미국 항공우주국(NASA)은 최근 리튬을 공급하는 새로운 MPD(Magneto-Plasma Power) 실험용 이온 엔진이 주요 테스트에서 성공적으로 작동했으며 미래 유인 화성 임무를 위한 중요한 추진 기술 혁신으로 간주된다고 발표했습니다.화성 최초의 우주비행사들은 극도로 혹독한 환경에 직면하게 됩니다. 깊은 우주에서 하루가 더 지나면 치명적인 우주선에 더 많이 노출됩니다. 장기간의 고립은 정신 건강을 약화시킬 것이며, 미세 중력은 계속해서 근육과 뼈를 약화시킬 것입니다. 이 때문에 NASA는 가까운 미래에 화성까지의 여행을 몇 달로 단축할 수 있기를 바라며 비행 시간을 크게 단축할 수 있는 새로운 추진 시스템 개발에 많은 에너지를 투자하고 있습니다.

새로 공개된 이 MPD 이온 엔진은 리튬을 작동 유체로 사용하며, 최대 출력은 120kW이고 추력 용량은 현재 NASA 임무에서 사용 중인 가장 강력한 전기 추진 엔진의 25배입니다. 이는 더 빠르고 효율적인 심우주 비행을 향한 핵심 단계로 간주됩니다. 현재 대표는 금속 소행성을 향해 날아가고 있는 프시케 탐사선이다. 태양 전지판을 사용하여 크세논 이온 엔진을 구동합니다. 대기 저항이 없는 환경에서는 시속 약 20만km까지 서서히 가속할 수 있지만, 이 속도까지 오르는 데는 2년 반 이상이 걸린다.

NASA의 현재 화학 로켓 기술로는 지구에서 화성까지 비행하는 데 약 7개월이 걸립니다. 표면적으로 볼 때, 낮은 추력과 장기간에 걸친 지속적인 가속에 의존하는 이온 추진은 천천히 시작하고 극도로 빠른 속도에 도달하는 데 수개월이 걸리기 때문에 비행 시간 단축에 이상적이지 않은 것 같습니다. 그러나 NASA는 동력원과 추진 방식의 조합을 바꿔 이러한 전통적인 인상을 뒤집으려고 노력하고 있다.

크세논 이온 엔진을 구동하기 위해 태양열 어레이에 의존하는 Mind와는 달리, 이 새로운 MPD 추진기는 원자로에서 고출력 전기 에너지를 제공하는 핵 전기 추진 시스템의 일부로 구상되어 우주선이 깊은 우주에서 오랜 기간 동안 기존 전기 추진보다 훨씬 높은 추력 수준을 유지할 수 있도록 합니다. NASA는 이러한 '원자력+MPD'의 조합이 동일하거나 더 낮은 추진체 질량에서도 속도를 크게 높여 유인 화성 임무의 항해를 단축할 것으로 예상하고 있다.

MPD 추진 개념은 1960년대로 거슬러 올라가지만 아직 우주에서 상용화되지 않았습니다. 주요 장애물은 태양전지 어레이의 전력 용량을 훨씬 초과하는 막대한 전력 요구 사항입니다. 이는 NASA가 최근 발표한 핵 추진 프로젝트인 "Space Reactor-1 Freedom"을 기술적으로 보완합니다. 이 프로젝트는 또 다른 임무에서 크세논 작동 유체와 함께 전통적인 이온 엔진을 사용할 계획이며 MPD는 더 높은 출력과 더 높은 추력을 향한 다음 단계를 나타냅니다.

기존 이온 엔진은 일반적으로 정전기장을 사용하여 단일 하전 입자(주로 크세논 이온)를 가속하고 이를 노즐에서 방출하여 반력을 ​​얻습니다. MPD 엔진은 고전류 및 자기장과 상호 작용하여 플라즈마를 전자기적으로 가속합니다. 이 모델은 특별히 리튬 금속 증기를 사용하는데, 이는 엔진 내부에서 리튬 플라즈마로 이온화되어 배출되어 추력을 얻습니다.

올해 2월 24일 NASA는 남부 캘리포니아에 있는 JPL(제트 추진 연구소)의 전기 추진 연구소에서 수냉식 시스템이 장착된 특수 진공 챔버를 사용하여 이 MPD 엔진에 대한 임계 점화 테스트를 수행했습니다. 테스트 중에 엔지니어들은 엔진을 5번 발사하여 섭씨 2,800도(화씨 약 5,000도)가 넘는 온도에서 밝게 빛나는 중앙 텅스텐 전극을 모니터링했습니다. 데이터에 따르면 이 새로운 엔진은 테스트에서 최대 출력 수준인 120kW에 성공적으로 도달했으며 이는 "Psychic"이 사용하는 전기 추진기의 25배 이상입니다.

NASA 관리자인 Jared Isaacman은 성명을 통해 NASA가 여러 임무를 동시에 진행하는 동안 화성을 잃어버린 적이 없다고 말했습니다. 그는 이번 테스트의 성공이 미국 우주비행사를 화성에 보내는 데 있어 “실질적인 진전”을 의미한다고 강조했다. 미국이 전기 추진 시스템을 120kW의 고출력 수준에서 지속적으로 작동하도록 허용한 것도 이번이 처음이다. NASA는 인류의 다음 대도약을 위한 탄탄한 기술 기반을 마련하기 위해 계속해서 '전략적 투자'를 펼칠 예정이다.

NASA는 이 MPD 엔진이 향후 테스트에서 1MW 전력 수준에 도달할 것으로 예상하고 있습니다. 내부 기관의 추정에 따르면 화성으로의 일반적인 유인 임무에는 총 2~4메가와트의 전력이 필요할 수 있습니다. 이는 최종 우주선에 병렬로 작동하는 여러 MPD 엔진이 있을 가능성이 높다는 것을 의미합니다. 이 과정에서 초고온 환경에서 하드웨어의 장기간 안정적인 작동을 보장하고 MPD 기술의 일반적인 문제인 전극 침식을 완화하는 방법은 엔지니어링 팀이 극복해야 할 핵심 과제가 될 것입니다.

현재 R&D 팀은 2년간의 설계 및 시공 끝에 1차 테스트 결과에 만족하고 있으며 엔지니어링으로 가는 길에서 첫 번째 '큰 문턱'을 넘었다고 믿습니다. 제트 추진 연구소(Jet Propulsion Laboratory)의 수석 연구 과학자인 제임스 포크(James Polk)는 이번 테스트를 통해 엔진이 정상적으로 작동할 수 있음을 입증했을 뿐만 아니라 미리 결정된 출력 목표를 성공적으로 달성하고 후속 대규모 테스트를 위한 신뢰할 수 있는 테스트 플랫폼 기반을 마련했다고 말했습니다.

더 큰 관점에서 볼 때 전기 추진 기술의 장점은 추진제 활용 효율이 매우 높아 기존 화학 로켓에 비해 추진제 소비를 약 90% 줄일 수 있다는 점입니다. 고출력 MPD 추진력과 원자력을 결합하면 이론적으로 전체 질량을 크게 늘리지 않고도 더 높은 평균 추력과 더 짧은 비행 시간을 갖춘 심우주 비행체를 제공할 수 있습니다. 이는 인류 최초의 유인 화성 여행을 위한 핵심 기술 중 하나가 될 수 있으며, 우주 비행사에게 방사선 및 장기적인 무중력 상태로 인한 건강 위험을 줄이기 위한 귀중한 시간을 벌 수 있습니다.

NASA는 아직 구체적인 유인 임무에 대한 MPD 추진 일정을 발표하지 않았지만, 이번 고출력 지상 시험은 '화성에 한 발 더 다가가는' 중요한 이정표로 평가된다. 유인 화성 계획을 계획하기 위해 많은 국가들이 경쟁하고 있는 상황에서, 이 신기술이 성공적으로 실험실을 벗어나 실제 임무에 들어갈 수 있다면 인간의 심우주 탐사 기간이 바뀔 것으로 예상됩니다.