NASA는 최근 리튬으로 구동되는 실험용 플라즈마 추진기를 성공적으로 테스트하여 인간의 화성 임무를 위한 중요한 진전을 이루었습니다. 남부 캘리포니아에 있는 NASA 제트 추진 연구소(JPL)의 엔지니어들은 전자기 엔진을 가동하여 미국의 이러한 유형의 추진 시스템으로는 결코 달성할 수 없는 출력 수준에 도달할 수 있게 되었습니다.
테스트는 2월 24일 JPL의 고출력 전기 추진 연구 전용 진공 챔버에서 수행되었습니다. 테스트 중에 프로토타입 엔진은 NASA 비행 우주선의 전기 추진기보다 더 많은 전력으로 작동했습니다. 연구원들은 이 결과가 다음 단계의 개발 및 테스트에 대한 지침을 제공할 것이라고 말했습니다.
NASA 관리자 Jared Isaacman은 다음과 같이 말했습니다. "NASA에서는 동시에 많은 작업을 수행하지만 결코 화성을 놓치지 않습니다. 이번 테스트에서 추진기의 성공적인 성능은 미국 우주 비행사를 화성으로 보내는 데 상당한 진전이 있었음을 보여줍니다. 이는 미국이 최대 120kW에 달하는 높은 출력 수준에서 작동하는 전기 추진 시스템을 사용한 최초의 사례입니다. "
이 엔진은 리튬 금속 증기를 사용하며 MPD(Magneto-Plasma Dynamics) 추진기 기술 범주에 속합니다. 이러한 시스템은 전류와 자기장을 사용하여 매우 빠른 속도로 플라즈마를 가속함으로써 추력을 생성합니다. 5번의 개별 발사 테스트 동안 추진기의 텅스텐 전극은 밝은 흰색으로 빛났으며 온도는 화씨 5,000도(섭씨 2,800도) 이상으로 상승했습니다. 테스트는 메가와트 범위의 출력을 갖는 금속 증기 추진제에 의존하는 전기 추진기를 안전하게 평가할 수 있는 독특한 시설을 갖춘 JPL의 전기 추진 연구소에서 수행되었습니다.
전기 추진 시스템의 연료 효율은 기존 화학 로켓보다 훨씬 높으며 추진제 사용량을 최대 90%까지 줄일 수 있습니다. 짧은 시간 동안 강한 추력을 전달하는 대신, 장기간에 걸쳐 우주선을 꾸준히 가속시키는 부드럽지만 지속적인 추력을 제공합니다. NASA는 현재 기관의 가장 강력한 전기 추진기를 운영하는 프시케(Psyche)와 같은 임무에 이미 전기 추진 기술을 사용하고 있습니다. 시간이 지남에 따라 프시케의 추진 시스템은 우주선을 시속 124,000마일까지 가속할 수 있습니다.
이 새로운 리튬 구동 MPD 추진기는 결국 기존 시스템보다 훨씬 더 많은 추력을 제공할 수 있습니다. 과학자들은 1960년대부터 MPD 추진 기술을 연구해 왔지만 이 기술이 우주에서 실제 응용 분야에 사용된 적은 없습니다. 최근 JPL 테스트에서 엔진은 120kW의 출력에 도달했는데, 이는 "Spirit Star"의 비행 추진기 출력의 25배 이상입니다.
JPL의 수석 연구원인 James Polk는 "지난 몇 년 동안 이러한 추진기를 설계하고 제작한 것은 첫 번째 테스트를 위한 장기적인 준비였습니다."라고 말했습니다. "추진기의 작동 능력을 입증했을 뿐만 아니라 목표 출력 수준도 달성했기 때문에 이것은 우리에게 중요한 순간입니다. 우리는 확장 문제를 해결하기 시작할 수 있는 좋은 테스트 플랫폼을 가지고 있다는 것을 알고 있습니다. "
Polk는 26피트 길이의 작은 보기 창을 통해 실험을 관찰했습니다. (8미터 길이) 수냉식 진공 챔버. 추진기가 활성화되면 노즐 모양의 외부 전극이 강렬하게 빛나며 밝은 빨간색 플라즈마 기둥을 생성합니다. Polk는 수십 년 동안 전기 추진 기술 분야에서 일해 왔으며 NASA의 Dawn 임무와 지구 궤도를 넘어 전기 추진 기술을 시연한 최초의 우주선인 Deep Space One에 기여했습니다.
연구원들은 궁극적으로 각 추진기의 전력 출력을 500킬로와트에서 1메가와트 사이로 늘리기를 희망합니다. 가장 큰 기술적 과제 중 하나는 하드웨어가 극한의 온도에서 장기간 작동을 견딜 수 있는지 확인하는 것입니다. 화성 유인 임무에는 총 2~4메가와트의 전력이 필요할 수 있으며, 이는 여러 MPD 추진기가 23,000시간 이상 지속적으로 작동해야 함을 의미합니다.
과학자들은 리튬 구동 MPD 엔진이 강력한 추진력과 효율적인 추진제 사용을 결합하기 때문에 미래의 심우주 탐험에서 중요한 역할을 할 수 있다고 믿습니다. 원자력 시스템과 결합하면 화성 탐사에 필요한 무거운 탑재량을 운반하면서 발사 질량을 줄일 수 있습니다.
MPD 추진기 프로젝트는 JPL, 뉴저지의 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소, 클리블랜드의 NASA 글렌 연구 센터 간의 협력으로 지난 2년 반 동안 개발되었습니다. 자금은 화성에 대한 미래 임무를 위한 메가와트 규모의 핵 전기 추진 시스템 개발을 지원하기 위해 2020년에 시작된 NASA의 우주 핵 추진 프로그램에서 나옵니다. 이 작업은 NASA의 우주 기술 임무국 산하 앨라배마 주 헌츠빌에 있는 NASA의 마샬 우주 비행 센터에서 관리합니다.