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Start Up Innovation / Science
우주 쓰레기, 플라즈마로 청소
인공위성 엔진을 활용

인공위성을 손상시킬 위험이 있는 우주쓰레기를 제거하는 새로운 방법이 주목 받고 있다. 전용 위성으로 가장 가까운 거리에서 플라즈마(Plasma)를 우주 쓰레기에 분사해 우주쓰레기의 속도를 감소시켜 대기권에 돌입시킴으로써 소각하는 방법이다. 도호쿠(東北)대학 연구팀은 이 플라즈마 분사에 적합한 차세대 엔진 개발에서 세계를 리드하고 있다. 연구팀의 방법은 다른 방법보다 낮은 비용으로 제거할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이번 기술 개발로 주목 받고 있는 곳은 도호쿠대학의 다카하시(高橋) 조교를 중심으로 하는 일본∙호주 공동 연구팀이다. 기술의 핵심은 우주쓰레기 제거 위성을 위한 새로운 타입의 전기 추진 엔진으로, “한 대로 위성의 가속 및 감속 조절과 우주쓰레기 제거가 가능하다”(다카하시 조교). 연구팀은 최근 동작 원리의 실증 실험에 성공했다.

전기 추진 엔진은 전기를 이용해 연료가스를 전이(電離)시켜 플라즈마를 만들어 분사한다. 연료와 산화제를 반응시켜 연소가스를 분사하는 화학 추진 엔진보다 연료의 이용 효율이 높다. 탐사기 ‘하야부사2’가 소행성 류구(Ryugu)로의 비행에 이용된 이온 엔진이 대표적이다.

이온 엔진은 전극에 전압을 가해 플라즈마를 가속화시키기 때문에 전극이 플라즈마와 접촉하게 된다. 하지만 우주쓰레기를 움직이기 위해 높은 출력으로 분사하게 되면 대량의 우주쓰레기가 무서운 기세로 전극과 충돌해 전극이 손상된다는 것이 난점이다.

-- 가운데가 빈 대롱 형태가 비결 --
반면 연구팀의 엔진은 연료 가스에 전자파를 조사(照射)해 플라즈마를 만든다는 점은 이온 엔진과 같지만, 이 때 자기장을 추가함으로써 보다 고밀도의 플라즈마를 만들어낸다. 그리고 자기장과 플라즈마와의 전자적(電磁的) 상호 작용을 이용해 플라즈마를 분사한다. 전극을 이용해 전압을 가할 필요가 없어 “이온 엔진보다 수명이 길어 큰 추진력을 발휘할 가능성이 있다”(다카하시 조교).

이것은 ‘헬리콘 플라즈마(Helicon Plasma) 추진’이라고 불리는 차세대 전기 추진 엔진으로, 각국에서 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다. 연구팀은 이 분야에서 세계를 리드하고 있지만, 이번에 우주쓰레기 제거용으로 개발한 것은 경쟁 그룹들도 놀랄만한 새로운 타입이다.

일반적으로 로켓 엔진은 한 방향으로 가스를 분사하지만 연구팀의 새로운 엔진은 가운데가 빈 대롱처럼 양 끝이 뚫린 원통형으로, 한 방향으로 분사할 뿐만 아니라 반대 방향으로도 분사, 또는 양 방향 동시 분사도 가능하다.

“플라즈마가 자기장과의 상호 작용으로 분사될 경우, 가운데가 뚫린 대롱과 같은 형태도 엔진으로써 기능하지 않을까?”(다카하시 조교)라는 발상이 이번 개발의 출발점이 되었다.

원리 실증 실험에 사용된 시작 엔진은 길이 20cm, 내경(內徑) 약 7cm의 유리로 만들어진 원통이다. 원통 내부의 중간 정도부터 연료 가스를 공급, 원통에 두른 루프형 안테나로 전자파를 발생시켜 플라즈마를 만든다.

원통의 양 끝은 전자석이 붙어있어 한 방향으로 전류가 흐르면 플라즈마는 전자석을 통해 만들어진 자기장의 작용으로 분출된다. 전류가 흐르지 않는 전자석이 붙어있는 쪽은 플라즈마가 거의 분출되지 않았다. 연구팀은 플라즈마 분사로 추진력이 생기는 것도 확인했다. 한 방향에서의 분사를 위성의 가속에 이용하게 되면 그 반대 방향의 분사는 감속에 이용된다.

그 다음 양 방향의 전자석에 똑같이 전류를 흐르게 하면 플라즈마는 원통 양 끝에서 같은 힘으로 분사되어 장치는 정지 상태를 유지한다. 연구팀은 원통의 한 방향의 끝에서 약 30cm 떨어진 장소에 우주쓰레기와 같은 모양의 판을 설치해 플라즈마를 분사. 판을 밀어낼 수 있는 힘이 만들어진 것도 확인했다. 이것이 우주쓰레기 제거 모드의 운용 시스템이다.

-- 대기권에서 연소 --
우주쓰레기는 더 이상 이용할 수 없는 위성 및 로켓의 상단 부분으로, 잔존 연료가 폭발해 파편이 된 것들도 많다. 크기가 10cm 이상의 우주쓰레기는 약 3만개, 수cm 크기는 약 75만개, 수mm 크기는 1억개가 훨씬 넘는다.

위성은 시속 약 3만km의 초고속으로 비행하기 때문에 수cm의 작은 우주쓰레기가 충돌해도 운용 중의 위성은 파괴되고 만다. 실제로 미국의 통신위성이 크게 파손되는 등 피해가 발생하고 있다. 우주쓰레기들이 서로 충돌해 자기 증식을 할 가능도 지적되고 있다.

우주쓰레기 제거의 기본은 우주쓰레기의 비행 속도를 낮춰 대기권에 돌입하도록 해 소각 처분하는 것이다. 연구팀은 로봇 핸드와 투망, 작살로 우주쓰레기를 채취해 감속용 엔진이나 테더(Tether, 전도성 와이어)라는 장치를 부착하거나, 레이저를 조사해 우주쓰레기 표면에서 가스를 분출시키는 등을 통해 속도를 낮추는 방법 등을 검토하고 있다.

이러한 방법들은 모두 위성에 우주쓰레기 제거 장치를 탑재한다는 점은 같다. 이온 엔진의 플라즈마 분사로 우주쓰레기의 속도를 늦추는 방법도 있지만, 이 경우 다른 엔진을 이용해 반대 방향으로 분사해야 할 필요가 있다.

“위성은 얼마만큼 가볍고 작게 만들 수 있는지가 중요한 과제이다. 1대의 엔진으로 위성의 추진과 우주쓰레기 제거를 겸할 수 있다는 메리트는 크다. 그만큼 연료를 아껴 장기간 운용해 보다 많은 우주쓰레기를 제거할 수 있기 때문이다”(다카하시 조교). 연구팀은 연료의 이용 효율 향상 등을 추진해 실험 위성 실현으로 이어나갈 계획이다.

 -- 끝 --