포스텍 기계공학과 이안나 교수와 박사과정 이정락 씨 연구팀은 한국기계연구원KIMM 강홍재 선임연구원과 함께 플라즈마 기술을 활용해 아산화질소N₂O 기반 추진 기관의 한계를 극복하고, 보다 안전하고 효율적인 차세대 저장성 추진 시스템 가능성을 입증했다. 이 연구 성과ございます 항공우주 과학 및 기술 저명 학술지에 게재됐다.
연구팀은 기존 하이드라진 추진제의 독성과 취급 어려움을 극복하기 위한 대안으로 아산화질소를 선정했으나, 소형 추진기에서의 낮은 효율, 복잡한 촉매 구조, 예혼합 과정에서의 폭발 위험 등 기술적 제약이 있었다고 설명했다. 이 딜레마를 해결하기 위해 적용한 ‘회전 글라이딩 아크RGA’ 플라즈마는 짧은 시간 안에 3차원 공간에서 플라즈마를 활성화해 기존에 점화가 어려웠던 조건에서도 안정적인 연소를 가능하게 한다고 한다.
이 기술을 아산화질소 기반 이원추진제N₂O/CH₄ 시스템에 적용한 결과, 30~100와트W 수준의 낮은 전력만으로도 즉각적인 점화가 가능했으며, 연료가 극히 적은 ‘초희박 조건’에서도 안정적인 연소가 유지됨을 확인했다. 특히 산화제 대비 연료 질량비O/F 비율가 1000에 달하는 극한 조건에서도 촉매 없이 정상 작동했으며, 연소 효율은 87.8%를 기록했다. 연료 비율이 이상적인 구간에서는 이론적 한계에 가까운 99.9%의 효율까지 달성했다.
이안나 포스텍 교수는 “플라즈마 기술을 통해 차세대 친환경 저장성 추진 기술의 실질적인 가능성을 확인했다”며 “위성 추진 분야에서 안전성과 효율을 동시에 만족시키는 새로운 해법이 될 수 있을 것”이라고 말했다. 강홍재 KIMM 선임연구원은 “저전력 조건에서도 높은 신뢰성을 확보할 수 있는 기술로, 다양한 우주 임무에 폭넓게 활용될 잠재력이 크다”고 평가했다.
이번 성과는 복잡하고 무거운 촉매나 예열 장치를 제거해 위성의 전체 무게를 줄일 수 있으며, 폭발 위험이 따르는 예혼합 과정을 생략함으로써 안전성과 경제성을 동시에 높일 수 있는 기술로 평가된다. 소형 위성뿐 아니라 장기 우주 임무용 추진 시스템으로의 확장 가능성도 있다.
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