NASA SR-1 Freedom: 최초 핵우주선 구축

우주에서 물체를 움직이는 것은 매우 많은 에너지를 소모합니다, 심지어 우주선이 행성의 중력 우물을 벗어난 후에도 말이죠. 이는 천체 사이의 거리가 너무나도 광대하기 때문입니다.

예를 들어, 달과 지구 사이의 거리가 단 0.25미터라면, 화성과 지구 사이의 거리는 500미터, 해왕성까지는 30,000미터가 됩니다.

따라서 우주선이 무거울수록 그 질량을 충분히 빠른 속도로 이동시키기 위해 더 많은 에너지가 필요합니다. 그리고 그 에너지는 감속할 때도 다시 필요합니다.

심우주 탐사와 행성간 비행의 또 다른 제한은 추진력을 만들기 위해 어느 정도 질량을 배출해야 한다는 점입니다. 하지만 연료가 많을수록 죽은 무게가 늘어나며, 이는 추진을 위해 추가 에너지를 요구합니다. 따라서 강한 가속을 위해서는 배출되는 연료를 매우 높은 속도로 밀어내어 더 큰 운동량을 만들고, 에너지원은 가능한 한 고밀도여야 합니다.

이 모든 이유로, 우주 여행에 핵 에너지를 사용하는 아이디어는 핵 발전이 시작된 이래로 오래된 생각입니다. 우라늄은 상상할 수 있는 가장 밀도가 높은 “연료” 중 하나이며, 1킬로그램의 우라늄은 잠재적으로 2,300만 kWh를 생산할 수 있습니다. 이는 1kg의 석유가 13kWh, 석탄이 7kWh를 생산하는 것과 비교됩니다.

출처: Visual Capitalist

하지만 지금까지 우주 여행 추진을 위해 고안된 설계들은 전혀 사용된 적이 없습니다. 핵 에너지가 비교적 일반적으로 사용되는 경우는 방사성 열전기 발전기(RTG)이며, 이는 방사성 원소의 수동 붕괴와 비교적 짧은 반감기를 이용해 심우주 탐사 로버와 탐사선에 수년 혹은 수십 년 동안 전력을 공급합니다.

이는 곧 변할 수 있습니다. “SR-1 Freedom”이라는 우주 원자로가 등장했으며, SR은 “Space Reactor”의 약자입니다.

이 핵전기 추진 시스템은 2028년까지 배치될 수 있습니다. 이는 화성에 세 대의 Ingenuity급 헬리콥터를 포함한 Skyfall 탑재체를 전달하는 데 사용될 예정이며, 주로 기술 시연을 위해 활용됩니다. 그러나 계획된 규모에서는 일반 탐사선보다 크게 빠르지는 않을 것입니다.

“Skyfall 헬리콥터는 카메라와 지표면 관통 레이더를 탑재해 미래 착륙지를 탐색하고 인간 규모 착륙선이 직면할 경사와 위험을 이해할 것입니다. 또한 지하의 물 얼음을 지도화하고 특성화하여 물 얼음 매장량이 어디에 있는지, 그 크기와 깊이 및 기타 중요한 특성을 파악할 것입니다.”
Steve Sinacore, NASA 핵분열 표면 전력 프로그램 담당 임원

이는 NASA 프로그램 전반의 대대적인 재조정의 일환이며, 여기에는 달 게이트웨이 우주 정거장의 전면 취소, 아르테미스 임무의 재구성, 그리고 미래 달 기지를 위한 보다 야심찬 구축이 포함됩니다. 이는 성공적인 아르테미스 II 발사 직후에 이루어지는 것으로, 50년 이상 만에 처음으로 우주비행사를 달 궤도로 보내게 됩니다.

핵우주 추진의 다양한 유형

핵전기 추진

SR-1 Freedom의 핵 추진 시스템은 핵전기식으로, 먼저 핵반응로를 이용해 전기를 생산하고, 이 전력을 우주선 엔진의 추력 생성에 사용합니다.

전기를 추력으로 변환하고 따라서 유용한 움직임을 만들기 위해 가장 일반적으로 사용되는 방법은 이온 추진기이며, SR-1 Freedom이 사용하는 방식은 홀 효과 이온 추진기입니다.

이 추진기들은 전기를 이용해 가스를 이온화하여, 일반적으로 제논이나 크립톤을 연료로 사용합니다. 이 반응기는 45-60%의 매우 높은 효율과 높은 비추력을 가지고 있어, 동일한 추진 효과를 위해 필요한 연료 질량이 적습니다.

하지만 이온 추진기는 개별적으로는 비교적 약하기 때문에, 느리고 지속적인 가속이 장시간에 걸쳐 고속으로 누적될 수 있는 장거리 여행에 가장 적합합니다.

지금까지 이온 추진기는 사용되어 왔지만, 탐사선의 태양광 패널이 제공하는 에너지에 제한을 받았습니다. 핵 전원원을 사용하면 훨씬 더 많은 추력과 가속을 생성할 수 있습니다.

이것이 가장 성숙한 형태의 핵 추진이며, 핵 전력 생산과 이온 추진 기술 모두가 잘 정립된 기술이므로, 설계와 엔지니어링만으로 두 기술을 결합하면 되며, 따라서 SR-1 배치 일정이 짧은 이유가 됩니다.

핵열 추진

핵반응로는 방사성을 열로 전환하고, 그 열을 전기로 변환하여 전력을 생산합니다.

따라서 이 추진 방식은 중간 단계를 생략하고 직접 열 자체를 이용합니다. 핵 에너지를 사용해 연료, 보통 액체 수소를 초고온으로 가열하고, 그 뜨거운 가스를 추진하여 움직임을 생성하는 것이 아이디어입니다.

이 이론상으로는 막대한 추진력을 생성할 수 있지만, 실제로는 한 번에 많은 핵 에너지와 많은 연료가 필요하므로, 주로 대형 우주선, 일반적인 행성간 탐사선이나 초중량 로켓인 스타십보다 훨씬 큰 규모에 적용됩니다.

기타 핵 추진 시스템

핵 에너지의 높은 에너지 밀도는 더욱 대담한 잠재 개념들을 낳았습니다.

예를 들어, 1950년대와 1960년대에 진지하게 논의된 Project Orion은 냉전의 핵심이었습니다. 이는 핵 폭발을 주요 추진 수단으로 상정했으며, 우주선은 거대한 방패로 방사선과 손상을 차단하는 개념, 즉 핵 펄스 추진으로 알려져 있습니다.

다른 아이디어로는 핵분열 파편 로켓이나 가스 코어 반응로 로켓이 있으며, 핵연료 자체를 추진제 물질로 배출하는 방식을 고려합니다.

하지만 이러한 아이디어는 대부분 이론적이며, 실제 적용 가능성은 제한적입니다. 주된 이유는 요구되는 우주선 규모가 당분간 실현 가능 범위를 넘어섰기 때문입니다.

핵 추진이 아직 실현되지 않은 이유는 무엇인가?

지정학

일부 이유는 핵 추진이 단순히 필요하지 않았기 때문입니다. 달에 여러 차례 착륙한 후, 소련과 미국 사이의 우주 경쟁은 식었습니다.

소련이 붕괴되면서, 더 큰 우주선이나 미래의 외계 기지를 향한 야망은 수십 년 동안 사그라들었습니다.

태양으로부터 멀리 떨어진 탐사에서는 방사성 열전기 발전기만으로 충분했습니다. 따라서 핵 추진은 ISS 수준을 넘어선 유인 비행이나 화성 및 그 너머의 소형 탐사선에 필수적이지 않았습니다.

하지만 중국이 매우 강력한 우주 강국으로 부상하면서 새로운 달 및 화성 우주 경쟁이 촉발되었습니다. 이는 미국의 핵 추진 프로젝트가 부활하는 배경이 될 수 있으며, 핵 추진은 화성이나 그 너머로의 진정한 유인 비행에 필요할 가능성이 높습니다.

정치와 핵 이미지

체르노빌과 후쿠시마와 같은 사고로 핵 에너지 이미지가 손상되어, 어떤 규모의 핵 반응로를 우주에 보내는 아이디어가 인기가 없었습니다. 강력한 정치적 지원이 없으면, 이러한 프로그램은 프로토타입과 시험 단계에서 실제 우주선으로 전환되지 못했습니다.

게다가 1967년 외우주 조약과 1963년 부분 핵실험 금지 조약이 Project Orion과 같은 핵 추진 개념을 억제했습니다.

마지막으로, 우주로 물질을 발사하는 것은 항상 위험한 프로젝트이며, 로켓이 궤도에 도달하기 전 폭발할 위험이 있습니다.

이 경우 방사성 물질이 넓은 지역에 퍼질 수 있으며, 실제 양이 적더라도 관련된 재난 위험 때문에 NASA는 미국 정치 지도부의 강력한 추진 없이는 위험을 감수하기를 꺼려왔습니다.

기술적 문제

핵반응로는 특히 1950~1990년대에 거대한 장비였으며, 이러한 종류의 반응로는 우주에서 사용하기 어렵거나 불가능에 가깝습니다. 모든 그램의 질량이 중요한 우주에서는 반응로 방사선을 차폐하기 위한 추가 무게가 또다시 질량을 늘립니다.

SMR(소형 모듈형 반응로)와 마이크로반응로 시대에는 상황이 다소 개선되었지만, 이러한 기술은 비교적 새로운 개발 단계에 있습니다.

중성자가 주변 재료에 충돌해 발생하는 취성 현상은 항공우주 재료에 균열이나 손상을 일으킬 수 있습니다. 따라서 이를 더 잘 이해하고 완화하는 것이 필요합니다.

핵열 로켓은 수소 부식에도 취약합니다. 수소는 매우 공격적으로 작용해 2,200°C(4,000°F) 정도의 고온에서 반응기와 추진 부품을 부식시킵니다.

SR-1 Freedom 설계

전력 반응로와 다수의 최초 사례

SR-1 Freedom은 20~40 kWe 규모의 폐쇄 Brayton 사이클 핵분열 반응로를 기반으로 하며, 이는 핵열원을 가스 터빈 전력 변환 시스템과 밀폐 루프에서 결합한 설계입니다. 폐열은 티타늄으로 만든 대형 라디에이터를 통해 우주로 방출됩니다.

출처: CNET

반응로는 고함량 저농축 우라늄(HALEU)으로 연료를 공급받으며, 우라늄 디옥사이드 연료를 사용합니다. 이는 무기 등급 연료보다 취급이 안전합니다.

전자 장비(및 미래 우주비행사)를 반응기의 방사선으로부터 보호하기 위해, 반응기는 붕소 카바이드 방사선 차폐재로 둘러싸여 있어 방사선을 우주선 외부로 유도합니다.

SR-1은 최초의 핵 추진 프로토타입이나 개념이 아니지만, 실험실을 떠나 실제 우주에 도달하는 첫 번째가 될 것이며, 수십 년에 걸친 경험과 투자를 바탕으로 구축되었습니다.

“6십 년 동안 미국은 수십 개의 우주 핵 프로그램에 200억 달러 이상을 투자했으며, 1965년에 SNAP-10A라는 단 하나의 반응기를 발사했습니다. 이 반응기는 궤도를 떠난 적이 없습니다. 수십억 달러가 소모되고 수십 년이 낭비되었습니다. SR-1은 그 패턴을 끝냅니다. 2028년 12월의 화성 발사 윈도우는 수십 년 연구가 결코 내리지 못한 결정을 강요합니다.”
Jared Isaacman – NASA 관리자

달 게이트웨이 모듈 재사용

SR-1의 초고속 배치를 가능하게 하는 또 다른 요소는 이온 추진기 부품이 이미 준비되어 있다는 점입니다.

사용될 추진 시스템은 거의 완성된 NASA 개발 우주선 버스인 Power and Propulsion Element(PPE)이며, 원래 달 게이트웨이를 위해 개발되었습니다.

달 우주 정거장이 폐기되는 것으로 보이면서, 유럽, 일본, 한국, 캐나다 등 NASA 파트너가 주로 제작한 그 구성 요소들은 SR-1과 같은 프로젝트에 재활용될 것이며, 이는 NASA와 미국의 새로운 우주 야망에 더 잘 부합합니다.

“우리가 보유한 모든 자산, 모든 킬로그램, 모든 달 탐사 자원은 하나의 목표에 집중될 것입니다. 바로 달 기지를 건설하는 것이죠,”
Carlos Garcia-Galan - 게이트웨이 프로그램 부관리자

PPE는 Busek이 제작한 6kW 홀 효과 추진기 4개와 NASA와 Aerojet Rocketdyne ( L3Harris의 자회사)에서 개발한 12kW 고급 전기 추진 시스템 홀 효과 추진기 3개를 장착하고 있습니다. (LHX )

PPE의 고성능 태양전지판도 유지될 것이며, 실험용 핵 반응기에 유지보수나 문제가 발생할 경우를 대비합니다.

SR-1 이후

우주에서 더 많은 핵 에너지 활용을 향해

SR-1의 목표는 핵 반응기 설계의 실제 시험을 제공하는 것으로, 추진뿐 아니라 다른 용도에도 적용됩니다.

따라서 이는 언젠가 화성 유인 비행에 사용될 가능성이 높으며, 보다 즉각적인 응용 분야도 가질 것입니다.

예를 들어, SR-1 Freedom의 화성 비행에서 수집된 데이터는 Lunar Reactor-1 (LR-1) 개발에 중요한 역할을 할 것입니다.

“2030년대에 우리는 추가 반응기의 규모를 확대하고 양산 단계로 옮길 것입니다. 수백 킬로와트에서 메가와트 급 반응기로 확대하여 모든 핵 응용 분야에 활용할 예정입니다. 달에 대한 고출력 임무, 인간의 화성 탐사, 상업적 참여와 반복 가능한 생산을 포함합니다.”
Steve Sinacore, NASA 핵분열 표면 전력 프로그램 담당 임원

이 핵분열 반응기는 햇빛이 없는 기간에도 달 기지에 지속적인 에너지를 공급하도록 설계될 것이며, 폐쇄 Brayton 사이클 전력 변환 장치를 사용할 것입니다.

“핵분열 표면 전력 프로그램은 3단계에서 더 큰 용량을 제공하도록 예정되어 있으며, 달 기지에 필요한 용량을 충족하기 위해 하나 이상의 시스템을 제공할 수도 있습니다. 반드시 태양광에만 의존하지 않고 자산에 난방 및 일부 전력을 공급할 수 있다면 이는 우리의 향후 진행에 큰 도움이 될 것입니다.”
Carlos Garcia-Galan - 게이트웨이 프로그램 부관리자

하지만 장기적으로 볼 때, SR-1의 가장 중요한 유산은 화성으로의 유인 핵 비행 가능성일 것이며, 이는 화학 로켓으로 9개월 이상 걸리는 것에 비해 4개월 혹은 그 이하로 단축될 수 있습니다.

미래 핵 추진 시스템

원래 2027년을 목표로 했던 열 로켓 엔진 DRACO(민첩한 근월운용 시연 로켓)는 2025년에 취소되었습니다. 이는 SpaceX의 스타십과 같은 로켓이 궤도 및 근월 여행에 충분히 적합하다고 판단했기 때문입니다.

그럼에도 불구하고 이 기술은 화성까지의 여행 시간을 절반으로 단축시킬 가능성이 있으며, 이는 SR-1의 잠재적 유산과 유사합니다.

장기적으로 전기 핵 추진이 표준화된다면, 다른 형태의 핵 추진도 실현 가능해질 수 있습니다.

또 다른 가능성은 SR-1 유형의 추진 시스템을 화물선에 장착하여 달이나 화성 사이를 왕복하며 다른 우주선을 가속시키는 것입니다. 이 경우 가스 추진제나 방사성 연료를 가끔 보충하면 되므로, 동일한 시스템으로 수십 개의 심우주 임무에 추진력을 제공할 수 있습니다.

그 개념에서 전기 또는 열 핵 추진은 SpaceX가 궤도 발사에서 달성한 것과 유사하게 심우주 탐사에 재사용 가능하고 장기간 운용 가능한 선박을 제공하여 비용을 절감하고 우주 여행을 훨씬 효율적으로 만들며, 훨씬 더 큰 페이로드 질량을 이동시킬 수 있게 합니다.

SR-12 Freedom 투자

L3Harris

L3Harris는 주요 항공우주 공급업체이자 방위 기업으로, 2019년 L3 Technologies와 Harris Corporation의 합병 결과입니다.

이 회사는 SR-1에 홀 효과 추진기를 제공할 뿐만 아니라, 미래 미국 달 기지에 핵 에너지를 공급할 핵분열 표면 전력 프로그램 개발에도 직접 참여하고 있습니다.

“핵 추진은 태양계 최외곽 및 그 너머까지 탐사를 가능하게 하고, 국가 안보를 강화하며, 획기적인 발견을 가능하게 합니다. 우주 내 기동성은 가장 야심찬 로봇 탐사와 기타 독특한 정부 응용 분야에서 오랫동안 제한 요인이었으며, L3Harris는 이를 제거하기 위해 전념하고 있습니다.”
Kristin Houston, L3Harris 소속 Aerojet Rocketdyne 우주 추진 및 전력 시스템 부문 사장

그들의 전기 추진 시스템은 NASA의 Dawn 미션에서 주소행성대 소행성인 세레스와 베스타에 사용되었습니다.

이 회사는 전기 핵 추진에 대한 새로운 경험과 방사성 동위 원소 열전기 발전기에 대한 보다 확립된 경험을 바탕으로 핵열 추진(NTP)도 탐색하고 있습니다. 이는 화성 탐사 로버인 Curiosity와 Perseverance에 전력원을 제공한 바 있습니다.

하지만 우주는 이 회사 활동의 한 부분에 불과합니다.

핵심 사업은 미국 군대와 동맹국에 안전한 통신(전술 라디오 시장의 절반), 지휘 센터, 레이더 및 통신 시스템, 전자전, 미사일 발사 탐지를 위한 위성 등을 제공하는 것입니다.

SR-1에 추진 시스템을 제공하는 Aerodyne은 또한 미사일, 특히 미사일 방어 시스템용 탄약을 대량 생산하는 주요 제조업체이며, 우크라이나와 이란 전쟁으로 재고가 크게 소진되었습니다.

일반적으로 미국 군사 예산이 1조 달러에서 1.5조 달러로 증가할 계획은 방위 부문 투자자들에게 전반적인 호재가 될 것이며, 특히 우크라이나 전쟁이 재고를 고갈시키고 이란 전쟁이 미사일 방어와 탄약 필요성을 드러냈기 때문입니다.

이러한 군사 전략의 진화가 L3Harris에 가장 큰 이익을 줄 수 있습니다. 우크라이나는 드론과 전자전의 중요성을, 이란은 미사일 방어의 중요성을 강조했으며, 무엇보다도 각 미사일을 격추하기 위해 2~3개의 요격 미사일이 필요하다는 점이 중요합니다.

또한 NASA의 새로운 야망은 이온 추진기와 우주 핵 전력의 주요 공급업체인 L3Harris에게도 혜택을 줄 것입니다.

(L3Harris의 항공우주 및 방위 활동에 대해 더 자세히 읽고 싶다면, 해당 회사를 전담한 투자 보고서를 참고하십시오.)

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