NASA, 물추진 큐브샛 ‘PTD-1’ 발사
최근 큐브샛 발사가 급증하면서 안전하고 친환경적인 인공위성 추진제의 필요성이 높아졌다. 이에 미 항공우주국(NASA)은 물을 연료로 사용하는 신개념 큐브샛을 시험 발사했다. ‘PTD-1’로 명명된 이 위성은 앞으로 지구 저궤도를 돌며 새로운 추진 시스템의 성능을 테스트할 예정이다.
NASA가 ‘물’ 추진 시스템을 개발하는 이유인 인공위성의 수명은 추진 시스템의 작동 여부와 직결된다. 추진력이 있어야 궤도를 유지할 수 있기 때문이다. 일반적으로 추진기가 고장 나거나 연료가 떨어지면 폐기 절차에 들어간다.하지만 대부분의 큐브샛은 추진 시스템을 생략하기도 한다. 매우 작은 크기에 복잡한 추진기와 부피가 큰 연료탱크를 넣기 어려워 기술력과 제작비 문제로 애초부터 고려하지 않는 경우가 많다.설령 추진 시스템을 갖추려 해도 종래의 연료는 사용하기 어렵다. 흔히 쓰이는 로켓추진제는 추력을 높이는데 유리하지만 독성이나 폭발 위험성이 있어 철저한 안전관리가 필요하다. 이러한 점은 고가의 중대형 위성 등과 함께 발사되는 것인 큐브샛 설계에 어려움을 겪는다.
지구 저궤도에서 물추진 시스템을 시연하는 PTD-1 상상도. NASA NASA
물은 추진제로서 몇 가지 이점이 있다. 휘발성이나 독성이 없기 때문에 기존 로켓 연료보다 훨씬 다루기 쉽고 그 자체로는 폭발하지도 않는다.이에 착안한 NASA는 새로운 인공위성 추진 시스템 개발에 나섰다. 물을 연료로 사용하면 우주까지 안전하게 싣고 오를 수 있다. 그리고 위성궤도에서 전기분해를 통해 발생한 수소와 산소를 연소시킨다. 추력은 약하지만 간단한 구조로 구현할 수 있어 큐브샛에 최적이다.테스트큐브샛 발사 지난달 24일 미국 케이프커내버럴 공군기지에서 스페이스X의 팰컨9 로켓으로 30x25x10cm 크기(6U)의 ‘PTD-1(Pathfinder Technology Demonstrator 1)’이 발사됐다. 약 11kg 무게에 불과한 PTD-1은 NASA 에임스연구센터(Ames Research Center)가 주도해 개발 중인 물 추진 시스템을 시연하기 위한 큐브샛이다.
PTD-1에 장착된 HYDROS-C 추진기 모듈. TTethers Unlimited Inc. / Mason Freedman
그동안 큐브샛에 추진기를 장착하려는 다양한 시도가 이어졌다. 특히 이온엔진을 선호하는 추세다. 이온엔진은 크립톤, 크립톤 등의 가스를 이온화해 전기장을 통해 고속 분사하는 방식으로 하야부사 탐사선이 사용해 유명해졌다.PTD-1에 탑재된 물추진기는 항공우주 스타트업 테더스 언리미티드(Tethers Unlimited)사가 개발한 ‘HYDROS-C’ 추진 모듈이다. 양쪽 탱크에 물이 들어 있어 물을 전기분해해 수소와 산소를 발생시킨다. 그 가스를 모아 중앙 연소기로 점화하면 1.5N 정도의 약한 추력을 얻을 수 있다.새로운 하이브리드 전기-화학식 추진기의 비추력은 310초(연소효율 단위) 정도다. 이온엔진을 제외하면 여타 추진방식에 버금가는 수준이며 미약한 추력으로도 지속적으로 내놓을 수 있다. 그리고 연료를 구하기 쉬운 물이라는 점이 가장 큰 장점으로 꼽힌다.
발사를 위해 다른 큐브샛과 함께 컨테이너에 탑재 중인 PTD-1. Space flight Inc./Lisa Middlebrook
팰컨9, 최다 위성발사 신기록을 세웠고 PTD-1 발사 당시 팰컨9 로켓에는 143대의 각종 위성이 탑재돼 있었다. 이는 2017년 인도 PSLV(104기)가 세운 최다 위성발사 기록을 경신한 것이다.함께 발사된 위성 중에는 크립톤 이온 추진기를 장착한 스타링크 위성 10대가 포함된다. 스타링크는 고가의 크세논 대신 조금만 성능이 떨어져도 저렴한 크립톤을 연료로 채택했다. 그러나 여전히 물보다는 훨씬 높다.태양전지가 생산하는 평균 44W의 전력은 PTD-1의 새로운 물추진기를 작동시키는 에너지원이다. 이 같은 기술은 미래에 소행성과 달, 화성 등에서 발견한 물을 활용하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
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