"우주 쓰레기, 이온 엔진 배기가스로 쓸어버린다" [우주로 간다]

샤오춘 헝 박사는 지구 저궤도에 쌓여 있는 1만4천 개 가량의 우주 쓰레기를 밀어내는 새로운 방법이 제안됐다고 우주과학매체 스페이스닷컴이 최근 보도했다.

현재 궤도에는 너트나 볼트 같은 작은 파편부터 로켓 추진체, 버려진 위성까지 다양한 우주 쓰레기가 떠다니고 있다. 이런 우주 쓰레기는 국제우주정거장(ISS)과 위성에 심각한 위협이 되고 있다. 실제로 ISS는 총알보다 빠른 속도로 날아오는 파편을 피하기 위해 정기적으로 회피 기동을 수행하고 있다.

과학자들은 우주 쓰레기 문제를 해결하기 위해 로봇 팔이나 그물 등으로 포획하는 방안을 연구해왔다. 하지만, 우주 쓰레기가 불규칙하게 회전하기 때문에 우주선이 휘말릴 위험이 크다는 문제가 있었다. 이에 따라 우주 쓰레기와 직접 접촉하지 않는 비접촉 방식이 더 안전할 것으로 전망된다.

이에 우주선 이온 엔진의 배기가스를 이용해 우주 쓰레기를 밀어내 궤도에서 이탈시키는 방법이 제시되기도 했다. 하지만 이온 엔진은 우주선을 전진시키도록 설계돼 있어 엔진의 플라즈마 배기가스를 발사하면 위성이 오히려 쓰레기에서 멀어지는 문제가 있었다.

양방향 플라즈마 추력기 개발

일본 도호쿠 대학교 연구진은 이에 대한 해법을 내놨다. 위성에 서로 반대 방향을 향하는 두 개의 배기구를 장착하는 방식을 제안했다. 이렇게 하면 양쪽에서 나온 추진력이 서로 상쇄돼 위성은 궤도를 유지한 채 우주 쓰레기를 제거할 수 있다. 이번 연구 결과는 지난 달 말 국제학술지 사이언티픽 리포트에 발표됐다.

양방향 플라즈마 추진기가 우주 쓰레기를 궤도에서 이탈시키는 방식을 보여주는 다이어그램 (출처=일본 도호쿠 대학)

도호쿠 대학 카즈노리 타카하시는 이 시스템을 ‘양방향 플라즈마 방출형 무전극 플라즈마 추진기’라고 이름 붙였다.

일반적인 이온 엔진은 비활성 기체를 이온화해 플라즈마를 만든 뒤 전자기장으로 가속해 추진력을 얻는다. 반면 다카하시의 시스템은 플라즈마가 자기장 선을 따라 양쪽으로 흘러 양방향 방출이 가능하다.

더 강한 추진력 위한 ‘자기 커프스 장착’

현재 이온 엔진의 추력은 화학 로켓에 비해 작은 상태다. 예를 들어 지름 1m, 질량 1톤의 우주 쓰레기를 100일 안에 궤도에서 이탈시키려면 30밀리뉴턴(mN)의 추력을 지속적으로 가해야 한다. 이는 일본항공우주국(JAXA)의 소행성 류구 탐사선 하야부사2에 탑재된 이온 엔진의 추력보다도 강하다. 하야부사2는 태양 전지판에서 생산된 300~500와트(W)의 전력으로 10mN의 추력을 달성했다.

다카하시의 양방향 시스템은 훨씬 더 많은 전력을 소모해야 하며, “최소 수 킬로와트(kW) 정도는 돼야 한다"고 연구진은 밝혔다.