한국 연구진이 탄소 배출 없는 우주 추진체 개발에 성공하며 친환경 우주 발사 기술의 새로운 전환점을 마련했다.

이안나 POSTECH 기계공학과 교수와 박사과정 이정락 씨 연구팀은 강홍재 한국기계연구원 선임연구원과 공동으로 암모니아를 활용한 탄소 배출 제로 추진제를 개발했다고 발표했다. 이번 연구 성과는 추진제 및 연소 분야 국제 학술지 '연료(Fuel)'에 게재됐다.

현재 한국형 발사체 누리호를 포함한 대부분 로켓은 탄화수소계 연료를 사용해 그을음과 이산화탄소를 배출하는 환경적 문제를 안고 있다. 특히 위성 군집 운용과 달 탐사 등 장기간 우주 프로젝트가 증가하면서 추진제의 저장성이 핵심 기술로 부상하고 있다.

연구팀은 이산화탄소나 그을음을 배출하지 않으면서 보관과 취급이 용이한 암모니아에 주목했다. 암모니아는 수소 저장 효율이 높고 장기 보관이 가능하지만, 낮은 점화성이 실용화의 걸림돌로 작용해왔다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 아산화질소를 산화제로 사용하고 '회전 활주 아크(RGA) 플라즈마 점화 기술'을 접목했다. RGA 플라즈마는 3차원 공간에서 플라즈마를 활성화해 암모니아에 확실한 점화를 제공하고 연소를 안정적으로 지속시킨다.

실험 결과 '암모니아-아산화질소' 추진계는 기존 '아산화질소-탄화수소' 조합보다 비추력이 높고 연소 온도는 낮아 성능과 열적 안정성을 동시에 확보했다. 당량비 0.33~3.0의 넓은 범위에서도 화염이 안정적으로 유지됐으며, 플라즈마 시동 가스로 암모니아와 아산화질소 모두 사용할 수 있어 재시동성과 운용 유연성이 크게 향상됐다.

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

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 전망했다.

이번 연구는 저장이 쉬운 연료, 단순한 산화제 조합, 안정적인 플라즈마 점화를 결합해 탄소 중립과 저열 부하, 재시동 가능성을 동시에 실현할 수 있는 새로운 로드맵을 제시했다는 평가를 받고 있다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 우수신진연구사업의 지원으로 진행됐다.