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Nikkei Monozukuri_2023.1 특집 (p24~25)

소형위성을 움직이는 ‘물 엔진’
도쿄대학 발 벤처기업 '페일 블루'의 도전

민간 기업의 우주 사업 진입이 확산되고 있는 가운데 스타트업기업들의 활약이 주목받고 있다. 그 중 한 곳이 물을 추진제로 하는 소형위성용 추진기(물 엔진)를 개발하는 도쿄대학 발(發) 벤처기업 페일 블루(Pale Blue, 지바 현)이다. 소형이고 수명이 길어 취급이 용이한 물 엔진은 소형위성을 이용한 통신이나 각종 서비스에 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

페일블루가 개발한 물 엔진은 우주 공간에서 소형위성의 이동이나 자세 제어, 우주정거장으로부터의 소형위성 발사 등에 이용된다. 액체의 물을 기화시켜 수증기로 만들어 내뿜거나, 물의 플라즈마를 고속으로 내뿜어 추진력을 만들어낸다. 물을 추진제로 사용하는 엔진의 지상 실증에서 페일블루는 세계 최고 수준의 실적을 가지고 있다.

물 엔진은 로켓을 쏘아 올릴 만한 강력한 추진력은 없지만, 우주 공간에서 장기간 효율적으로 움직일 수 있다는 것이 특징이다. 추진제인 물이 안정적이고 안전하고 저렴하여 사용이 편리하다는 이점도 있다. 페일블루는 수증기 방식과 물 플라즈마 방식의 추진기를 조합한 세계 최초의 통합 추진 시스템(하이브리드방식, KIR)을 개발해 실증을 진행하고 있다.

기존의 추진기는 고가의 크세논(Xe)가스를 고압으로 저장하거나, 하이드라진 등 유독 화학물질을 사용해야 하기 때문에 취급이 어려웠다. 이러한 추진기와 비교해 물 엔진은 연비가 뛰어나 지속가능한 우주 개발에 도움이 될 것으로 기대되고 있다.

-- JAXA의 우주 실증에도 참가 --
최근에는 우주항공연구개발기구(JAXA)의 '혁신적 위성기술 실증 프로그램 3호기 프로젝트'에 채택되어 소형실증위성 3호기에 하이브리드방식의 물 엔진 탑재가 결정되었다. 2022년 10월 12일의 발사는 '입실론 로켓 6호기'의 이상으로 무산되었지만, 이후에도 여러 차례 발사 계획을 가지고 있는 등, 페일블루는 새로운 우주 실증을 정조준하고 있다.

성능 향상에 대한 연구개발도 지속해나갈 방침이다. 보다 물에 최적화된 엔진으로 설계하면 연비를 2배로 늘릴 수 있을 것으로 페일블루는 전망하고 있다. 페일블루의 공동 창업자이자 대표이사인 아사카와(浅川) 씨는 “빠르면 2023년에 실증을 실시하고 싶다”라고 말한다.

수요가 높아지고 있는 50k~100kg급 위성용 물 엔진의 사업화에도 나설 계획이다. 마이크로파를 사용한 고전력화에 대한 연구 개발을 추진. 물 엔진의 추진력이 높아지면 지구 주회(周回) 궤도에서의 소형위성의 고도 변경이나 지구 주회 궤도에서 달 주회 궤도로의 궤도 변경에 이용할 수 있게 된다.

-- 추진제를 크세논에서 물로 --
페일블루는 2020년 4월에 창업한 스타트업기업이다. 물 엔진의 기초가 되는 플라즈마 기술 등은 도쿄대학 등에서 수 십 년에 걸쳐 연구되어온 것이다. 도쿄대학 조교수로, 후에 페일블루의 공동 창업자가 되는 고이즈미(小泉) 씨가 이끄는 연구팀은 원래 크세논의 고압가스를 추진제로 한 엔진(이온 엔진)을 개발해왔으며, 2014년, 세계 최초로 50kg급 위성용 이온 엔진의 우주 실증에 성공했다.

이후, 10kg 이하의 초소형 위성에 대한 연구개발이 세계적으로 추진되는 가운데, 해당 연구팀은 소형화에 적합하지 않은 크세논의 이온 엔진을 대체할 새로운 추진기가 필요하다고 생각해 지금까지의 기술에 물을 응용하는 방법을 생각해냈다. 마이크로파와 자력을 이용해 전자를 가열하는 '전자 사이클로트론 공명(ECR)'으로 물 플라즈마를 생성하고, 이것을 고속으로 분사함으로써 추력을 얻는 방법이다.

고이즈미 씨는 이온 엔진에 물을 추진제로 이용하는 방법을 고안. 페일블루의 공동 창업자 겸 CTO(최고 기술 책임자)의 나카가와(中川) 씨가 2015년에 세계 최초로 지상에서의 실증에 성공했다.

이것은 일본이 강점을 가진 이온 엔진에 물을 응용한 형태이지만, 물과 수증기의 분리와 효율적인 플라즈마 생성이 어려워 다른 기업에서 성공한 사례는 없었다. 연구팀은 탱크와 노즐 사이에 기화실을 설치하고, 설계를 재검토해 전체 기기를 소형화하는 등의 연구를 통해 성공에 이르렀다.

우주 산업은 현재 구미 시장이 중심으로, 일본 시장의 존재감은 아직 낮다. 사업 확대와 인재 획득을 위해 페일블루는 글로벌 조직 구축도 시야에 넣고 있다. 하지만 이제 막 창업한 스타트업기업으로서 자금력이 제한적이기 때문에 정부나 지자체의 지원이 필수이다. 지금은 한 단계씩 꾸준하게 실증을 거듭해 국내외 소형위성업체에 물 엔진을 보급해나갈 방침이다.

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