부산대, 심우주 엔진 기술 규명...성능 결정 '자기장 구조'

자기장 세기보다 구조 설계가 중요
이온 가속 미확인 메커니즘 규명
심우주 탐사 추진 시스템 연구 활용

AF-MPD 추력기의 자기장 구조 및 이온 가속 메커니즘 분석 이미지./부산대 제공

부산대와 원자력연 공동팀이 심우주 탐사용 엔진인 MPD 추력기의 이온 가속 핵심 원리를 규명했다.

부산대학교는 항공우주공학과 김호락 교수 연구팀과 한국원자력연구원 채길병 박사 연구팀이 차세대 심우주 탐사용 전기추력기인 'MPD(Magnetoplasmadynamic) 추력기' 내에서 발생하는 미확인 이온 가속 메커니즘을 자기장 구조 분석을 통해 규명했다고 10일 밝혔다.

우주선이 심우주로 향할 때 쓰이는 플라즈마 엔진인 MPD 추력기는 전기와 자기장으로 뜨거운 기체인 플라즈마를 빠르게 밀어내 추진력을 낸다.

연구팀의 분석 결과, 이때 자기장을 무조건 세게 하는 것보다 자기장의 모양인 구조를 잘 설계하는 것이 훨씬 중요했다. 특히 자기장이 거의 0이 되거나 방향이 급격히 바뀌는 지점인 '자기 영점'에서는 오히려 힘이 줄어들 수 있다는 사실도 밝혀졌다.

이번 성과는 외부 자기장 형상이 플라즈마 거동 및 입자 가속 과정에 미치는 영향을 실험적으로 분석한 것으로, 단순 성능 비교를 넘어 플라즈마 가속 메커니즘의 근본적인 물리 현상을 규명하는 데 초점을 맞췄다.

MPD 추력기는 전류와 자기장의 상호작용인 로렌츠 힘을 이용해 플라즈마를 가속하는 고출력 전기추력기지만, 그간 자기장 형상이 성능에 미치는 영향에 대한 실험적 검증은 제한적이었다.

연구팀은 전자석과 영구자석이라는 서로 다른 두 가지 자기장 환경을 구축하고 추력, 비추력, 이온 에너지 분포를 정밀 측정했다. 그 결과 자기장의 기하학적 구조가 이온 가속 효율을 결정짓는 핵심 변수임을 확인했다.

연구팀은 강한 자기장을 가진 환경이라도 자기 영점에서 자기력선이 짧아지거나 전자의 이동이 방해받을 때 추진력이 감소하는 현상을 발견했다. 이는 자기장 세기 증가가 항상 성능 향상으로 이어지는 것은 아니며, 구조 설계가 성능 향상의 핵심임을 입증한 것이다.

연구팀은 이번 연구를 통해 15kW급 입력 전력에서 최대 436mN의 추력과 2,935초의 비추력을 확보하며 우수한 성능을 달성했다.

이는 고성능 전기추진 엔진 설계에 명확한 가이드라인을 제시한 것으로, 향후 고출력 전기추진 시스템과 원자력 기반 우주 추진 기술 연구에 활용될 것으로 기대된다.

공동 교신저자인 부산대 김호락 교수는 "이번 연구는 그간 베일에 싸여 있던 MPD 추진기 내부의 이온 가속 메커니즘을 실험적으로 명확히 규명했다는 데 큰 의의가 있다"며 "향후 우리나라의 독자적인 심우주 탐사선 추진 시스템을 개발하고 상용화하는 데 중요한 기술적 토대가 될 것"이라고 말했다.

채길병 한국원자력연구원 사는 "플라즈마 기반 추진 시스템에서 자기장 구조는 핵심 설계 변수"라며 "본 연구는 자기장 형상이 방전 거동과 입자 가속 과정에 미치는 영향을 정량적으로 제시함으로써, 향후 고출력 플라즈마 소스 및 전기추력 시스템 연구에 중요한 기준을 제공할 것"이라고 설명했다.

한편, 해당 연구 결과는 네이처 자매지인 '사이언티픽 리포트' 2월 6일 자에 게재됐다.

부산=김성욱 기자 attainuk0518@