친환경 항공기를 향해…속도와 효율성 겸비한 프롭팬 엔진 [고든 정의 TECH+]

지구 온난화 문제는 21세기 인류가 직면한 가장 큰 도전입니다. 산업 시대 이전과 비교해서 섭씨 1.5도 이내로 기온 상승을 억제하려는 목표는 현재로서는 실현 가능성이 작아 보이고 가능하면 2도 이내라도 억제하기 위해 노력하고 있으나 이 역시 달성 가능성이 높아 보이지 않습니다. 문제 해결의 열쇠는 결국 인류가 얼마나 빨리 화석 연료 사용을 줄이고 친환경 에너지로 전환할 수 있느냐에 달려 있습니다.

운송 수단 가운데서 자동차는 가장 빠른 속도로 친환경 전환이 이뤄지고 있습니다. 하지만 선박이나 항공기는 상대적으로 전환이 더딜 수밖에 없는 상황입니다. 아무리 배터리 기술이 발전해도 대형 여객기나 초대형 컨테이너선에 탑재하기는 어려운 상황이기 때문입니다. 수소 연료 전지의 경우 다루기 까다롭고 위험할 수 있는 수소를 항공기에 탑재해야 한다는 부담이 있습니다.

따라서 항공기 및 엔진 제조사들은 수소나 전기 비행기 같은 친환경 항공기 기술에 투자하는 한편 기존의 항공기의 에너지 효율을 높이는 데 집중하고 있습니다. 동체와 날개를 하나로 이은 블렌디드 윙 바디(BWB) 기술이나 매우 효율이 높은 제트 엔진 등이 그런 경우입니다. 항공기 엔진 제조사인 제너럴 일렉트릭(GE)과 사프란 항공 엔진(Safran Aircraft Engines, 과거 Snecma)은 지난 1980년대 도전했지만, 결국 개발을 포기했던 엔진인 프롭팬(propfans) 엔진 기술을 부활시켰습니다. 현재 항공기 엔진의 주류는 일반적인 여객기에 표준으로 사용되는 제트 엔진인 터보팬 엔진과 터보팬 엔진보다 속도는 느리지만 연료 효율은 우수한 터보프롭 엔진입니다. 당연히 항공기 엔진 개발자들은 이 두 엔진의 장점을 합친 엔진을 개발하기 위해 연구했습니다.

1970년대 나온 해법 중 하나는 터보팬 엔진의 일부 팬을 노출한 것 같은 디자인을 지닌 프롭팬 엔진입니다. 가장 큰 팬이 덕트 밖으로 나온 구조라서 오픈 로터 엔진이나 언덕티드 팬(Unducted fans, UDFs)이라고도 불렸습니다. 여러 개의 블레이드를 지닌 팬이 고속으로 회전하면서 충분한 속도를 내면서도 터보팬과 비슷한 연료 효율을 지니고 있었습니다.

GE는 1980년 대에 실제로 프롭팬 엔진인 GE 36 UDF 엔진을 개발해 1988년 판보로 에어쇼에서 공개한 적도 있습니다. 이 프로토타입 엔진은 맥도널 더글라스의 MD-80의 꼬리에 설치할 수 있는 정도의 실물 크기 엔진입니다. 하지만 이 시기 진행된 프롭팬 개발은 결국 상업적으로 실패했습니다. 기존의 엔진보다 30% 정도 연료 효율이 좋기는 했지만, 당시 기술로 복잡한 형태의 팬을 제조하기도 쉽지 않았고 결정적으로 국제 유가가 하락하면서 연비가 우수한 엔진에 대한 수요도 감소했기 때문입니다.

하지만 지구 온난화 문제로 기름값과 상관없이 최대한 온실가스 배출을 줄일 수 있는 엔진 개발이 필요해지면서 GE는 사프란과 손잡고 50대 50으로 조인트 벤처인 CFM International RISE를 설립해 다시 프롭팬 엔진 개발에 나섰습니다.

물론 그동안 세월이 흘렀고 기술이 진보한 만큼 프롭팬 연구팀은 완전히 새로운 기술로 무장했습니다. 제조가 까다로운 팬 블레이드의 경우 이제는 3D 프린터를 이용해서 최적의 형태로 제작할 수 있습니다. 에너지 효율을 높일 수 있는 최적의 팬 디자인 역시 과거처럼 수작업에 의존하지 않고 슈퍼컴퓨터의 도움을 받아 훨씬 정교하게 수행할 수 있습니다.

CFM 연구팀은 미국 에너지부 산하의 오크리지 국립 연구소의 엑사스케일 컴퓨터인 프런티어 슈퍼컴퓨터를 이용해 최신 CFD (computational fluid dynamic) 모델을 만들었습니다. 그리고 이를 통해 최적의 효율을 지닌 프롭팬 엔진의 프로토타입을 개발했습니다. (사진) 다만 그동안 터보팬 엔진 역시 끊임없이 진화해서 효율이 꽤 높아졌기 때문에 현재 목표는 기존의 터보팬 엔진 대비 20% 정도 연료 효율을 개선하는 것입니다.

현재 CFM의 프로토타입 엔진은 400회 정도 지상 엔진 테스트를 마친 상태로 실제 항공기에 탑재해 비행 테스트를 진행하기 위한 준비 중입니다. 여객기의 외형을 크게 바꿀 수도 있는 신개념 엔진이 과연 성공할 수 있을지 결과가 주목됩니다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com