우주 발사체 추진제에 암모니아 썼더니…탄소 배출 '제로'

POSTECH-기계연, 기존 탄화수소+아산화질소 대체 연료 개발…효율·연소온도 5% 개선

국내 연구진이 탄소 배출없는 우주 발사체 대체 추진제(연료)를 개발했다. 통상 우주 발사체는 발암성 독성 물질인 탄화수소계 하이드라진을 연료로 쓴다.

POSTECH(포항공과대학교)은 기계공학과 이안나 교수 연구팀(제1저자: 이정락 통합석박사과정)이 한국기계연구원 강홍재 선임연구원과 함께 ‘탄소 배출 제로’ 암모니아 추진제를 개발하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.

연구 결과는 추진제 및 연소 분야 국제 학술지 ‘연료(Fuel)’에 게재됐다.

POSTECH 연구진.(왼쪽부터 이안나 교수, 이정락 석박사통합과정 연구생, 한국기계연구원 강홍재 선임연구원.(사진=POSTECH)

연구팀은 이산화탄소나 그을음을 배출하지 않으면서도 보관과 취급이 쉬운 암모니아에 주목했다. 암모니아는 수소 저장 효율이 높고 장기 보관이 가능하지만, 불이 잘 붙지 않는 점화성이 실용화를 막는 걸림돌이었다.

이번 연구에서 연구팀은 아산화질소(N₂O)를 산화제로 쓰고, 여기에 ‘회전 활주 아크(RGA) 플라즈마 점화 기술’을 접목했다. RGA 플라즈마는 3차원 공간에서 플라즈마를 활성화해 암모니아에 확실하게 불을 붙이고, 연소를 안정적으로 지속시킨다.

실험 결과, ‘암모니아–아산화질소’ 추진계는 기존의 ‘아산화질소–탄화수소’ 조합보다 비추력(추진 효율)은 5% 높고, 연소 온도는 5% 낮게 나타났다.

또 연료와 산화제가 혼합된 비율로 얼마나 잘 연소되는지를 나타내는 당량비가 0.33~3.0으로 넓은 범위(암모니아가 산화제 대비 3배 많거나 적은 상태)에서도 연소가 안정적으로 진행됐다.

이정락 연구생은 "특히, 플라즈마 시동 가스로 암모니아와 아산화질소 모두 사용 가능하다"며 "재시동성과 운용 유연성이 크게 향상된 것도 장점"이라고 설명했다.

이안나 교수는 "이번 성과는 ‘탄소 배출 없는 우주 추진’으로의 전환을 앞당길 중요한 전환점"이라며 "저장이 쉬운 연료, 단순한 산화제 조합, 안정적인 플라즈마 점화를 결합함으로써 ‘탄소 중립·저열 부하·재시동 가능성’을 동시에 실현할 수 있는 새로운 추진제 방향"이라고 평가했다.

기계연 강홍재 선임연구원은 “RGA 기반 플라즈마 점화 기술은 재시동이 요구되는 발사체 및 탐사선 등 다양한 우주 임무에 폭넓게 적용될 수 있다”라며, “탄소 배출 없는 추진 시스템으로의 전환에 속도가 붙을 것”이라고 말했다.

암모니아-아산화질소 이원 액체추진기관 모식도 및 작동 장면.(사진=POSTECH)