3'30" 읽기
- 핵 열 드라이브는 화학 로켓 엔진보다 효율적이기 때문에 달과 화성에 대한 미래의 유인 임무를 위한 비행시간을 줄일 수 있을 것
- 미국 우주국은 지금까지 이 프로젝트에 약 3억 달러를 책정

NASA는 원자력으로 화성에 가고 싶어
원자력 추진 로켓 수주, 2027년 첫 우주 시험

50년 후의 르네상스:
NASA는 원자로에 의해 연료가 가열되고 기화되는 로켓인 원자력 우주선에 대한 아이디어를 재발견했다. 핵 추진력을 갖춘 최초의 시험 로켓은 이르면 2027년에 궤도에서 시험될 예정이며, 이에 대한 주문은 며칠 전에 이루어졌다. 핵 열 드라이브는 화학 로켓 엔진보다 효율적이기 때문에 달과 화성에 대한 미래의 유인 임무를 위한 비행시간을 줄일 수 있을 것이다. 

▲ NASA는 이르면 2027년 우주에서 최초의 원자력 로켓을 시험하기를 원한다. ©NASA

이 아이디어는 로버트 오펜하이머와 맨해튼 프로젝트 시대에 생겨났다. 일찍이 1945년에 미사일을 추진하기 위해 핵분열 에너지를 사용하려는 초기 계획이 있었다. 1955년 미군은 로켓 엔진용 원자로 개발을 목표로 프로젝트를 시작했다. 이를 위해 Los Alamos 연구소의 과학자들은 이러한 핵 열 드라이브의 첫 번째 개념을 연구했다. 1959년 NASA가 이 프로젝트를 인수했고 현재는 민간 우주 비행을 위한 원자력 로켓의 사용에 초점을 맞추고 있다.

추진력으로서의 원자로: NERVA 프로젝트

핵 열 구동 개념의 핵심은 핵분열을 통해 2,600도 이상까지 가열되는 소형 원자로다. 이 열은 액체 로켓 추진제(예: 액체 수소)를 폭발적으로 증발시켜 추진에 필요한 추진력을 생성한다. 이 목적을 위한 최초의 원자로는 이미 1959년과 1960년에 네바다주에 있는 미국 핵 실험장에서 테스트되었으며, 최초의 실험용 로켓 엔진인 NERVA XE는 1969년에 여러 테스트를 완료했다.

그러나 미국이 아폴로 계획으로 달 탐사 경쟁에서 승리한 후 로켓을 위한 핵 추진은 제외되었다. 1973년에 NERVA 프로젝트는 자금 부족으로 중단됐다. 원자력 로켓을 사용한 최초의 시험 비행이 시작되기 직전이었다. 그 계획은 발사 시 위험을 줄이기 위해 성공적인 발사 후 핵분열과 원자로를 상부 로켓 단계로만 사용하는 것이었다.

▲ 1959년 로스 알라모스에서 최초의 핵 열 로켓 엔진을 시험하기 위한 준비. © NASA/ Glenn Research Center

유인 화성 비행을 위한 새로운 버전

원자력 추진 로켓 추진은 이제 르네상스를 경험하고 있다. 국방부에 보고하는 NASA와 DARPA는 2023년 1월 핵열 추진 시스템을 개발하기 위한 DRACO 프로그램(민첩한 Cislunar 작업을 위한 데모 로켓)을 시작했다. 미래의 달과 화성 비행을 위해. NASA의 빌 넬슨 국장은 "아르테미스 프로그램을 통해 인간을 달로 돌려보내는 것이 NASA의 최우선 과제이지만 우리는 화성에 인간 임무를 가능하게 할 기술에도 투자하고 있다"고 말했다.

핵 로켓 엔진은 달과 화성까지의 비행시간을 크게 단축하여 유인 탐사 및 보급 비행을 용이하게 하기 위한 것이다. "이 새로운 기술의 도움으로 우주비행사들은 그 어느 때보다 더 빠르게 우주로 오고 갈 수 있었다"고 Nelson은 말했다. "이것은 화성에 대한 유인 임무의 핵심 요소다." 핵 추진은 2년마다 발생하는 지구와 화성의 가장 유리한 별자리 외부에서 임무를 시작하는 것을 가능하게 할 수 있다.

▲ 1970년 핵 열 로켓 엔진의 개략도.© NASA/ Glenn Research Center

HALEU 우라늄으로 최적화된 드라이브

이것은 핵 추진 장치의 더 높은 추력과 더 낮은 연료 요구량으로 가능하다. NASA 프로그램 관리자인 Tabitha Dodson은 "핵 열 로켓은 화학 추진과 비슷한 추진력을 가지고 있지만 2~3배 더 효율적이다"고 말했다. 이전 NERVA 프로젝트와 달리 새로운 핵 추진 시스템은 최신 핵 연구 결과를 기반으로 한다.

고농축우라늄(HALEU)은 로켓 원자로의 핵연료로 사용된다. 이 핵연료에서 우라늄은 재래식 원자력 발전소보다 핵분열성 우라늄-238이 더 농축되어 있다. 최대 5% 대신 무거운 우라늄 동위원소의 비율은 5~20%이다. 이것은 같은 양의 연료로 열의 형태로 더 많은 에너지를 생성하는 것을 가능하게 한다. HALEU 우라늄은 논쟁의 여지가 있는 소형 원자력 발전소의 핵연료로도 논의되고 있다.

NASA 리서치의 짐 로이터(Jim Reuter)는 "새로운 우주 재료와 기술 발전은 핵 우주 기술의 새로운 시대를 가능하게 하고 있다"고 말했다. "이전 드라이브 프로젝트를 통해 얻은 전문 지식을 여기서 사용할 수 있다.”

2027년에 계획된 최초의 우주 시험

DRACO 프로그램에 대한 첫 번째 구체적인 주문은 며칠 전인 2023년 7월 2일에 수주되었다. 일정에 대한 초기 정보도 있다. 이에 따라 BWX Technologies사는 로켓 엔진용 원자로를 개발 및 구현하고 NASA는 DRACO 엔진을 설계하며 Lockheed Martin은 로켓을 제작 및 테스트한다. 최초의 원자력 로켓은 이르면 2027년 우주에서 시험될 예정이다.

NASA 부국장인 Pam Melroy는 "이 테스트는 달과 화성에 대한 인간 탐사 목표를 달성하는 데 중요한 단계가 될 것"이라고 말했다. 1960년대의 원래 시험 계획과 유사하게, 안전상의 이유로 핵 추진 시스템은 로켓이 궤도에 도달하고 계획되지 않은 문제가 없을 때만 활성화되어야 한다. 미국 우주국은 지금까지 이 프로젝트에 약 3억 달러를 책정했다.
출처: NASA

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]