[POSTECH·기계연, 암모니아와 아산화질소로 탄소 없는 우주추진체 개발]

 

 

한국형 발사체 누리호가 2025년에 네 번째 발사를 앞두고 있다. 그런데 누리호를 비롯한 대부분 로켓은 탄화수소계 연료를 사용해 그을음과 이산화탄소를 배출한다는 점에서 환경적 한계가 지적되고 있다. 이러한 가운데 POSTECH(포항공과대학교) 기계공학과 이안나 교수, 박사과정 이정락 씨 연구팀이 한국기계연구원(KIMM, 이하 기계연) 강홍재 선임 연구원과 함께 ‘탄소 배출 제로’ 암모니아 추진제를 개발하는 데 성공했다. 

이번 연구는 기존 로켓 연료의 환경적 문제를 해결하면서도 성능과 안정성을 동시에 확보해, 우주 추진 기술의 친환경 전환을 앞당길 핵심 기술로 주목받으며, 추진제 및 연소 분야 국제 학술지 ‘연료(Fuel)’에 게재됐다.

최근 위성 군집 운용, 달 탐사 등 장기간 수행되는 우주 프로젝트가 늘어나면서 추진제의 ‘저장성(storable capability)’이 핵심 기술로 부상하고 있다. 오랜 시간 보관한 뒤에도 바로 시동이 걸리고 안정적으로 작동해야 하기 때문이다. 이는 마치 오랫동안 세워둔 자동차가 한 번에 시동이 걸려야 하는 것과 같은 원리다.

연구팀은 이산화탄소나 그을음을 배출하지 않으면서도 보관과 취급이 쉬운 암모니아에 주목했다. 암모니아는 수소 저장 효율이 높고 장기 보관이 가능하지만, 불이 잘 붙지 않는 낮은 점화성이 실용화를 막는 걸림돌이었다.

이번 연구에서 연구팀은 아산화질소(N₂O)를 산화제로 쓰고, 여기에 ‘회전 활주 아크(이하 RGA, Rotating Gliding Arc) 플라즈마 점화 기술’을 접목했다. RGA 플라즈마는 3차원 공간에서 플라즈마를 활성화해 암모니아에 확실하게 불을 붙이고, 연소를 안정적으로 지속시킨다.

실험 결과, ‘암모니아–아산화질소’ 추진계는 기존의 ‘아산화질소–탄화수소’ 조합보다 비추력(추진 효율)이 높고 연소 온도는 낮아, 성능과 열적 안정성을 동시에 확보했다. 당량비^*1 0.33~3.0의 넓은 범위에서도 화염이 안정적으로 유지됐다. 특히, 플라즈마 시동 가스로 암모니아와 아산화질소 모두 사용할 수 있어 재시동성과 운용 유연성이 크게 향상됐다.

 

 

이번 성과는 ‘탄소 배출 없는 우주 추진’으로의 전환을 앞당길 중요한 전환점으로 평가된다. 저장이 쉬운 연료, 단순한 산화제 조합, 안정적인 플라즈마 점화를 결합함으로써 ‘탄소 중립·저열 부하·재시동 가능성’을 동시에 실현할 수 있는 새로운 로드맵을 제시했기 때문이다.

이안나 교수, 박사과정 이정락 씨는 “암모니아의 낮은 점화성과 연소 안정성 문제를 혁신적인 플라즈마 기술로 극복했다”라며, “저장성까지 갖춘 친환경 추진체 개발의 방향을 제시한 셈”이라고 기대감을 밝혔다. 기계연 강홍재 선임연구원은 “RGA 기반 플라즈마 점화 기술은 재시동이 요구되는 발사체 및 탐사선 등 다양한 우주 임무에 폭넓게 적용될 수 있다”라며, “탄소 배출 없는 추진 시스템으로의 전환에 속도가 붙을 것”이라고 말했다. 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 우수신진연구사업의 지원을 받아 진행됐다. 

 

DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.136893

1. 당량비(Equivalence ratio): 연료와 산화제가 혼합된 비율로 얼마나 연료가 많은지 또는 얼마나 적은지를 나타내는 지표다.