나로호가 하늘로 솟구치는 힘은 대부분 러시아에서 개발된 하단(1단) 액체연료 로켓으로부터 나온다. 상단(2단)은 국내에서 개발한 고체연료 로켓. 한국항공우주연구원은 2018년까지 액체연료 로켓을 국산화해 실질적인 국산 우주발사체를 발사한다는 계획이다. 하지만 우주 선진국들은 한발 앞서 나가고 있다. 기존 로켓과 달리 환경오염이 적고, 재사용이 가능한 로켓들이 속속 개발되고 있다. 지금보다 훨씬 적은 연료로 우주 깊은 곳까지 날아가게 해주는 로켓도 있다.
◆장거리 우주여행용 이온엔진
로켓의 원리는 연료가 타면서 고온, 고압의 연소가스를 뿜으면 뉴턴의 작용·반작용의 법칙에 따라 그 반대 방향으로 추진력이 생겨 로켓을 하늘로 치솟게 하는 것이다. 연료가 액체수소나 케로신(등유) 같은 액체이면 액체 로켓, 알루미늄처럼 고체이면 고체 로켓이 된다.
하지만 영국은 최근 유럽항공우주국(ESA)과 함께 전혀 새로운 형태의 동력원을 개발하고 있다. 바로 '이온엔진(Ion engine)'이다. 이름 그대로 추진력은 전기를 띤 입자인 이온에서 나온다. 1960년대 전자를 자기장에 가뒀다가 한꺼번에 배출해 추진력을 얻는 '홀 추진기'가 개발돼 미국과 옛 소련의 인공위성 제어에 사용됐다.
최근에 개발 중인 이온엔진은 우주탐사선의 주 엔진에 들어갈 예정이다. 기본 원리는 간단하다. 이온엔진의 연료는 제논 가스다. 탐사선에 달린 태양전지판이 전기를 만든다. 이 전기로 제논 가스를 전기를 띤 입자인 이온 상태로 만든다. 이것을 한꺼번에 내뿜어 추진력을 얻는다.
연료로 제논 가스를 쓰는 것은 기존 화학연료보다 훨씬 적은 양으로도 추진력을 낼 수 있기 때문이다. 덕분에 연료를 적게 실어도 돼 탐사선 자체의 무게도 준다. 엔진 자체도 고체나 액체연료 엔진에 비해 90%까지 줄일 수 있어 탐사선을 훨씬 가볍게 만들 수 있다. 유럽항공우주국은 태양계 바깥에 있는 행성이나 소행성, 혜성 등을 탐사하는 데 적합할 것으로 보고 있다.
물론 단점도 있다. 우주공간에서는 이온 추진력만으로도 충분하지만 지상에서 우주로 나갈 때는 턱없이 부족하다. 날고 있는 비행체를 서서히 가속할 수는 있어도 갑자기 엄청난 힘을 내지는 못하기 때문이다. 이런 단점을 극복하기 위해 발사 때는 기존의 화학연료를 쓰고, 우주공간의 장거리 비행에는 이온엔진을 쓰는 하이브리드 시스템이 필요하다.
◆재생 가능한 친환경 메탄 엔진
우주왕복선은 액체수소 엔진을 쓰고 있다. 수소는 섭씨 영하 252.9도로 저장해야 한다, 이 때문에 연료통을 단열재로 칭칭 감아야 해 연료통이 무거워진다. 또 나로호 하단에 쓴 케로신 엔진은 연소하면서 검댕이 생겨 엔진 내부의 관에 쌓인다. 그래서 재사용이 불가능하다. 메탄 엔진은 이런 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
메탄은 수소에 비해 훨씬 높은 영하 161.6도면 액체 상태를 유지할 수 있다. 연료통에 단열재를 덜 써도 돼 연료통이 훨씬 가볍고 크기도 작아진다. 덕분에 발사비용도 준다. 또 메탄이 산화제인 액체산소와 만나 연소하면 이산화탄소와 물이 나온다. 기존 로켓과 달리 매연이 나오지 않는다. 케로신 엔진처럼 검댕이 관을 막는 일이 없기 때문에 다시 써도 문제가 없다. 메탄은 가격도 케로신이나 수소보다 저렴해 기존 엔진 비용의 10% 정도면 가능하다.
특히 메탄 엔진 로켓은 행성 탐사에 유용하다. 화성이나 목성 같은 지구밖 행성에는 메탄이 두껍게 깔려 있는 것으로 알려져 있다. 일단 적은 양의 연료를 싣고 행성으로 가서 다시 연료를 충전할 수 있어 발사비용을 크게 줄일 수 있다. 미항공우주국(NASA)은 현재 메탄 엔진의 지상 연소시험을 진행하고 있다. 국내에서도 메탄 로켓 엔진이 개발돼 현재 미국에서 연소시험을 기다리고 있다.
◆고체·액체 장점 결합한 하이브리드 엔진
고체 추진체 로켓의 안쪽은 연료와 연소를 도와주는 산화제가 섞여 있다. 고체 추진체는 추진체 안쪽과 바깥쪽에서 동시에 연소하게 해 추진력을 일정하게 해준다. 구조가 간단해 제작비용과 유지비용이 적게 든다.
하지만 한 번 연소가 시작되면 중간에 조절하기 어려워 우주발사체처럼 정밀한 제어가 필요한 곳에서는 적합하지 않다. 균일하게 타지도 않고 고도가 높아지면 잘 타지 않는 것도 단점이다. 연료는 고체로 만들고 산화제는 액체로 만들어 이런 문제를 해결할 수 있는 하이브리드 로켓이 개발중이다.
나사는 양초의 원리를 활용한 하이브리드 로켓 엔진을 개발 중이다. 양초가 열에 의해 녹으면 기체 상태가 되고 여기에 불이 붙어 빛을 낸다. 하이브리드 엔진은 산화제인 액체 산소를 기체로 만들어 연소실에 넣는다. 연소실에는 고체 연료가 있다. 불이 붙으면 고체 표면이 기체로 변하면서 계속 불이 붙는다. 결국 연료가 기체가 돼 타기 때문에 액체 로켓처럼 추진력 조절이 가능하다. 불을 붙였다 끄고, 다시 켜는 것도 가능하다.