[고든 정의 TECH+] 21세기 우주 스팀펑크? 증기 추진 로켓 엔진 써마셋

스팀펑크(Steampunk)는 전기모터나 내연기관 대신 증기기관을 기반으로 기술이 발전한 가상 세계를 기반으로 한 SF 장르를 의미합니다. 영화 젠틀맨 리그나 와일드 와일드 웨스트나 하울의 움직이는 성 같은 경우가 대표적입니다. 하지만 사실 고전적인 증기기관은 에너지 효율이 매우 낮고 무겁고 부피가 큰 데다 최근 강조하는 지속가능한 친환경 에너지와 거리가 멀기 때문에 인류 문명이 크게 퇴보하지 않는 이상 다시 부활하기는 어렵습니다. 그러나 지금도 기발한 아이디어를 적용한 증기 추진 엔진을 꿈꾸는 사람들이 있습니다.

애리조나의 스타트업인 호우 인더스트리스(Howe Industries)는 기존의 화학 로켓을 대체할 수 있는 원자력 엔진 같은 새로운 로켓 엔진을 개발하고 있습니다. 사실 원자력 로켓은 1950년대로 거슬러 올라갈 수 있을 정도로 역사가 깊은 기술이고 나사도 여러 개의 프로토타입 엔진을 개발한 역사가 있습니다. 최근 나사는 화성과 그 너머로 인류를 보내기 위해 다양한 원자력 로켓 및 소형 원자로를 개발 중이며 나사 NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts) 프로그램을 통해 관련 기업들을 지원하고 있습니다. 호우 인더스트리스도 그중 하나입니다.

그런데 미국 정부는 이 회사가 개발하는 색다른 원리의 로켓 엔진 개발도 지원하고 있습니다. 써마셋 (ThermaSat)은 이제까지 개발된 어떤 로켓 엔진과도 차별되는 독특한 특징을 지니고 있습니다. 동력원은 태양열이고 연료는 증류수이기 때문입니다. 이런 이상한 로켓 엔진이 개발된 배경은 초소형 인공위성인 큐브셋(CubeSat) 때문입니다.

큐브셋은 가로, 세로, 높이가 각각 10cm인 정육면체를 하나의 유닛 (1U)으로 하는 규격화된 초소형 인공위성으로 발사 및 제작 비용이 기존의 인공위성이나 우주선보다 매우 저렴해 주목받고 있습니다. 그런데 큐브셋에는 몇 가지 제한점이 있습니다. 전자 장비나 다른 장비는 큐브셋에 탑재하기 쉽게 소형화가 가능하지만, 로켓 엔진은 연소실이나 노즐, 연료탱크 같은 구조물이 필요해 소형화에 어려움이 있는 것입니다. 또 대부분의 큐브셋이 위성 발사 시 남는 자투리 공간에 넣어 탑재하기 때문에 인화성이 있는 로켓 연료를 탑재하기가 어렵다는 문제점도 있습니다. 써마셋 엔진은 기존의 로켓 엔진보다 매우 단순한 구조로 소형화가 쉽고 연료 역시 매우 안전하고 화재 가능성이 없는 물을 사용합니다. 원리 역시 간단합니다. 써마셋 표면에 있는 태양광 집광 장치를 통해 우주 공간에서 열을 흡수한 다음 내부에 있는 열 캐퍼시터 (Thermal capacitor)를 섭씨 779도까지 가열합니다. 대기를 통과하지 않은 강한 태양광을 받기 때문에 지구 표면보다 더 빨리 열을 충전할 수 있습니다. 충분한 열이 모이면 증류수를 흘려보내 순식간에 고압 수증기로 만든 후 높은 압력으로 분사하는 방식입니다. 수증기의 높은 압력을 이용한 엔진이라는 점에서 전통적인 증기기관과 비슷하지만, 로켓 엔진이라는 점이 큰 차이점입니다.

써마셋은 움직이는 부품이 거의 없고 구조가 단순해 소형화에 유리합니다. 제조사 측에 따르면 제조 비용도 저렴합니다. 큐브셋이 작은 크기와 저렴한 가격을 무기로 내세운다는 점을 생각하면 이런 목적에 최적화된 로켓 엔진이라고 할 수 있습니다. 호우 인더스트리에 따르면 2U짜리 써마셋 엔진은 1kg의 증류수를 포함해도 무게가 2.4kg에 불과합니다. 하지만 203초 동안 1.02N의 추력을 낼 수 있어 최대 16U 크기의 큐브셋에 필요한 추력을 제공합니다.

써마셋 프로그램은 미국 정부의 SBIR (Small Business Innovation Research) 1단계 지원을 받아 연구를 진행하고 있습니다. 21세기 우주 스팀펑크 엔진이라고 불러도 과언이 아닐 써마셋 엔진이 실제로 우주를 날 게 될지 결과가 주목됩니다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com