AF-MPD 추력기의 자기장 구조 및 이온 가속 메커니즘 분석.(사진=부산대 제공)

부산대학교·한국원자력연구원 공동연구팀이 세계적으로 주목받고 있는 우주시장의 전기추력기인 ‘MPD 추력기’의 가속 특성이 자기장 구조와 밀접하게 연관돼 있음을 밝혀, 차세대 추진시스템 활용 가능성을 제시했다.

부산대는 항공우주공학과 김호락 교수 연구팀과 한국원자력연구원 채길병 박사 연구팀이 차세대 심우주 탐사용 전기추력기인 ‘MPD(Magnetoplasmadynamic) 추력기’ 내에서 발생하는 미확인 이온 가속 메커니즘을 자기장 구조 분석을 통해 규명했다고 10일 밝혔다.

우주선이 멀리(심우주) 갈 때 쓰이는 플라즈마 엔진인 ‘MPD 추력기’는 전기와 자기장으로 뜨거운 기체(플라즈마)를 빠르게 밀어내 추진력을 내는데, 분석 결과 이때 자기장을 무조건 세게 하는 것보다 자기장의 모양(구조)을 잘 설계하는 것이 훨씬 중요했다고 연구팀은 설명했다. 특히 자기장이 거의 0이 되거나 방향이 급격히 바뀌는 지점(자기 영점)에서는 오히려 힘이 줄어들 수 있다는 사실도 밝혀졌다.

이번 성과는 Applied-Field Magnetoplasmadynamic(AF-MPD) 추력기에서 외부 자기장 형상이 플라즈마 거동 및 입자 가속 과정에 미치는 영향을 실험적으로 분석한 연구로, 단순 성능 비교를 넘어 플라즈마 가속 메커니즘의 근본적인 물리 현상 규명에 초점을 맞췄다.

MPD 추력기는 전류와 자기장의 상호작용(로렌츠 힘)을 이용해 플라즈마를 가속하는 대표적인 고출력 전기추력기지만, 플라즈마 가속 과정에서 자기장 형상이 어떤 방식으로 성능을 제한하거나 향상시키는지에 대해서는 실험적 검증이 제한적이었다.

연구팀은 전자석과 영구자석이라는 서로 다른 두 가지 자기장 환경을 구축하고, 추진기의 추력, 비추력, 이온 에너지 분포를 정밀 측정했다. 이 과정에서 자기장의 기하학적 구조가 이온 가속의 효율을 결정짓는 핵심 변수임을 밝혀냈다.

특히 연구팀은 강한 자기장을 가진 영구자석 환경임에도 불구하고 자기장의 세기가 0이 되거나 자기력선의 방향이 급격히 변하는 특정 지점(Magnetic Null Point, 자기 영점)에서 자기력선이 짧아지거나 전자의 이동이 방해받을 때 오히려 추진력이 감소하는 현상을 발견했다. 이는 자기장의 세기보다 자기력선의 정렬 상태와 전자의 흐름을 최적화하는 구조 설계가 성능 향상의 핵심임을 입증한 것이다.

이러한 결과는 자기장 세기 증가가 항상 성능 향상으로 이어지는 것은 아니며, 자기장 구조가 가속 메커니즘을 지배할 수 있음을 실험적으로 제시한 것이다.

연구팀은 이번 연구를 통해 15kW(킬로와트)급 입력 전력에서 최대 436mN(밀리뉴턴)의 추력(推力)과 2,935초의 비추력(比推力)을 확보하며 우수한 성능 수치를 달성했다. 이는 고성능 전기추진 엔진 설계에 명확한 가이드라인을 제시한 것으로, 향후 고출력 전기추진 시스템, 원자력 기반 우주 추진 기술, 심우주 탐사 추진 시스템 연구 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

공동 교신저자인 김호락 부산대 교수는 “이번 연구는 그동안 베일에 싸여 있던 MPD 추진기 내부의 이온 가속 메커니즘을 실험적으로 명확히 규명했다는 데 큰 의의가 있다”며 “향후 우리나라의 독자적인 심우주 탐사선 추진 시스템을 개발하고 상용화하는 데 중요한 기술적 토대가 될 것”이라고 말했다.

채길병 한국원자력연구원 박사는 “플라즈마 기반 추진 시스템에서 자기장 구조는 핵심 설계 변수”라며 “본 연구는 자기장 형상이 방전 거동과 입자 가속 과정에 미치는 영향을 정량적으로 제시함으로써, 향후 고출력 플라즈마 소스 및 전기추력 시스템 연구에 중요한 기준을 제공할 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 부산대 김호락 교수와 한국원자력연구원 채길병 박사가 공동 교신저자, 한국원자력연구원 신해원 박사가 제1저자, 부산대 항공우주공학과 김정호 석박사통합과정생과 황재연 석박사통합과정생이 공동 저자로 수행했다.

해당 연구 결과는 『네이처』 자매지인 『사이언티픽 리포트(Scientific Reports)』 2월 6일자에 게재됐다.