탄소 배출 없이 로켓 밀어 올리는 "암모니아 추진제"

하이커뮤니티매니져 0 20 10.28

(왼쪽부터) 이안나 포스텍 기계공학과 교수, 이정락 박사과정생, 강홍재 한국기계연구원 선임연구원. 포스텍 제공

국내 연구팀이 우주발사체가 탄소를 배출하지 않는 '탄소 배출 제로' 암모니아 추진제를 개발했다.

포스텍은 이안나 기계공학과 교수 연구팀과 강홍재 한국기계연구원(기계연) 선임연구원이 기존 로켓 연료의 한계점을 해결할 수 있는 암모니아 추진제를 개발하고 연구결과를 국제학술지 ‘연료(FUEL)’에 발표했다고 28일 밝혔다.

한국형 발사체인 누리호를 비롯한 대부분의 로켓은 탄화수소계 연료를 사용하기 때문에 연소시 그을음과 이산화탄소를 배출한다. 연구팀은 로켓 연료의 친환경 전환을 앞당기면서 성능과 안정성까지 확보할 수 있는 추진 기술을 개발했다.

연구팀은 이산화탄소나 그을음을 배출하지 않으면서 보관과 취급이 쉬운 암모니아를 추진제 소재로 선택했다. 암모니아는 수소 저장 효율이 높고 장기 보관이 가능하다. 불이 잘 붙지 않는 낮은 점화성은 실용화를 막는 걸림돌이다.

연구팀은 암모니아에 산화제 ‘아산화질소’를 더하고 ‘회전 활주 아크(RGA) 플라즈마 점화 기술’을 접목했다. RGA 플라즈마는 3차원 공간에서 플라즈마를 활성화해 암모니아에 불이 잘 붙도록 만들고 안정적으로 연소가 지속되도록 유도한다.

암모니아-아산화질소 이원 액체추진기관 모식도 및 작동 장면. 포스텍 제공

실험 결과 암모니아–아산화질소 추진제는 기존 아산화질소–탄화수소 조합보다 비추력(추진 효율)이 높고 연소 온도는 낮았다. 성능과 열적 안정성을 동시에 확보한 것이다.

연료와 산화제가 혼합된 비율인 ‘당량비’ 범위가 0.33~3.0으로 넓어도 화염은 안정적으로 유지됐다. 플라즈마 시동 가스로 추진제의 재시동성과 운용 유연성이 크게 향상됐다.

이번 성과는 탄소 배출 없는 우주 추진제 개발을 앞당길 중요한 전환점으로 평가된다. 저장이 쉬운 연료, 산화제 조합, 안정적인 플라즈마 점화를 결합해 탄소 중립, 저열 부하, 재시동 가능성을 동시에 실현할 수 있는 로드맵이 제시됐다.

이안나 교수는 “암모니아의 낮은 점화성과 연소 안정성 문제를 혁신적인 플라즈마 기술로 극복했다”며 “저장성까지 갖춘 친환경 추진체 개발의 방향을 제시한 셈”이라고 말했다.

강홍재 선임연구원은 “RGA 기반 플라즈마 점화 기술은 재시동이 요구되는 발사체 및 탐사선 등 다양한 우주 임무에 폭넓게 적용될 수 있다”며 “탄소 배출 없는 추진 시스템으로의 전환에 속도가 붙을 것”이라고 전했다. .

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