액체 레늄 태양열 로켓

햇빛을 한 곳에 집중하면 5800K까지 온도를 올릴 수 있다. 이 점을 잘 이용하면 높은 성능의 태양열 로켓을 설계할 수 있다.

태양열 로켓의 원리는 간단하다. 태양열을 모아서 추진체를 가열하면 된다.

 

로켓 엔진의 성능은 추력, 배출속력, 효율성에 의해 결정되는데 태양열 로켓은 더 많은 추진체를 엔진으로 보내서 추력을 향상시킬 수 있고, 배출속력은 추진체의 온도를 높임으로서 높일 수 있다. 둘 다 더 많은 에너지를 필요로 하는데 더 많은 태양빛을 집중시키면 된다. 효율성은 엔진의 형상에 따라 달라지므로 이번 주제와는 별 상관이 없으므로 넘어가겠다. 태양열 로켓은 높은 에너지 밀도와 높은 배기 속도, 높은 효율성을 가진다는 장점이 있다.

 

태양열 집열 및 가열에 대단한 장비가 사용되지는 않는다. 태양전지와는 다르게 아주 가볍고 반사가 잘되는 금속 필름을 사용하면 된다. 태양열 로켓의 열교환기는 이온 엔진에 사용되는 전자기, 정전 가속기들보다 훨씬 더 적은 무게를 차지한다. 종합하면 태양전지 로켓(이온추진)의 에너지 밀도가 1kW/kg를 간신히 넘을 때 태양열 로켓은 1MW/kg정도의 에너지 밀도까지 도달할 수 있다.

태양열이 추진체에 흡수되고 노즐로 분사되면 빛에서 열로, 열에서 운동 에너지로 두 번의 에너지 변환이 일어난다. 첫 번째 변환 과정은 99%정도의 변환 효율을 낼 수 있고 두 번째 과정은 노즐 모양에 따라 다르겠지만 일반적으로 80% 이상이다..

 

기체의 배출 속도는 추진체를 구성하는 입자들의 움직임에 따라 결정된다.

(배출 속도 = (3 * 기체 상수(8.3144598m^2*kg/s^2*K*mol) * 온도(K) *1000 / 몰 질량) ^ 0.5

 

아주 뜨거운 가스는 분자가 해리되기도 한다. 수소(2g/mol)는 수소 원자(1g/mol)이 되고 물(18g/mol)은 수소-산소 기체(6g/mol)이 된다. 몰 질량이 낮을수록 좋기 때문에 다른 요소들을 고려하지 않는다면 추진체로는 단일원자 수소가 가장 좋을 것이다. 그러나 이것은 로켓 엔진 설계에 따라 다르므로 일단 넘어가기로 하자.

 

열 교환기와 배기 속도

태양열 로켓의 성능은 얼마나 추진체를 가열할 수 있는가와 관련있다.

 

추진체를 가열하는 것은 어렵다. 수소는 투명하고 열을 잘 흡수하지 않는다. 수소를 간접적으로 가열하기 위해 먼지 입자들을 사용할 수도 있지만 이 먼지 입자들은 배출가스의 평균 몰 질량을 증가시킨다.

 

따라서 열교환기를 사용하여 추진체를 간접적으로 가열해야 한다.

 

지금까지 열 교환기는 고체 덩어리로 된 금속을 사용해야 했다. 열에 대한 저항성이 높고 녹는점 근처에서도 단단하며 열전도율이 좋은 텅스텐이 주로 사용되었다.

더 발전된 설계에서는 4000K까지 버틸 수 있는 탄소나 탄탈륨-하프늄 카바이드, 하프늄-질소-탄소 화합물을 사용한다. 그러나 이마저도 텅스텐보다 크게 증가한 것은 아니다. 이런 이유로 배기 가스의 속력은 최대 10.5km/s 정도로 제한된다.

 

로켓 방정식에 의해 우주선의 deltaV는 다음과 같다

DeltaV = ln(연료 + 우주선 자체질량 / 우주선 자체질량) * 배기속도

 

질량비를 늘릴 수 없다면 배기속도를 늘려야 deltaV를 늘릴 수 있다.

질량비를 더 높이려면 고체 열교환기로는 부족하다. 액체 열교환기가 필요하다.

 

액체 레늄

태양열 로켓의 효율성을 높이기 위해서는 추진체를 최대한 가열하면 된다. 최대한 가열한다면 태양 표면 온도까지 가열할 수 있다(5800K). 이 온도에서 수소의 배출 속력은 12km/s 이다.

레늄은 아주 높은 끓는점을 지닌 금속이다. 3459K에서 녹지만 5903K까지 끓지 않는다. 레늄은 아주 안정적이고 탄소 기반 물질들과는 다르게 수소와 반응하지 않기 때문에 오래전부터 열교환기로 사용이 고려되었다.

 

액체 레늄 열교환기

대략 원리: 레늄으로 된 회전 원통을 태양빛으로 가열하고 원통 측면에서 수소를 흘려주면 수소에 의해 원통의 벽면은 냉각되고 밀도가 더 낮은 수소가 레늄 위(원통 안쪽)로 떠오름(원통이 회전하면서 인공 중력이 발생함) 가열된 수소가 밖으로 배출됨

 

벽면의 온도는 4000K 정도로 냉각되고 내부는 5800K까지 가열된다. 더 많은 양의 액체수소를 투입한다면 내부 온도를 더 낮출 수 있다.

페블베드 원자로와 태양열 로켓은 핵물질을 제외한 많은 부분이 유사하다.

 

액체수소 냉각이 충분하지 않다면 라디에이터로 벽면을 녹는점 이하로 낮추어주면 된다. 라디에이터로 들어가는 온도가 높기 때문에 라디에이터 면적이 좁아도 많은 열을 방출할 수 있고(흑체복사), 열전기 발전기를 사용하면 방출되는 열로 전기를 만들수도 있다.

 

액체 레늄의 증기압은 5800K에서 0.87atm으로 열교환기로 사용하기 충분하다. 레늄이 진공에 노출되면 762g/m^2/s의 속도로 증발한다. 로켓 연소실은 수 기압 이상의 압력으로 작동할 것이므로 끓는점을 더 높이고 증발률도 더 작아질 것이다.

핵 전구 로켓과 같은 방법은 레늄의 손실을 줄여줄 수 있다.

최악의 경우 레늄 열교환기는 1제곱미터당 0.76kg의 레늄을 1초마다 잃을 수 있다. 레늄은 아주 비싼 물질이므로 비슷한 성격의 합금인 텅스텐-레늄 합금을 쓰면 가격을 많이 줄일 수 있다.

알루미늄의 반사율을 대략 95%이상이므로 지구 근처에서 제곱미터당 1298W의 에너지를 모을 수 있다. 5 마이크로미터 두께의 마일러 필름은 7g/m^2 정도고 그래핀 위에 놓인 알루미늄 필름같은 미래 기술을 사용하면 0.1g/m^2까지 무게를 줄일 수 있다.

대략 계산해보면 1MW/kg정도의 에너지 밀도를 얻을 수 있다.(지지 구조물 등을 포함한다면 제곱미터당 1.29그램 증가)

 

성능

 

두 가지 버전의 태양열 로켓을 비교해보겠다. 첫 번째 버전은 현대 기술로 가능한 것들(7g/m^2 마일러 시트, 167kW/kg의 에너지 밀도)이고 두 번째 버전은 발전된 기술을 사용한다.(0.1g/m^2 거울, 1MW/kg 에너지밀도)

 

현재 기술로 가능한 태양열 로켓

5톤 거울: 714285m^2, 태양열 927MW

추진기관 5.56톤

배기속력 12km/s

추력: 123.4kN(80%효율성)

추중비 1.19

에너지 밀도: 87kW/kg

 

발전된 기술로 가능한 태양열 로켓

5톤 거울: 50000000m^2, 태양열 64.9GW

추진기관 64.9톤

배기속력 12km/s

추력: 10.8MN(80%효율성)

추중비 15.75

에너지 밀도: 928kW/kg

 

기존 태양열 로켓의 단점인 낮은 추중비는 매우 높은 온도와 매우 낮은 밀도의 거울을 사용함으로서 해결할 수 있다.

 

예를들어 50톤의 태양열 로켓은 100톤의 물체를 97톤의 연료만 소모해서 화성까지 보낼 수 있다(6km/s deltaV) 이 우주선은 지구 주위를 평균 0.32g의 가속도로 이동할 것이고 20분이면 화성 천이 궤도를 형성할 수 있다. 발전된 기술을 사용한다면 3.1g의 가속도도 가능하다.

 

12km/s의 배기속력은 화학 로켓의 한계를 넘을 수 있다. 예시로 스페이스 X의 스타쉽은 메테인 엔진을 사용하는데 화성까지 가려면 대략 5.13의 질량비가 필요하다.

태양열 로켓이 비슷한 질량비를 가진다면 19.6km/s의 deltaV를 가진다. 2달만에 화성을 갈 수 있을 정도(출발 10km/s, 도착 9km/s)이고 목성탐사도 가능하다.

 

대안

수소를 옆에서 분사하는 대신 위에서 분사해도 된다. 장점은 벽면에 미세한 구멍을 낼 필요가 없어서 더 빠르게 회전시킬 수 있고 레늄 소모량도 줄어든다. 액체수소를 뿜을 수 있는 관의 수도 더 늘어난다. 수소거품 2개가 겹쳐서 표면에서 폭발이 일어나 레늄이 손실되는 것을 줄여줄 수 있다. 그러나 레늄과 수소가 직접 닿지 않기 때문에 가열 시간이 길어져야 되서 더 길고 얇은 연소실이 필요하므로 무게가 늘어나고 태양빛으로 레늄을 가열할 때 연소실 안을 비춰야 하는데 연소관이 길어지므로 거울이 매우 정확한 각도로 설치되어야 한다.

 

번역출처: https://toughsf.blogspot.com/2017/10/liquid-rhenium-solar-thermal-rocket.html

 

참고:

https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_sail#Materials

https://ultramet.com/propulsion-system-components/advanced-propulsion-concepts/

http://www.projectrho.com/public_html/rocket/mining.php#rap

http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist.php#solarmoth

https://beyondnerva.com/2020/04/25/pebblebed-ntrs-solid-fuel-but-different/