화성까지 10배 빨리..美과학자, 새로운 플라스마 로켓 만든다

[서울신문 나우뉴스]

화성까지 10배 빨리…美과학자, 새로운 플라스마 로켓 만든다

미국의 한 물리학자가 새로운 플라스마 로켓을 고안해 인류가 화성에 가는 꿈에 한 발자국 더 가까워졌다.

미 에너지부와 프린스턴대가 공동 운영하는 프린스턴 플라스마물리학연구소(PPPL)의 물리학자 파티마 에브라히미 박사가 이번에 고안한 새로운 플라스마 로켓은 전기장이 아닌 자기장을 사용한다. 이에 따라 기존 플라스마 로켓보다 10배 더 빠르다는 것이 그의 설명이다.

플라스마는 고체와 액체 그리고 기체에 이어 물질의 네 번째 상태를 말하는데 기체 상태의 물질에 에너지를 계속 가하면 원자핵과 자유전자가 각각 자유롭게 날아다니는 불안정한 상태가 된다. 이 특별한 상태를 플라스마라고 하는 것이다. 그러면 이 플라스마를 로켓이나 항공기에 추력을 가하기 위해 쓸 수 있다.

실제로 지금까지 개발 중인 플라스마 로켓에는 엔진 안에서 플라스마를 만들어내고 거기에 전기장을 가함으로써 입자를 가속·분사하게 한다. 하지만 이런 플라스마 로켓은 추력과 속도가 떨어져 우주여행에서는 시간이 걸릴 수밖에 없다.

이 장치는 자기장을 이용해 로켓의 뒷면에서 플라스마 입자를 발사해 우주 공간을 통해 우주선을 추진한다. 그림은 자기 재연결에 의해 이리저리 밀려다니는 플라스마 입자를 보여주는 스러스터 개념.(사진=아카이브)

반면 에브라히미 박사가 고안한 새로운 플라스마 로켓은 자기장으로 입자를 가속해 초당 몇백㎞의 속도를 낼 수 있다. 이것이 기존 플라스마 로켓 속도의 10배에 해당한다는 것이다.

파티마 에브라히미 박사.(사진=PPPL)

에브라히미 박사의 이런 아이디어는 핵융합 실험에서 영감을 얻은 것으로 전해졌다. 핵융합 반응은 가속 상태에 있는 원자핵끼리 부딪히게 함으로써 발생한다. 하지만 일반적인 상태에서는 원자핵 주위에 있는 전자가 충돌을 방해해 반응이 일어나기가 어렵다.

이에 따라 핵융합 실험에서는 우선 플라스마 상태를 만들고 나서 원자핵과 전자를 분리함으로써 핵융합을 가능하게 한다. 이때 플라스마를 가두는 데 이용되는 것이 바로 자기장인 것이다. 플라스마는 플러스 상태의 원자핵과 마이너스 상태의 전자로 구성돼 있어 전기를 통해 쉽게 자력선의 영향을 받는다. 따라서 자석으로 자기장을 만들어 플라스마를 가둠으로써 입자를 계속 가속할 수 있는 것이다. 게다가 갇힌 상태에서 초고온이 된 플라스마는 플라스모이드(plasmoid)라는 고밀도 플라스마 덩어리가 된다.

핵융합 실험의 목적은 원자핵을 충돌시키는데 있지만 에빌라히미 박사는 이 실험 과정에서 발생하는 플라스모이드에 주목했다. 플라스모이드를 로켓의 추력으로 이용하면 속도를 크게 향상할 수 있다고 생각했기 때문이다.

자기장의 사용은 과학자들이 특정 임무를 위해 추력 양을 조정할 수 있게 하고 우주비행사들은 먼 우주로 비행하는 동안 추력 양을 바꿀 수 있다.(사진=Iter)

에브라히미 박사의 새로운 플라스마 로켓과 기존 플라스마 로켓 사이에는 크게 세 가지 차이가 있다. 첫째 자기장의 세기를 바꿈으로써 추력도 늘리거나 줄일 수 있다. 연구 논문에는 “추력은 자기장 강도의 2배에 비례한다”고 기술돼 있어 자기장에 의한 속도 조절이 가능하다. 그다음으로는 새로운 플라스마 로켓이 플라스마 입자와 플라스마모이드 모두를 방출할 수 있다는 점에 있다. 기존 로켓보다 플라스모이드가 추가돼 더 강력한 추력을 만들어낼 수 있다는 것이다. 마지막으로 새로운 플라스마 로켓은 자기장을 이용한다는 것이다. 기존 플라스마 로켓은 전기장을 이용하기에 무거운 원자만을 사용하지만 자기장을 이용하는 새로운 플라스마 로켓은 무거운 원자뿐만 아니라 가벼운 원자도 사용할 수 있다. 그러면 임무마다 추진제 연료를 바꿔 추력을 조절할 수 있다는 것이다.

즉 새로운 플라스마 로켓은 기존 플라스마 로켓보다 속도가 10배 더 빠를 뿐만 아니라 추력을 세세하게 제어할 수도 있다는 것이다.

이에 대해 에브라히미 박사는 “다음 단계는 시제품을 만들어내는 것”이라고 말하며 앞으로의 진전을 기대하게 했다.

자세한 연구 성과는 국제학술지 ‘플라스마물리학저널’(Journal of Plasma Physics) 최신호(12월 21일자)에 실렸다.

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

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