화성에 진심인 미국이 꺼내 든 냉전 유산[테크토크]

원자력으로 작동하는 우주 로켓
일반 액체연료 로켓의 2배 추력
냉전 시대 유산…반세기 만에 빛

소련과 미국의 군비 경쟁이 치열했던 냉전 시절, 미 항공우주국(NASA)은 당시로선 획기적이었던 원자력 기반 우주 발사체 개발을 시도했습니다. '네르바(NERVA)'라는 코드네임을 달고 1960년대까지 연구됐지만, 결국 하늘을 날아보지 못한 채 폐기됐습니다. 그 뒤로 원자력 로켓은 다른 냉전의 유산들과 함께 역사 속으로 사라지는 줄 알았지만, 최근 NASA가 다시 프로젝트에 시동을 걸기 시작했습니다. 달보다 훨씬 먼 화성으로 가려면 지금보다 훨씬 강력한 로켓이 필요하고, 원자력 로켓은 해결책이 될 가능성이 있다고 판단했기 때문입니다.

40일 안에 화성 갈 수 있는 신개념 로켓 엔진

2027년 모습을 드러낼 것으로 예상되는 미 항공우주국(NASA)의 원자력 추진 로켓 상상도. NASA 홈페이지

NASA와 미 국방고등연구계획국(DARPA)은 2027년까지 화성에 도달할 프로토타입 로켓을 제조한다는 목표로 개발을 진행 중입니다. 지난달 10일(현지시간) NASA는 원자력 로켓의 핵심 부품인 모듈형 방열판 개발에 성공했다고 밝혔습니다.

현재 우주 발사체는 고체 연료, 혹은 액체 연료를 분사하는 로켓입니다. 고체 연료는 구조가 간단해 비용이 효율적이지만 다소 추력이 약하고, 액체 연료는 구조가 좀 더 복잡하지만, 추력이 훨씬 강력해 상업용 우주 발사체로 제격입니다.

현 시점 가장 발달한 액체 연료 로켓으로도 화성까지 오가는 데는 상당한 시간이 소요됩니다. 2012년 공개된 NASA의 프레젠테이션을 보면, 액체 연료 로켓으로 지구에서 화성까지 도달하는 데 걸리는 시간은 약 120일로 계산됐습니다. 훗날 화성에 인류를 정착시키려면 수많은 인력과 물자를 날라야 할 텐데 너무 긴 시간이지요.

NASA가 화성에 도달할 발사체 후보로 꼽은 원자력 로켓 엔진 CAD 이미지. 원자로에서 열을 발산하면 수소 산화물 연료가 팽창해 분사하며 엔진의 터보 머신을 구동하는 방식이다. NASA 글렌 리서치 센터

하지만 원자력 로켓은 이 문제를 해결할 수 있습니다. 수소 산화물을 분사하는 원자력 로켓의 속도로는 단 40~45일이면 화성에 도착할 것으로 추측되며, 무엇보다도 로켓에 탑재된 원자로를 그대로 화성 지표면에 착륙시켜 20년간 전기를 공급할 발전원으로 재활용할 수도 있습니다.

상업용 로켓 추력의 최소 2배

원자력 로켓의 메커니즘은 지상의 원자력 발전소와 유사합니다. 핵분열 반응을 일으키는 원자로가 뜨거운 고열을 내뿜으면, 열 반응으로 인해 수소 연료가 팽창, 추진 노즐 바깥으로 분출되면서 추력이 발생합니다. 이런 방식으로 얻는 비추력(specific impulse·연료 1㎏이 1초간 연소할 때 발생하는 추력. 높을수록 엔진 효율성이 높다는 뜻)은 이론상 900~1000초로, 액체연료 로켓(450초)의 2배 이상입니다.

연료 효율성이 높다는 건 적은 연료로 더 먼 거리를 날아갈 수 있다는 뜻입니다. 그만큼 비추력이 높은 로켓은 더 가벼우면서도 더 많은 페이로드(화물)를 실을 수 있습니다. 항공역학에서 중량은 곧 플랫폼의 성능은 물론 물류 효율성 자체의 공식을 결정하는 핵심 요소입니다. 원자력 로켓이 심우주 탐사를 실현할 게임 체인저로 주목받는 이유입니다.

스페이스X의 팰컨 헤비 로켓. 액체 연료를 사용하는 현대 상용 로켓의 비추력은 화성까지 도달하기엔 실질적인 한계가 있다. 스페이스X

또 한 가지 장점은 원자로는 발전기로 재조립 가능하다는 겁니다. 외우주 기지가 작동하려면 오랜 시간 연료를 따로 공급하지 않아도 24시간 내내 작동하는 발전기가 필수적이며, 원자로가 이런 역할로 제격입니다. 일반 로켓을 썼다면 무거운 발전기를 화물칸에 따로 실어 가야 할 테니 화성 탐사 임무 부담이 가중되겠지만, 원자력 로켓은 이동 수단이 곧 발전 수단인 셈이므로 훨씬 유연한 대응이 가능합니다.

냉전 시대 유산…'화성 개발' 미션 앞두고 반세기 만에 빛

원자력 로켓이라는 아이디어가 처음 제안된 건 제2차 세계대전 직후인 1946년이었습니다. 영국의 로켓 과학자 발 클리버가 원자력 에너지를 이용한 로켓 추진체에 대해 탐구했지요. 이후 이 아이디어는 1960년대 말 NASA, 미 에너지부 등이 합작한 '네르바 로켓'으로 현실화하지만, 지상 테스트만 끝낸 채 프로그램은 폐기됐습니다.

1962년 원자력 추진 로켓 엔진 네르바(NERVA)를 조립하는 연구자들. NASA 글렌 리서치 센터

당시 미 연방 정부는 세계 최초의 달 착륙 프로그램인 '아폴로 계획'에 집중하느라, 심우주 발사체에 적합한 네르바에 거액의 예산을 할당할 여유가 없었습니다. 또 아폴로 계획이 끝난 뒤엔 베트남 전쟁을 수행하느라 국방부를 제외한 다른 부처들은 사실상 긴축 재정에 돌입해야 했지요. 이 때문에 NASA는 화성 탐사와 관련된 대부분의 프로젝트를 폐기했는데, 대형 로켓인 '새턴 V'와 네르바도 여기에 포함됐습니다.

결국 네르바의 유산이 다시 빛을 보기까지는 거의 반세기가 걸린 셈입니다. 앞서 도널드 트럼프 미국 대통령은 지난달 20일 취임식 연설에서 "화성에 성조기를 꽂을 것"이라고 언급한 만큼, 앞으로 원자력 로켓 개발 프로그램에 탄력이 붙을 가능성도 있습니다.

로켓 엔진을 그대로 원자력 발전기로 사용 가능하다는 점에서 원자력 추진 로켓은 미국 외 선진국에서도 연구 중이다. 사진은 롤스로이스의 초소형 우주 원자로 목업(mock-up). 롤스로이스 홈페이지

현재 원자력 로켓 기술은 미국 외 다른 나라에서도 우주 개발의 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 세계 2위 항공기 엔진 제조업체이자 군용 원자로 개발 기업인 영국 롤스로이스도 영국 항공우주국(UKSA)과 협력해 '초소형 우주 원자로'를 개발 중입니다. 이 원자로는 로켓에 탑재돼 동력을 공급하거나, 혹은 달이나 화성 표면에 착륙한 뒤엔 곧바로 발전원으로 재조립될 수도 있습니다.

임주형 기자 skepped@asiae.co.kr