'바다'에서는 바람과 해류를 통해
'하늘'에서는 공기를 활용한 제트엔진을 통해 많은 에너지를 아끼면서 다닐수 있다.
그러면 텅텅 비어있는 공간인 '우주'에서도 공짜로 에너지를 받아서 여행을 할수 있을까?
먼저 두가지 방법이 있다.
첫번째는 '빛'을 활용한 '태양 돛(solar sail)' 방법
두번째는 '우주의 수소'를 활용한 전기 추력기 방법
태양 돛은 범선의 돛 처럼 빛의 운동량을 활용해 우주를 항해하는 방법이다. 태양으로 부터 운동량을 받을수 있지만 태양으로부터 멀어지게 되면 도달하는 빛이 부족하여 항행의 성능이 떨어진다는 단점이 있다.
이번글에서 소개하고픈것은 두번째인 '우주의 수소'를 활용한 전기 추력기에 대한 상상이다.
전기를 활용한 전기 추력기는 이온에 전자기장을 걸어 고속으로 밀어내어 추력을 얻어내는 방식의 추력기인데 기존의 이온추력기는 제논 같은 비활성 기체를 미리 연료탱크에 실어간 후 사용하며 추력을 얻어낸다.
그런데, 제논을 우주에서 얻을 수 없으니 우주에서 그나마 존재하는 '수소'를 포집하여 전기추력기를 사용한다고 하면 연료를 따로 싣지 않고 우주에서 수소를 포집하면서 태양전지로 모은 전기로 추진하면 우주를 '공짜로' 다닐수 있을것이다.
그렇다면 우주의 '수소'를 포집해서 전기추력기를 사용하려면 위성의 속도가
"얼마나 빨라야 하는지"가 궁금해져서 계산해보았다.
예시로는 우리나라의 과학기술위성 3호를 채택하여 계산을 하였다.
우리나라의 과학기술위성 3호에 탑재된 추력기가 10 mN 급이고
전기추력기의 성능을 나타내는 지표인 비추력(Isp)은 2000-5000 s 정도 되는데, 가장 낮은 2000 s 라고 가정해보았을때,
대략적인 유량은 500 ug/s 정도필요할 것이다.
초당 500 ug 이면 일상생활에서 매우매우 작은 정도이다 눈물 한방울이 0.05 g 정도인데, 눈물 한방울만 있으면 100 초가량정도를 비행할수 있다는것이다.
그런데, 우리가 모아야 하는것은 '우주의 수소'이다. 우주의 밀도는 4.08 x 10^(-28) kg/m^3(수소는 75% 정도) 으로 대략적으로 보면 1 m^3 당 수소원자가 1/4 개 있는 정도인데
이 수소를 만약 100%로 포집 가능하다고 가정하고 포집기의 크기를 과학기술위성 3호와 유사하게 가로 세로 1 m 씩이라고 가정하면, 500 ng/s 를 얻기 위해 필요한 속도는 (상대론에 의해 길이 수축이 일어나므로 밀도가 줄어든 길이만큼 증가한다고 보면)
... 무려
안된다고 봐야할듯..
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