YBCO 초전도체로 구현한 초고효율 추진기

YBCO(이트륨 바륨 구리 산화물)는 임계 온도인 92K(-181°C) 미만으로 냉각될 때 전기 저항을 없애는 혁신적인 고온 초전도 물질입니다. 우주 추진 분야에서 YBCO는 자기플라스마동역학 추력기(MPDTs) 내부의 전통적인 구리 전자기 코일을 대체하는 데 사용되며, 플라스마를 극한의 속도로 가속하는 '우주 전자기포'를 만들어냅니다. 연구진은 고온 초전도 기술을 활용하여 에너지 손실이 거의 없이 추진에 필요한 강력한 자기장을 생성할 수 있으며, 이를 통해 엔진의 무게와 전력 소비를 획기적으로 줄일 수 있습니다.

효율적인 추진 시스템의 개발은 오랫동안 소형 위성의 확산과 심우주 탐사의 주요 병목 현상이었습니다. 전통적인 화학 로켓은 매우 비효율적이며, 종종 초기 발사 질량의 90% 이상을 연료에만 할애해야 합니다. '우주 전기 자동차'로 종종 묘사되는 전기 추진 방식은 전기 에너지를 사용하여 전하를 띤 입자를 가속함으로써 더 깨끗하고 효율적인 대안을 제공하지만, 기존의 자기플라스마동역학 추력기는 역사적으로 소형 우주선에 탑재하기에는 너무 부피가 크고 전력 소모가 많았습니다. 그러나 2026년 2월 22일 National Science Review에 발표된 획기적인 연구는 이 기술의 패러다임 전환을 보여줍니다.

왜 HTS 추력기의 무게는 기존의 220kg에 비해 60kg밖에 되지 않을까요?

고온 초전도(HTS) 추력기가 73%라는 엄청난 중량 절감을 달성할 수 있었던 이유는 YBCO 초전도 테이프가 기존 구리보다 훨씬 높은 전류 밀도를 수용할 수 있어 자기 코일을 훨씬 작게 만들 수 있기 때문입니다. Chinese Academy of Sciences의 연구진은 저항열을 관리하기 위해 필요했던 거대한 구리 권선과 무거운 냉각 구조를 제거함으로써 전체 시스템 질량을 220kg에서 단 60kg으로 줄이는 데 성공했습니다. 이러한 경량 설계 덕분에 이전에는 저추력 옵션으로 제한되었던 초소형 위성 플랫폼에도 고출력 추진 장치를 통합할 수 있게 되었습니다.

고온 초전도 기술을 통해 엔지니어들은 기존 전자기 시스템을 괴롭히던 옴의 법칙(Ohm's law)의 물리적 한계를 우회할 수 있습니다. 표준 MPDT에서 구리 코일은 전기 저항으로 인해 막대한 양의 폐열을 발생시키며, 시스템이 녹는 것을 방지하기 위해 무거운 차폐막과 거대한 방열 장치가 필요합니다. 플라스마 물리 연구소(Hefei Institute of Physical Science)의 Professor Jinxing Zheng이 이끄는 연구팀은 YBCO로 교체함으로써 이러한 저항 가열을 제거하여, 자기장 강도를 희생하지 않고도 전체 마그네틱 어셈블리를 소형화할 수 있었습니다.

질량의 감소는 우주 비행의 경제성에 지대한 영향을 미칩니다. 우주선에 추가되는 1kg의 무게마다 발사 비용이 상승하고 과학 장비를 위한 가용 탑재체가 줄어듭니다. 220kg급 장치와 맞먹는 성능을 제공하는 60kg급 추력기는 미션 설계자가 발사 비용을 절감하거나 더 정교한 센서, 카메라 및 통신 배열을 탑재할 수 있게 하여, 궤도로 발사되는 모든 미션의 '과학적 투자 대비 수익(ROI)'을 효과적으로 높여줍니다.

추력기 내 초전도체를 위한 -196°C 액체 질소 냉각의 장점은 무엇인가요?

액체 질소를 사용하여 HTS 추력기를 -196°C로 냉각하는 것은 질소의 끓는점 위에서 YBCO 초전도체를 사용할 수 있게 해주므로, 액체 헬륨보다 훨씬 비용 효율적이고 관리가 간단하다는 장점이 있습니다. 이 온도 범위에서 추력기는 최소한의 에너지 입력으로 초전도 상태를 유지할 수 있으며, 자기장을 생성하는 데 필요한 여자 전력을 285kW에서 1kW 미만으로 대폭 낮출 수 있습니다. 이러한 99%의 전력 소비 감소는 태양광 발전 위성에서도 고성능 추진을 가능하게 합니다.

액체 질소 온도에서의 작동은 가혹한 우주 환경에서 작동하는 우주선에 중요한 열적 완충 지대를 제공합니다. 전통적인 저온 초전도체는 절대 영도(4K)에 가까운 냉각이 필요하며, 이를 위해 고가의 액체 헬륨으로 채워진 복잡하고 무거운 저온 유지 장치(cryostats)가 필수적입니다. 연구팀은 고온 초전도 기술을 활용하여, 단열과 보충이 더 쉬운 단순한 액체 질소 시스템만으로도 YBCO가 작동하는 데 필요한 환경을 유지할 수 있음을 입증했습니다. 이러한 열 효율 덕분에 여자 전력을 소규모 공동체의 전력 사용량 수준에서 일반 가전제품 수준으로 떨어뜨릴 수 있었습니다.

연구진은 이러한 열 관리 전략이 추력기의 성능을 저하시키지 않는다는 것을 성공적으로 증명했습니다. 실제로 -196°C에서 안정적인 초전도 상태를 유지함으로써 추력기는 강력하고 일관된 자기장을 지속할 수 있습니다. 이러한 안정성은 플라스마의 꾸준한 가속에 필수적이며, 화성이나 외계 행성계 미션과 같이 장시간 가동이 필요한 행성 간 여행 중에 '우주 전자기포'가 안정적으로 작동하도록 보장합니다.

추진 성능 및 비추력

추진 시스템의 효율성은 소비된 추진제 단위당 발생하는 추력을 나타내는 지표인 비추력(specific impulse)으로 측정됩니다. 새로운 HTS 추력기는 12킬로와트 전력 입력에서 3,265초라는 놀라운 비추력을 달성했습니다. 참고로 이는 일반적으로 300초 내외인 전통적인 화학 로켓의 비추력보다 10배 이상 높은 수치입니다. 이는 HTS 추력기가 화학 로켓과 동일한 속도 변화를 달성하면서도 연료는 아주 일부분만 사용한다는 것을 의미합니다.

• 비추력: 3,265초 (화학 로켓의 300초 대비)
• 입력 전력: 12 kW (심우주 항행을 위한 고효율)
• 전력 감소: 마그네틱 여자를 위해 285 kW에서 1 kW 미만으로 감소
• 중량 감소: 220 kg에서 60 kg으로 감소

이러한 효율성의 도약은 추진제 질량비 문제를 직접적으로 해결합니다. HTS 추력기는 매우 효율적이기 때문에 우주선은 목적지에 도달하기 위해 훨씬 적은 연료를 실을 수 있습니다. 이러한 '가벼운 하중' 철학은 더 빠른 이동 시간을 가능하게 하고, 연료 제약으로 인해 이전에는 불가능했던 복잡한 궤도 기동을 수행할 수 있게 합니다. SmallSats(소형 위성)의 경우, 이 기술은 위성을 지구 궤도 밖으로 밀어내어 전례 없는 정밀도로 심우주 목표물을 향하게 할 수 있는 '심장'을 제공합니다.

예측 정확도: 자기유체역학 모델

물리적 하드웨어 외에도 Professor Zheng의 팀은 추력기의 작동을 제어하는 포괄적인 분석 자기유체역학(MHD) 모델을 구축했습니다. 이 이론적 프레임워크는 자기장 강도, 질량 유량 및 추력 성능 사이의 복잡한 상호 작용을 정밀하게 설명합니다. 이 모델을 수립함으로써 연구진은 기술의 향후 반복을 위한 로드맵을 제공했으며, 다른 과학자들이 규모나 전력 입력의 변화가 엔진 출력에 어떤 영향을 미칠지 예측할 수 있게 했습니다.

MHD 모델은 엄격한 실험 테스트를 통해 검증되었으며, 예측 데이터와 관찰 데이터 사이에 높은 상관관계를 보여주었습니다. 이러한 검증은 연구의 'E-E-A-T'(경험, 전문성, 권위성, 신뢰성) 측면에서 중요한 단계로, 연구팀이 플라스마 환경에서의 고온 초전도 기저 물리를 이해하고 있음을 입증합니다. 검증된 수학적 모델을 보유하면 향후 우주선 설계 프로세스가 간소화되어, 값비싼 시행착오 테스트의 필요성을 줄이고 실제 미션에 HTS 추력기를 배치하는 속도를 높일 수 있습니다.

이 모델링은 또한 추력기가 다양한 유형의 추진제를 처리하는 방식도 탐구합니다. 미시적 수준에서 플라스마의 유체 역학을 이해함으로써 연구팀은 가스 주입을 최적화하여 최대 가속을 보장할 수 있습니다. 고정밀 모델링과 성공적인 하드웨어 시연의 결합은 지난 10년 동안 전기 추진 분야에서 가장 중요한 발전 중 하나로 기록될 것이며, 무겁고 전력 소모가 많은 구리 기반 자기플라스마동역학 시스템의 시대를 끝낼 잠재력을 지니고 있습니다.

미래를 위한 확장: 소형 위성에서 심우주까지

항공우주 산업에 HTS 추력기가 통합된 것은 고에너지 효율 추진의 새로운 시대가 시작되었음을 의미합니다. 상업용 우주 분야가 계속 성장함에 따라 SmallSats를 위한 비용 효율적이고 고성능인 엔진에 대한 수요는 더욱 증가할 것입니다. 중국의 이번 돌파구는 핵심적인 추진 병목 현상을 해결하여 달 표면, 소행성 및 그 너머를 지속 가능하고 저렴하게 탐사할 수 있는 길을 제시합니다. 헤비급 추력기처럼 작동하는 60kg급 엔진을 발사할 수 있는 능력은 2030년대의 미션 아키텍처를 재정의할 것으로 보입니다.

앞으로 연구팀은 수년간 지속되는 미션을 위해 추력기의 작동 수명을 연장하고자 냉각 시스템을 더욱 개선하는 것을 목표로 하고 있습니다. 향후 버전에서는 더 높은 온도의 초전도체나 심우주의 자연적인 냉기를 활용할 수 있는 더 통합된 극저온 냉각 솔루션을 탐구할 수도 있습니다. 고온 초전도 기술이 계속 성숙해짐에 따라, 이는 모든 고출력 전기 추진의 표준이 될 준비가 되어 있으며, 엔진의 무게나 연료의 한계 때문에 더 이상 별들이 손에 닿지 않는 곳이 아닌 시대를 열어갈 것입니다.