공기 중 분자를 연료로 사용하는 새로운 플라즈마 엔진 설계

핵심 요약

• 슈투트가르트 대학교의 프란체스코 로마노(Francesco Romano) 박사가 극저궤도(VLEO) 위성의 연료 문제를 해결하기 위해 대기 분자를 연료로 사용하는 '대기 흡입형 전기 추진(ABEP)' 시스템을 설계함.
• 이 엔진은 원자 산소(AO)에 의한 부식 문제를 피하고 중화기 없이 작동하는 비접촉식 무선 주파수(RF) 헬리콘 플라즈마 추진기를 채택함.

기술적 과제와 해결 방안

• 원자 산소 문제: 극저궤도에서는 자외선에 의해 분해된 원자 산소가 금속 부품을 부식시키고 일반적인 이온 엔진의 음극을 파괴함.
• 흡기 시스템: 다양한 설계 중 파라볼릭 미러를 활용한 '거울형 흡기(specular intake)' 방식이 입자 포집 효율 94.3%를 기록하며 가장 우수한 성능을 보임.
• 추진기 설계: MRI 장비의 새장형 안테나를 응용하여 전력 효율을 극대화했으며, 솔레노이드를 통해 자기장을 형성하여 중화기 없이 양이온과 음이온을 동시에 배출하는 방식을 사용함.

기대 효과 및 활용

• 성능 검증: 진공 챔버 테스트에서 50-60W의 RF 전력만으로 안정적인 플라즈마 생성이 확인됨.
• 실제 사례 적용: GOCE 위성 모델 분석 결과, 190-250km 궤도에서 1.6kW 미만의 전력으로 영구적인 운용이 가능할 것으로 계산됨.
• 행성 탐사: 지구뿐만 아니라 화성 대기(이산화탄소)에서도 120-160km 고도에서 우주선 체류를 지원할 수 있는 잠재력을 가짐.