버스다 램제트 엔진

먼저 기존 우주선들의 연료나 엔진이 가진 한계점을 생각해봅시다.

아폴로 프로젝트 당시 75만 km 가량을 이동했던 새턴 5호 무게의 대부분은 연료였습니다. 

만약에 우리가 5광년이 넘는 외계 행성을 탐험한다고 했을 때 새턴 5호처럼 기존의 화학 연료를 쓴다고 생각해봅시다. 그렇게 되면 정말 천문학적인 양의 연료를 실어야 합니다. 이럴 경우에는 연료 무게를 감당하려고 추가 연료가 필요하고 그 추가 연료까지 감당하려면 또 연료가 필요하고 또 필요하고...

이런 사태가 계속 발생합니다. 필요한 금액은 올라가고 우주선은 커지고 무게도 엄청나게 증가하는 비효율적인 로켓이 되겠죠?



핵분열 우주선 슈퍼 오리온의 질량은 4천만 톤 그 와중에 3천만 톤은 핵폭탄의 무게입니다.

핵융합 우주선 다이달로스의 질량은 대략 54500톤 그중에서 연료의 무게만 5만 톤 가량입니다.

근데 이건 우주선을 가속하는 데만 필요한 양이고 감속하는데 필요한 연료는 고려하지 않은 것입니다.

엄청난 무게인 거죠??



그래서 물리학자 로버트 버사드는 완전히 새로운 개념의 추진 방식을 고안했습니다.

바로 버사드 램제트의 원리가 뭔지 한번 살펴봅시다.



다들 알다시피 우주는 완전히 텅 빈 공간이 아닙니다. 밀도는 확실히 적지만 수소가 들어있죠. 대략 1m^3당 수소 원자가 1,2개가 들어 있다고 하네요. 버스다 램제트의 엔진의 핵심은 우주공간에 퍼져있는 수소를 연료로 사용하는 겁니다.

이 수소들을 연료로 사용하려면 먼저 



1. 버사드 램제트를 지구 대기권 밖으로 날려 보낸다.

2. 버사드 램제트의 자체 원자력 엔진을 이용해서 우주선의 속도를 광속의 1% 속도까지 끌어올린다.

3. 광속의 1% 이상의 속도가 되면 수소 포집기를 연다.

4. 우주선을 빠른 속도로 전진시키면서 동시에 수소 포집기로 수소를 빨아들인다.

5. 빨아들인 수소를 핵융합 엔진으로 보낸다.

6. 핵융합 엔진은 빨아들인 수소를 가지고 핵융합을 일으킨다.

7. 이 핵융합 에너지로 버사드 램제트는 앞으로 나아간다.



버사드 램제트가 더 빠르게 추진할수록 더 많은 수소가 포집기를 통해 핵융합 엔진으로 들어오고 성간 램제트 우주선은 더욱더 빨라지고 또 수소가 들어오고 핵융합 또 일으키고 추진하고 무한 반복이 되는 거죠.

이때 가장 중요한 건 버사드 램제트 우주선이 광속의 1% 속도까지 도달해야 한다는 겁니다. 광속의 1% 속도에 도달해야만

우주선이 1초당 흡수하는 수소 원자의 수가 충분해지고 핵융합이 가능해지고 우주선을 가속하게 충분한 에너지를 얻을 수 있습니다. 이렇게 버사드 램제트 엔진은 처음에 광속의 1% 속도까지만 도달하면 되기 때문에 추가 연료를 우주선에 실을 필요가 없습니다. 연료가 되는 수소는 우주에 차고 넘치니까요.



이렇게 성간 램제트는 연료 무게도 많이 줄이고 연료가 필요 없으니까 경제적이고 핵융합 엔진이기 때문에 에너지 효율이 높습니다. 게다가 우주공간에 널린 게 수소니까 이론상 무한정 가속이 가능합니다. 이론적으로 광속의 30% 속도까지는 무리 없이 추진할 수 있다고 합니다. 더 놀라운 연구 결과가 있는데요? 1년 정도 지속해서 가속한다면 거의 빛의 속도에 가까운 아광속 비행이 가능할 수도 있다는 계산이 있습니다.

이러한 효율적인 연료공급방식 덕분에 버사드 램제트는 오리온 계획처럼 대규모로 기획됐습니다. 가격 효율 모든 면에서 뛰어난데 대규모 우주선을 만든다고 해봐야 무게는 1천 톤에 불과하기 때문이죠. 다이달로스가 기본 5만 톤급인데

성간 램제트의 무게가 1천 톤이면 엄청 효율적인 우주선이겠죠? 



그런데 버사드 램제트에도 한계점이 있습니다.

먼저 초반 가속이 어렵습니다. 버사드 램제트가 제 성능을 발휘하려면 광속의 1%까지는 가속해야 하는데 그러려면 먼저 광속의 1%까지 도달할 만한 핵융합 연료를 구비해놔야겠죠? 그러니까 엄밀히 따지자면 정말 무한동력은 아니라는 겁니다. 



두 번째 문제는 핵융합 우주선 다이달로스하고 비슷한데요? 아직 핵융합 기술이 완성되지 않았습니다.

아직까지 핵융합 기술을 완성하기까지는 20년 정도 더 걸릴 것으로 예상됩니다. 또 핵융합을 완성시킨다 해도 우주선 환경에 맞게 개량시켜야겠죠? 바로 우주 환경에서 망가지지 않게 소형화를 해야 합니다.



세 번째 문제로는 버사드 램제트의 핵심 설계하고 관련이 있습니다. 우주공간에서 수소 밀도는 굉장히 낮기 때문에 수소를 많이 포집하여 성간 물질 흡입장치의 크기가 커야만 됩니다. 흡입장치가 커야 당연히 많은 수소를 빨아들이기 때문이죠. 

최소 포집기의 크기가 96km에서 최대 5만 km까지 돼야 한다는 주장도 있습니다. 흡입장치가 커야 된다는 게 문제점이죠.

또 다른 문제점은 규모를 크게 만들수록 비용도 많이 들고 큰 규모에 따른 다른 문제점이 많이 있겠죠?



네 번째 문제는 우주선이 너무 빨라서 생기는 문제입니다. 우주선이 거의 빛의 속도에 가까워지면 우주선을 향해서 접근하는 수소 원자들의 속도 또한 상대적으로 빛의 속도에 가깝게 됩니다. 따라서 잘못하면 고속으로 가속돼서 날아 들어오는 우주선 입자 때문에 우주선 그리고 우주선 내부가 파괴될 수 있죠. 아마 보호장치가 없으면 우주선의 모든 부품은 파괴될 겁니다. 그래서 대안으로 나온 게 수소 채집기 대신 우주선 주위에 초전도 코일을 감싸서 비행 중에 대규모 전자장을 펼쳐서 우주선 주위 수소 원자들을 이온화시키는 엔진 흡입구로 들여보내는 방식입니다. 하지만 이 방식 역시도 상당한 크기의 흡입구를 요구한다는 점에서 현실적이지 못하는 평가가 있습니다.





그래서 지금 소개해 드린 램제트 엔진의 여러 가지 한계점 때문에 아무리 성능이 좋고 가볍다고 해도 지금으로서는 핵융합 우주선 다이달로스가 성간 우주여행에는 가장 적합하다고 합니다.