자가용 로켓을 꿈꾸며

우주여행만큼 이국적이고 모험적인 여행이 또 있을까? 지난 2001년 미국의 억만장자 데니스 티토가 소유스 우주선을 타고 ISS를 다녀오면서 시작된 민간인 우주여행은 여러 민간업체가 진출을 시도하고 있어 관련업계는 2020년이 되면 우주여행객이 연1만명 이상이 될 것으로 예상하고 있다.

남아프리카공화국의 마크 셔틀워스는 우주여행을 마치고 지구로 돌아오면서 "우주에서 본 지구처럼 아름다운 것을 나는 한번도 본 적이 없다. 그 아름다움을 넘어서는 것은 상상할 수도 없다"고 도착 소감을 말했었다. 이렇듯 일반인의 우주여행은 영화속 이야기만이 아니다. 우주 여행에 필요한 경비가 좀 더 내려갈 경우 머지않아 자가용 로켓을 타고 우주를 여행하는 시대가 찾아오지 않을까.

1996년 미국의 피터 다이어맨디스 박사가 만든 X-Prize라는 단체는 민간에 의한 우주개발을 목표로 총 1,000만 불(약 110억 원)의 상금을 제시하였다. 이에 8개국 27개 팀이 도전, 결국 2004년 10월 마이크로소프트 창업자인 폴 알렌과 회사 스케일드 컴포지츠의 버트 루탄이 만든 SpaceShipOne이 비행 시험에 성공하였다. 이것을 기점으로 본격적인 민간 우주시대를 맞이하게 되었다. 현재 미국에는 약 40여 개의 벤처기업이 우주비행체 개발 중이고, 약 5~7개의 업체가 재사용 가능한 로켓 엔진 연구 개발을 진행하고 있다. 1980년대 전후 불붙기 시작한 인터넷, IT, 컴퓨터 산업과 마찬가지로 21세기 초반부터 우주도 하나의 사업 영역으로 간주되기 시작한 것이다.

한편 여기에는 하나의 결정적인 문제점이 해결되지 않고 있다. 즉, 발사체, 비행체 개발은 이루어졌지만 추진시스템인 로켓 엔진은 기존의 일회성 로켓을 사용하는 데 그쳐 본격적인 재사용 로켓엔진을 확보하지 못한 것이다. 이는 바로 경제성의 문제로 이어진다.

예를 들어 간단한 계산을 해보면, 중소형 로켓 엔진의 시장 가격은 대략 100억 원 전후이다. 나 혼자 사용한다면 일회성이기에 로켓 가격 100억 원에 비행체 가격 50억 원을 합쳐 총 150억 원의 비용이 있어야 로켓을 운용할 수 있다. 반면 최대 50회 정도 재사용이 가능한 로켓과 비행체가 있다고 가정하면, 3억 원(150억 원/50회=3억 원)의 비용만 있으면 우주 비행체를 사용할 수 있다. 즉, 기존의 소모성, 일회성 우주비행체 비해 약 2%의 비용으로 저렴해짐을 의미한다.

로켓 엔진을 재사용하기 위해서는 연료의 완전연소 후 재충전이 가능해야 한다. 그러나 고체 연료를 사용하는 고체 로켓이나 하이브리드 로켓은 완전연소 후 재충전이 불가능하므로 재사용할 수 없다. 이 때문에 현재까지 재사용이 가능한 로켓 엔진은 액체 연료를 사용하는 액체 로켓 엔진이 유일하다. 자동차 엔진, 항공기 엔진이 모두 액체 연료를 사용하는 것과 같은 맥락이다.

로켓은 공기가 없는 우주공간을 운행하기에 연료뿐만 아니라 산화제도 같이 저장되어야 한다. 따라서 사용하는 추진제 종류에 따라 다양한 산화제와 연료의 조합이 가능하다. 그러나 산화제로는 현재 거의 액체산소(Lox)를 사용하기에, 연료 종류에 따라 로켓엔진의 이름을 붙이는 것이 일반적이다. 연료로는 액체수소(LH2), 케로신, 액체메탄 등이 주로 사용된다.

액체수소 엔진은 고성능화가 가능하기에 우주왕복선에 주로 사용되고 있으나, 그 물성 때문에 엄청난 크기의 저장탱크가 필요하다. 한편 케로신 엔진은 연소 때 생기는 검댕으로 인해 내부 관 유로의 막힘 현상 등이 생겨 재사용하기에 상당히 곤란하다. 트럭 등 화물 자동차에 사용되는 디젤 엔진의 특성과 비슷하다. 이러한 관점에서 미국 등 선진국에서는 액체메탄을 미래의 로켓용 추진제로 판단하여 많은 연구를 시작하였다.

메탄 로켓엔진의 가장 큰 장점은 액체산소와 액체메탄의 특징에 기인한다. 즉, 산소와 메탄이 만나 연소하면 이산화탄소와 물이 생성된다. 기존의 로켓엔진이 매연을 발생시킨 것에 비해 소량의 이산화탄소와 물을 발생시키기 때문에 친환경적이라고 할 수 있고, 매연이 발생되지 않아 로켓엔진의 내부가 깨끗하므로 재사용에 따른 문제가 없다. 액체수소 엔진의 경우 산소와 수소 물성의 차이가 커서 크기가 큰 저장탱크가 필요했으나 액체메탄 엔진의 경우 산소와 메탄 물성이 유사하여 저장탱크를 소형화할 수 있다. 또한 메탄 연료는 현재 많이 사용되고 있는 케로신이나 액체수소보다 가격이 훨씬 저렴해 기존 엔진 비용의 10% 정도로 운용이 가능하다.

기존 로켓엔진과 달리 재사용이 가능하고 비용도 저렴한 최첨단의 메탄 로켓엔진이 국내 연구진에 의해 2006년 초도품 형태의 개발 성공에 이어, 2008년 2월 비행용 형태로 개발 시험에 성공하였다. 로켓 엔진의 이름은 체이스-10(CHASE-10)으로, 엔진 자체의 무게는 성인 2명 정도인 164kg, 추력이 10톤급인 소형 로켓 엔진이다. 기술적으로 본다면 총무게 8톤 정도의 우주비행체에 500kg 정도의 중소형 위성을 싣고, 지상 300km 상공까지 올라갈 수 있는 능력을 가지고 있다.

로켓 엔진 체이스-10(CHASE-10)

한반도에서 이루어진 액체메탄 로켓엔진 CHASE-10의 개발로 한국은 이 분야에서 로켓 강국인 미국보다 3~5년 정도 앞선 기술력을 확보할 수 있게 되었다. 메탄 로켓엔진은 앞으로 달, 화성 탐사에 활용될 예정이다. 기존 로켓엔진은 달이나 화성에서 지구로 귀환할 때 연료를 보충할 수 없었으나 메탄 로켓엔진은 달과 화성에 매장돼 있는 메탄을 추출해 귀환 연료를 만들 수 있기 때문이다. 미국의 NASA, 일본의 JAXA, 유럽의 ESA 등이 이러한 장점을 가진 메탄 로켓엔진 개발에 노력을 기울이고 있다.

우리나라도 이번 메탄 로켓엔진의 개발 성과를 바탕으로 꾸준한 연구를 통해 우주기술 강국으로 발돋움하기를 바란다. 우리가 로켓 개발을 위한 노력으로 소중한 성과를 하나씩 하나씩 이룰 때마다 우리 후손들은 더욱 편리하고 선진화된 로켓 기술을 이어받게 될 것이다.