우주로켓 연료(엔진) 사용의 변천사 / 케로신에서 메탄에 이르기까지

누리호 3차 발사 성공

 

얼마전 우리나라에 역사에 기록될만한 기쁜 소식이 있었지요. 👏👏👏

바로 우리나라가 자체개발한 우주 로켓인 누리호의 3차 발사 성공과 역시 우리나라가 자체개발한 위성 도요새가 우주에 계획대로 안착한 이벤트입니다. 물론 4개의 도요새 위성 중 아쉽게도 1개의 위성은 발사체에서 제대로 방출되지 못한 것 같지만요. 그럼에도 불구하고 우리나라가 자체 기술력으로 위성을 우주에 보낼 수 있다는 기술력을 세계로부터 인정받은 것입니다. 

 

 

지난 5.25. 누리호의 3차 발사가 성공했습니다.

 

 

이렇게 대기권을 뚫고 우주로 가기 위해서는 비행기와는 또 다른 시스템인 로켓이 필요합니다. 로켓의 시초로는 과거에 인류를 달에 보내는 데 성공한 아폴로프로젝트에 사용된 NASA의 <새턴/Saturn> 로켓을 들 수 있습니다. 새턴Ⅴ는 지름 10m, 높이는 111m에 달하며, 새턴Ⅴ에 실을 수 있는 중량은 140t이나 됩니다. 대형 위성의 무게가 약 1ton이라고 하니 대략 140개의 위성을 우주로 보낼 수 있는 능력입니다. 그런데 이 기술을 미국은 1960년대에 이미 완성했어요.

 

 

인류가 만든 최강의 우주 로켓 새턴V

 

 

오늘은 이러한 로켓 발사체에 사용되는 연료의 변천사를 한번 알아볼까 합니다.

이제는 인류의 발걸음이 우주를 향하는 시대가 된 것 같습니다. 그동안 정부 주도로 추진되었던 우주 로켓 사업에 스페이스X로 대표되는 민간기업들의 참여가 활발해지고 있습니다. 그래서 로켓 발사에서 중요한 경제성과 발사체 재사용에 중요한 변수인 로켓의 연료에 대해서 한번 알아봅니다.

 

 

 

1. 로켓 발사 초기부터 사용되어온 연료 케로신

 

앞서 언급했던 새턴Ⅴ는 3단으로 구성되어 있습니다. 1단 로켓은 <케로신>이라는 연료를 사용합니다. 로켓의 1단은 대기권을 통과하는데 가장 중요한 역할을 하는데, 케로신은 원유에서 정제한 <등유>를 말합니다.

 

 

예전에 자주 사용했던 난로에 들어가는 기름이 바로 등유~ 케로신입니다.

등유는 상온에서 액체로 존재해 관리가 쉽고 가격도 저렴합니다. 따라서 과거 로켓 연료는 대부분 케로신을 사용했습니다. 그러니까 케로신을 사용하는 <엔진>을 개발한거죠. 지금까지 인류가 만든 로켓 중 가장 안전하다고 평가받는(성공률 98%) 러시아의 소유즈 로켓 역시 케로신 기반의 엔진을 사용합니다.

 

 

발사체 재사용이 가능한 스페이스X의 팰컨9 로켓

 

 

현재 가장 뜨거운 관심을 받고 있는 일론 머스크의 스페이스X도 케로신을 선택했습니다.

스페이스X의 재사용 로켓 ‘팰컨9’은 1~2단 엔진 모두 케로신을 연료로 사용합니다. 기술도 많이 축적돼 있고, 경제적이며 안전하기 때문입니다.

 

 

하지만 케로신은 단점도 있습니다. 바로 한번 연소하고 나면 엔진 곳곳에 검게 탄 <탄소찌꺼기>가 생깁니다. 한 번 쏘고 버리는 로켓이라면 상관이 없는데, 스페이스X나 블루오리진처럼 재사용 로켓을 개발하고 있는 기업에게 탄소찌꺼기는 골칫거리입니다. 탄소찌꺼기가 엔진에 쌓이면 성능이 저하돼 결국에는 재사용이 어려워지기 때문입니다.

 

 

알려진바로는 케로신 기반의 로켓은 10~15회 사용하면 재사용이 어렵다고 합니다. 그럼에도 불구하고 스페이스X는 케로신을 선택했습니다. 이유는 10~15번 쓰고 버린다고 해도 충분히 경제성이 있다는 판단을 했기 때문입니다.

 

 

 

2. 액체수소 선택한 블루오리진

 

스페이스X의 경쟁사 <블루오리진>도 처음에는 스페이스X와 비슷한 방법을 선택했습니다. 블루오리진의 시험용 엔진 ‘BE-2’는 케로신을 연료로 사용합니다.

 

 

그런데 <뉴셰퍼드> 로켓에 탑재한 ‘BE-3’는 액체수소를 연료로 쓰는 엔진이었습니다.

수소는 케로신과 비교했을 때 적은 양으로 큰 힘을 낼 수 있습니다. 이는 로켓의 무게를 줄여 더 많은 위성을, 더 높은 궤도에 내려놓을 수 있다는 장점이 있습니다. 연소 이후에도 엔진에 찌꺼기가 많이 남지 않아 잘하면 100번이고 200번이고 재사용이 가능합니다.

 

 

블루오리진이 만든 우주 로켓 <뉴셰퍼드>

 

 

하지만 역시 수소연료도 단점이 있습니다. 바로 수소를 많이 실으려면 수소를 액체로 만들어야 하는데, 수소의 끓는점은 자그마치 영하 253도입니다. 즉 발사 내내 액체수소가 담긴 로켓의 연료통이 영하 253도를 유지해야 합니다. 소재부터 단열까지 모든 기술의 난이도가 상당히 높아집니다. 연료 가격도 케로신과 비교해 약 30배 정도 비쌉니다. 그럼에도 불구하고 블루오리진은 액체 수소 기반의 로켓을 만들어 준궤도(고도 50~100km) 비행과 재사용에 성공합니다.

 

 

 

3. 게임체인저, 메탄의 등장

 

이렇게 스페이스X와 블루오리진 등의 민간기업들이 우주 로켓 발사체 시장에 뛰어들면서 로켓 발사에 들어가는 비용을 획기적으로 줄이고 발사체를 재사용할 수 있게 되면서 우주 산업은 꿈이 아닌 현실로, 시장성이 점차 커지고 있습니다.

 

 

 

이러면서 재사용 로켓을 개발하려는 국가나 기업들은 스페이스X와 블루오리진의 경쟁을 눈여겨봤습니다. 앞서있는 두 기업 중 어떤 로켓이 더 경제적이고 안정적인지 확인한 뒤 그대로 따라가면 시행착오에 따른 비용을 줄일 수 있습니다.

 

 

2010년 유로컨설턴트, 미국우주재단 등은 스페이스X의 출현으로 향후 위성 시장이 빠르게 성장할 것이라는 전망을 쏟아냅니다. 이때부터 민간기업들이 우주개발에 참여하고 사업영역을 확장하기 시작했습니다. 우주가 돈이 되는 시대, <뉴스페이스> 시대가 도래합니다. 바로 정부 주도에서 민간 주도로 무게의 중심이 옮겨온 것입니다.

 

 

이러자 스페이스X와 블루 오리진은 자신들이 사용해오던 로켓 연료에 대한 생각을 바꾸게 됩니다. 스페이스X의 케로신은 가격이 저렴하고 안전한 대신 재사용 횟수가 너무 적고, 블루오리진의 수소 연료는 재사용 횟수는 마음에 들지만 비용이 문제입니다.

 

 

이러한 문제를 해결하려고 알아보던 중 메탄에 주목하게 됩니다.

메탄은 이미 1990년대부터 미국, 러시아 등 우주강국들로부터 관심을 받았던 연료입니다. 가정은 물론 공장에서 사용하는 LNG가 바로 메탄입니다. 메탄은 케로신 보다 저렴하고 산소와 잘 조합시켜주면 찌꺼기가 남지 않고 연소가 잘 됩니다.

 

 

무엇보다 메탄은 만들기가 쉽습니다. 만약 인류가 달이나 화성에 우주정거장을 짓고 그곳에서 로켓을 발사한다면 현지에서 만든 연료를 넣어줘야 할꺼에요. 메탄은 탄소와 수소만 있으면 쉽게 만들 수 있어 외계행성에서 쓸 수 있는 로켓의 연료로 적합하다고 합니다. 스페이스X와 블루오리진은 2010년 들어서면서 차세대 재사용 로켓의 연료로 메탄을 채택하고 연구개발을 하기 시작합니다.

 

 

스페이스X와 블루오리진의 메탄 엔진은 2020년대 들어서면서 시험 발사에 성공합니다. 케로신보다 저렴한데 수백번 재사용이 가능하고 액체수소보다 다루기 쉽고 경제성도 좋은 최적의 연료를 찾아낸 것입니다. 바로 메탄, LNG입니다.

 

 

이밖에도 러시아는 2020년 10월, 소유즈를 대체하는 재사용 로켓 <아무르(Amur)>를 2026년까지 개발하겠다고 선언하는데, 아무르 역시 재사용 로켓이며 연료는 메탄입니다. 유럽도 ESA가 만든 우주발사 로켓인 <아리안> 시리즈의 후속인 <아리안 NEXT>를 개발중인데, 역시 메탄 연료를 사용합니다. 중국도 2033년 첫 발사를 목표로 재사용 로켓 ‘창정9’를 개발하고 있으며 1단 엔진은 메탄을 사용합니다. 인도 역시 메탄 연료 기반의 로켓 엔진 개발을 시작했으며 역시 메탄을 사용합니다. 우리나라도 차세대 우주 로켓은 당연히 메탄 엔진으로 가야할테지요. 🙂🚀

 

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