 영역)는 플라즈마 소스 튜브(파란색 영역)의 상류에 있는 저장 탱크에 있다. 가열하면 승화되고 저압 가스(연한 녹색 영역)가 소스 튜브(녹색 화살표)로 들어간다. 플라즈마(보라색 영역)는 RF 안테나에 의해 생성되고 요오드 이온(I+, I2+ 및 I2+)은 그리드 세트에 의해 가속된다. 음극은 전자(e-)를 방출하여 이온빔을 중화한다. 폐열은 요오드 탱크 및 구조 프레임(파란색 실선 화살표) 쪽으로 전도되거나 방출된다(파란색 점선 화살표). (출처: 관련논문 In-orbit demonstration of an iodine electric propulsion system)

우주에서 요오드 연료의 첫 번째 테스트

팀은 또한 이미 요오드 드라이브가 우주에서 얼마나 잘 작동하는지 테스트했다.
이는 지구 궤도에서 이러한 유형의 드라이브에 대한 첫 번째 테스트다.
이를 위해 Rafalskyi와 그의 동료들은 무게가 약 20kg인 Cubesat 미니 위성에 새 드라이브를 장착했다. 모든 하위 시스템을 포함하는 시스템은 모서리 길이가 10cm인 정육면체 크기에 불과했다. 2020년 11월, 위성은 중국 장거리형 운송 로켓에 의해 저궤도에 발사됐다.

Cubesat의 요오드 엔진은 총 11번의 테스트에서 시작되어 다양한 비행 기동에 사용됐다. 팀 보고서에 따르면 추력은 0.35~0.8밀리뉴턴 미터와 50~60W의 전력으로 다양하다. 이것은 미니 위성을 측정 가능할 정도로 움직이는데 충분했다. 충돌을 피하기 위해 필요한 것과 같은 시뮬레이션된 회피 기동도 성공적으로 수행되었다.

"게임 체인저"가 될 가능성
"우리의 연구는 요오드가 크세논의 사용 가능한 대체 연료일 뿐만 아니라 향상된 성능을 제공한다는 것을 보여준다"고 Rafalskyi와 그의 동료들은 말했다. 수천 개의 위성 및 기타 새로운 우주 응용 분야의 거대 별자리가 성장하는 과정에서 압력 없이 저장할 수 있는 요오드는 풍부하게 이용 가능해 큰 이점이다.

싱가포르 난양 공과 대학의 Igor Levchenko와 호주 국립 대학의 Kateryna Bazaka도 큰 잠재력을 보고 있다. 첨부된 의견에서 그들은 "이 간단하고 효율적인 시스템은 작은 위성이 있는 시스템의 게임 체인저가 될 수 있다"고 강조했다.
(Nature, 2021, doi: 10.1038 / s41586-021-04015-y)
출처: 네이처, ThrustMe

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]