일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
무연료 로켓, 전자파가 추력
지상에서 빔 조사(照射), 물자수송 용

미국의 우주선 아폴로11호가 달 표면에 착륙한 지 올해로 반세기. 지금은 국내외의 기업이 상업용 로켓의 비용 삭감을 경쟁하고 있다. 도쿄대학 등의 그룹은 물자를 우주에 대량 수송하는 미래를 전망하고 기존의 로켓과는 전혀 다른 발사 방식을 고안하였다. 연료를 채우지 않고 지상에서 전자파 빔을 로켓을 향해 조사(照射)하여 그 에너지로 추진한다. 실증 시험을 진행하면서 2030년대의 기지 건설과 시험기 발사를 목표하고 있다.

일반적으로 로켓은 액체나 고체 연료를 싣는다. 연료의 화학반응으로 발생하는 가스를 분사하여 그 반동으로 추력을 얻는다. 도쿄대학의 고무라사키(小紫) 교수는 “아폴로 11호를 발사한 새턴(Saturn)V도 현재의 로켓도 발사 원리는 거의 다르지 않다”라고 지적한다.

고무라사키 교수 연구팀은 연료를 싣지 않고 전자파 에너지로 발사하는 ‘마이크로파 로켓’을 고안. 2003년에 소형 로켓 모형으로 실험하여 원리의 실증에 성공하였다.

발사에서는 로켓을 향해 지상의 안테나에서 전자파 빔을 조사한다. 빔은 로켓 밑 부분에 있는 ‘리플렉터’라는 거울에 반사되고 초점 부근에 에너지가 모인다. 강한 에너지에 의해 초점 부근의 공기가 전리돼 플라즈마가 발생, 폭발을 일으킨다. 이 충격파를 리플렉터가 받아 로켓의 추진력으로 사용한다.

연료를 싣지 않기 때문에 탱크나 엔진은 필요 없다. 보다 많은 물자를 운반할 수 있고, 간단한 구조로 제조 비용도 내려간다. 그 대신에 빔을 보내는 기지가 필요하다. 초기 투자로서 기지를 건설한다. 재사용형 로켓이라면 발사 비용은 전기료 등이면 된다. 우주에 물자를 대량 수송하는 수단이 될 것으로 기대된다.

실험에서는 양자과학기술연구개발기구가 핵융합로 연구에 사용하는 ‘자이로트론’이라는 장치로 빔을 발생시켰다. 마이크로파 로켓이라고 부르지만 실은 빔에는 마이크로파보다 파장이 짧은 전자파인 밀리파를 사용한다.

2003년에는 약 10g의 소형 모형을 2미터 발사하여 원리를 실증하는데 성공하였다. 2009년에는 120g 정도의 모형을 1.2미터 발사하였다. 빔을 펄스 모양으로 조사하면 지속적으로 폭발이 발생하여 추력을 높일 수 있다는 사실도 알았다.

빔으로 플라즈마가 발생하는 과정이나 폭발에 의한 공기의 흐름 등 마이크로파 로켓의 상세한 원리는 아직 해명되지 못한 부분이 많다. 고무라사키 교수 연구팀은 후쿠이대학과 쓰쿠바대학 등과 협력하여 도쿄대학에도 자이로트론을 설치, 실험 데이터를 축적해 나갈 방침이다.

자이로트론은 핵융합로와 함께 기술 개발이 진행되고 있다. 실용 레벨의 로켓 발사에는 100메가와트~100기가와트의 출력이 필요하기 때문에 규모가 상당히 크다. 다수의 자이로트론을 제어하여 강력한 빔을 만드는 기술도 필요하다.

컴퓨터 상의 발사 시뮬레이션을 실현하여 20년대에 실용 레벨의 로켓과 발사 기지를 설계한다. 갈 길은 아직 멀지만 고무라사키 교수는 “개발 불가능한 문제가 발생할 거라고는 생각하지 않는다”라고 말한다.

-- 레이저보다 저비용 --
빔에 의한 로켓 발사는 ‘마이크로파 로켓’이 처음은 아니다. 1970년대에 레이저를 이용하는 방식이 고안되었고, 2000년에는 미국의 연구자가 약 50g의 모형 로켓을 70m 이상 발사하는데 성공하였다.

레이저는 지향성이 높아 빔을 장거리로 보내기 쉽다는 이점이 있다. 그러나 레이저 빔을 발생하는 장치가 상당히 고가라는 점이 과제다. 마이크로파는 레이저와 비교하면 빔이 쉽게 퍼지기는 하지만 자이로트론이라는 비교적 저가의 장치로 빔을 만들 수 있다.

마이크로파 로켓을 어떠한 모양으로 실용화할 것인가에 대해서는 다양한 방향성을 생각할 수 있다. 소형으로 특화할 것인가? 대형도 발사할 것인가? 1단으로 할 것인가, 다단으로 할 것인가? 기존의 2단 로켓의 첫 번째 단을 마이크로파 로켓으로 대체하기만 해도 비용을 줄일 수 있다는 시산도 있다.

마이크로파를 이용하는 발사는 플라즈마에 의한 폭발을 이용하는 방식 외에도 로켓에 실은 연료를 빔 에너지로 가열하는 방식도 고안되고 있다. 이 경우 현재의 로켓과 마찬가지로 연료가 필요하기 때문에 비용 삭감은 한정적이지만 폭발 방식과 조합한다면 비용을 줄일 수 있다는 연구자도 있다. 우선은 실증 실험의 규모를 확대하면서 우주 공간에 도달하는 것을 목표한다.

● ‘마이크로파 로켓’을 둘러싼 동향과 향후 전망

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