인공위성의 추진기 '홀추진기(Hall Thruster)'의 원리는 모두 잘 모른다

냉전기의 우주개발 경쟁 이후 인공위성이나 우주셔틀 등 인류는 다수의 물체를 우주공간으로 보내고 있습니다. 이러한 물체를 보내는 로켓에 이용되는 홀추진기의 원리는 실은 잘 모르고 있다는 점에 대해서 독일에서 플라즈마 엔진에 대해 연구하는 Lou 씨가 설명했습니다.

So did you know that no-one really knows why the most used spacecraft propulsion system today actually works?
https://twitter.com/lougrims/status/1516013489722216450?ref_src=twsrc%5Etfw%7Ctwcamp%5Etweetembed%7Ctwterm%5E1516013489722216450%7Ctwgr%5E%7Ctwcon%5Es1_c10&ref_url=https%3A%2F%2Fgigazine.net%2Fnews%2F20220420-how-hall-thruster-physics-works%2F

Lou on Twitter

홀추진기는 크세논이나 크립톤 등의 추진제를 전리해 생성된 이온을 자기장으로 배출함으로써 추력을 얻는 전기추진기의 일종입니다. 발명된 시기는 1970년으로 우주개발에 있어서 최신 기술이라고는 할 수 없지만 Starlink 등이 아직도 계속 사용하고 있는 수명이 긴 기술입니다.

전기추진기에서 분사속도와 추력은 전력에 비례하지만 대부분의 전기추진기는 전력에 한계가 있다는 문제가 있습니다. 그러나 홀추진기는 전력당 분사속도와 전력이 실용적인 범위이기 때문에 아직도 계속 사용되고 있다는 것.

by Charly W. Karl https://www.flickr.com/photos/cwkarl/

홀추진기가 작동하는 메커니즘을 자세히 살펴보면 먼저 내부의 음극에서 전자를 방출하여 가속채널이라고 불리는 환형 부분에 돌입하면 자기장에 의해 가속채널 내에서 전자가 중심축의 주위를 회전하기 시작합니다. 그리고 회전하고 있는 전자와 자기장이 만들어내는 홀효과로 인해 로렌츠력이 생겨 전자가 가속하고 이것에 크세논 등의 분자를 보내어 충돌시켜 전자를 튀는 충돌전리를 일으켜 부차적으로 생성되는 양이온을 배출하고 가속하는 흐름입니다.

Lou 씨에 따르면 홀추진기는 계산으로 원리를 해석할 수 없다는 점. 전자온도나 전리확률 등에 어떤 타당한 값을 대입해 계산을 해도 산출된 '자기장을 통과하는 전자의 수'는 현실의 10분의 1이라는 것.

최근에는 이런 류의 해석에는 컴퓨터 시뮬레이션이 이용되는데 Lou씨에 의하면 시뮬레이션을 사용하는 것도 곤란하다고 합니다. 홀추진기 내의 기체밀도는 매우 낮기 때문에 기체분자를 총체적으로 분석할 수 있는 맥스웰 분포에 적용해 생각하는 것은 불가능하다는 것. 따라서 홀추진기의 해석에는 '각 이온이 별개의 입자로서 행동한다'는 전제로 시뮬레이션을 실시할 필요가 있습니다.

같은 원리로 전자도 별개의 입자로서 행동한다고 생각해야 하지만 전자는 이온보다 훨씬 작고 고속으로 움직이기 때문에 일반적인 연구자가 시뮬레이션을 실시하기에는 시간이 부족하다는 것. 그 때문에 이온은 입자, 전자는 유체라는 전제로 타협한다고 합니다.

그러나 이러한 전제로 시뮬레이션을 실행해 홀추진기 내의 전자의 속도를 산출해도 나오는 결과는 현실보다 훨씬 느리다는 것. 이 계산과 현실의 어긋남을 설명하는 학설은 1980년경에 주창되고 있는 가속채널의 벽면에 사용되고 있는 세라믹에 전자가 충돌하면 2차적으로 전자가 발생한다는 가설과 추진기 내부에서 플라즈마 불안정성이 발생한다는 것입니다. 두 가설 모두 단독으로는 만족스러운 설명이 되지 않기 때문에 이 두 가설이 동시에 발생하고 있다는 가설이 검토되고 있습니다.

현행의 홀추진기는 원리를 이해한 후에 설계가 이루어지고 있는 것이 아니라 실험을 여러 번 반복해서 잘 작동하는 것을 사용하는 스타일로 제조가 이루어지고 있다고 합니다.