미국 매사추세츠 공과대학(MIT) 연구팀이 초소형 위성의 심우주 탐사 능력을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대되는 새로운 항공우주 추진 시스템을 테스트하고 있다. 이 시스템은 동일한 플랫폼에 두 가지 형태의 추진력을 통합하여 위성이 신속한 기동과 효율적인 장거리 비행을 모두 수행할 수 있도록 합니다.


설계의 핵심은 화학적 추진과 전기 추진 모두에 동력을 공급할 수 있는 단일 추진제입니다. 전통적으로 두 가지 유형의 시스템에는 구조가 복잡할 뿐만 아니라 귀중한 객실 공간을 차지하는 독립적인 연료 및 추진 장치가 필요한 경우가 많습니다. 연구 리더 중 한 명이자 이전에 MIT Aeronautics and Astronautics(AeroAstro)에서 근무했던 Amelia Bruno는 작은 플랫폼에서 화학적 추진력과 전기적 추진력을 동시에 실현할 수 있다면 "두 기술의 장점을 모두 갖는 것과 동일하다"고 말했습니다. 이를 통해 소형 위성이 더 작고 저렴한 플랫폼에서 더 과학적인 관측과 복잡한 작업을 수행할 수 있게 됩니다.

관련 결과는 미국항공우주학회(AIAA)가 후원하는 Journal of Propulsion and Power에 게재됐다. 이 논문은 원래 미 공군이 화학적 추진을 위해 개발한 상대적으로 환경 친화적인 단일 추진제가 소위 "전기 분무" 추진기라고 불리는 소형 전기 추진 장치를 구동하는 데 성공적으로 사용될 수 있음을 보여줍니다.

정전기 제트 추진기는 동전이나 손톱만한 크기의 극히 작은 전기 추진기입니다. 이는 전기장을 사용하여 액체 추진제의 입자를 충전한 다음 이러한 충전 입자를 장치 밖으로 방출하여 추력을 생성하는 방식으로 작동합니다. 이러한 유형의 추진기는 연료 이용 효율이 매우 높으며 느리고 미세한 자세 제어 및 궤도 미세 조정에 적합합니다. 이는 장기간에 걸쳐 우주선의 누적 속도 증가를 제공할 수 있으며 심우주 및 장기 지구력 임무에 매우 적합합니다.

대조적으로, 화학적 추진기는 단시간에 높은 추력을 제공하며 급가속 및 급격한 궤도 변경과 같은 수요가 높은 기동 시나리오에 적합합니다. MIT 팀은 화학 추진과 전기 추진 모두에 적합한 공통 추진제가 발견되면 소형 위성이 임무 설계에 있어서 전례 없는 유연성을 얻게 될 것이라고 믿습니다. 그들은 현재 미국항공우주국(NASA)과 협력하여 "녹색 추진 이중 모드(Green Propulsion Dual Mode, GPDM)"라는 임무의 궤도 검증을 준비하고 있습니다.

GPDM 임무는 서류가방 크기의 CubeSat를 사용하며, 화학 노즐 추진기와 4개의 정전기 제트 추진기가 장착되어 있으며 동일한 추진제 탱크를 공유합니다. 이는 소형 ​​위성 플랫폼에서 이중 모드 추진 시스템을 궤도상에서 테스트하는 최초의 사례입니다. 브루노는 임무가 성공하면 큐브 위성을 화성이나 소행성대에 보내고, 전기 추진을 통해 '천천히 표류'해 장거리 비행을 완료한 다음, 화학 추진을 사용해 신속하게 기동하고 목표물 근처에 위치하는 등 심우주 탐사를 위한 소형 플랫폼을 사용하는 미래 개념의 기반을 마련할 것이라고 지적했다.

논문의 공동저자 중 한 명이자 MIT 항공우주학부 Miguel Alemán Velasco 석좌교수인 Paulo Lozano는 이 새로운 모드에서 CubeSat는 "심우주 정찰 항공기"와 같은 복잡한 탐지를 수행할 수 있다고 말했습니다. 먼저 정전기 스프레이를 사용하여 오랫동안 표적 근처로 이동한 다음 화학적 추진력을 사용하여 빠르게 기동하여 관심 있는 지형이나 현상에 대한 다각도 근접 관찰을 수행합니다. 이러한 방식으로 소형 탐지기의 임무 계획 유연성이 크게 향상됩니다.

Lozano는 도시락 크기부터 작은 휴대 수하물에 이르기까지 위성용 정전기 제트 추진 시스템 개발에 오랫동안 집중해 온 실험실을 이끌고 있습니다. 전통적인 대형 위성에 비해 이러한 유형의 소형 우주선의 발사 비용은 상당히 낮지만 부피와 질량에 대한 요구 사항이 매우 엄격하므로 추진 시스템은 매우 컴팩트해야 합니다. 정전기 스프레이 기술은 이러한 요구를 충족시킵니다. MIT 팀이 개발한 추진기 본체는 손톱 크기에 불과하며 작은 액체 저장 탱크에 설치되고 이온성 액체 추진제로 채워져 있습니다.

스러스터는 통전된 후 저장 용액의 이온에 전압을 가하여 마이크로 제트 방출 구조를 통해 충전 및 방출되도록 하여 지속적이고 안정적인 이온빔을 형성합니다. 지난 10년 동안 팀은 "이온성 액체"와 같은 재료에 초점을 맞춰 다양한 추진기 구조와 추진제 제형을 테스트했습니다. 이러한 유형의 염 기반 액체는 극한 환경에서도 액체를 유지할 수 있으며 우주의 진공 및 극저온 조건에서도 안정적이므로 전기 추진 시스템의 작동 매체로 매우 적합합니다.

브루노는 이온성 액체는 본질적으로 "이온으로 가득 찬 액체 바다"이며, 이온을 추출하여 제트를 형성하는 정전기 스프레이 기술에 적합하다고 말했습니다. 같은 기간의 다른 일반적인 추진제와 달리 이온성 액체는 휘발성이 없으므로 취급이 더 안전하고 지상 테스트 및 궤도 내 작업의 위험을 줄입니다.

이번 연구에서 Bruno와 Lozano 팀은 미 공군과 협력하여 "ASCENT"(Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic)라는 새로운 이온성 액체 추진제를 도입했습니다. ASCENT는 원래 독성이 높지만 널리 사용되는 히드라진 연료를 대체하여 에너지 밀도를 보장하면서 안전성과 환경 보호를 향상시키기 위한 우주 화학 추진 시스템용으로 개발되었습니다.

ASCENT 자체가 이온성 액체의 혼합물이기 때문에 MIT 연구팀은 정전분무 시스템에 사용해야 한다고 추측하고 체계적인 실험 검증에 착수했습니다. 실험에서 연구진은 작은 입방체 모양의 액체 저장 탱크에 ASCENT를 주입했습니다. 각 탱크의 부피는 레고 블록과 거의 같습니다. 충전된 추진제의 질량은 약 1g이며, 점도는 베이비오일에 가깝습니다.

ASCENT가 장착된 정전기 제트 추진기는 CubeSat의 양쪽에 설치되었으며 전체 장치는 맞춤형 "자기 부상(MagLev)" 테스트 플랫폼에 배치되었습니다. 플랫폼은 진공 챔버에 위치하며 자기를 사용하여 위성을 부분적으로 공중에 띄우고 이를 통해 우주의 마찰 없는 환경을 시뮬레이션합니다. 연구팀은 제트에 의해 생성된 토크가 위성을 자이로스코프처럼 천천히 회전시키도록 서로 다른 전압 조건에서 추진기를 구동하고 회전 반응을 측정하여 추력 수준과 추진 효율을 반전시킵니다.

테스트 결과 ASCENT는 정전기 제트 추진기를 안정적으로 구동할 수 있으며 성능은 현재 일반적으로 사용되는 전기 추진 이온성 액체 추진제와 동등한 것으로 나타났습니다. 약 100시간 동안 지속된 연속 작동 실험에서 시스템은 우수한 안정성과 지속성을 보여주었습니다. Bruno는 실험실에서 일반적으로 사용되는 전통적인 정전기 제트 추진제와 비교할 때 ASCENT가 유사한 추력 성능을 제공한다고 말했습니다. "호환성을 확인한 후 이를 기반으로 시스템 성능을 지속적으로 최적화하는 방법에 대해 더 생각할 수 있습니다."

ASCENT는 화학적 추진과 정전기 주입과 같은 전기 추진 시스템의 에너지 모두에 사용될 수 있으므로 미래 우주선은 단일 추진제 탱크를 통해 두 가지 유형의 추진 시스템을 동시에 공급할 수 있습니다. 이 설계는 전체 구성을 크게 단순화하는 동시에 파이프라인과 저장 탱크의 수를 줄이면서 두 가지 유형의 추진 기술의 각각의 장점을 유지합니다. MIT와 NASA는 올해 11월 발사된 '친환경 추진 이중 모드' CubeSat 임무에서 최초의 실제 우주 측정을 수행할 계획입니다. 이는 또한 위성이 진정한 "추진제 탱크를 공유"하는 최초의 사례가 될 것입니다.

Lozano는 이 기술이 성간 탐사에 적합할 뿐만 아니라 기상 모니터링 및 기후 관측 별자리와 같은 지구 근처 임무에도 중요한 영향을 미칠 것이라고 지적했습니다. 예를 들어, 특정 장소에 심각한 폭풍이 발생하려고 할 때 운영자는 관측 요구에 따라 대상 지역 위로 작은 위성 그룹을 신속하게 조종하거나 장기간에 걸쳐 궤도를 천천히 조정할 수 있다고 말했습니다. 이 "속도 및 느린 제어 가능" 배치 방법은 높은 추력의 화학 추진과 고효율 전기 추진을 모두 사용할 수 있는 경우에만 실현 가능하며 이중 모드 시스템은 이에 대한 기술적 기반을 제공합니다.

"Performance Characterization of Electrospray Thrusters with Energetic Ionic Liquid Monopropellant"(Performance Characterization of Electrospray Thrusters with Energetic Ionic Liquid Monopropellant)라는 제목의 이 연구는 2026년 5월 31일 "Journal of Propulsion and Power"에 게재되었습니다. 이 연구는 또한 NASA의 일부 자금 지원을 받았습니다.