핵 광자 로켓

핵 광자 로켓은 상대론적 속도를 낼 수 있어서 항성 간 여행을 가능하게 해 주는 로켓 중 하나임.

그러나 요즘엔 유명하지 않고 잘 알려지지도 않았음. 유명하지 않은 데에는 다 이유가 있음.

항성 간 여행
항성 간 여행과 행성 간 여행은 완전히 다름. 거리도 수만 배 이상 떨어져 있기 때문에 필요한 속도가 훨씬 높아서 요구되는 추진 방식이 다름.

로봇 탐사선은 도달하는 데 걸리는 시간이 길어도 되지만, 인간은 여행이 짧을수록 좋아할 것임. 여행 시간이 길수록 기술적인 문제와 윤리적인 문제들이 많이 생김. 세대 우주선을 만들기 힘든 이유이기도 함.
가장 가까운 별까지 가는 데 20년이 걸리려면 대략 0.21C의 속력으로 이동해야 하고 감속까지 고려하면 0.42C만큼의 연료를 가져가야 함.

로켓은 우주를 여행하는 데 있어서 가장 익숙한 추진 방식 중 하나임. 로켓의 성능은 추력(가속력)과 비추력(효율)으로 나눠 볼 수 있는데 추력은 우주선의 가속이 얼마나 걸릴지 결정해줌. 예를 들어서 20만 톤짜리 세대 우주선에 1톤급 추력의 엔진을 달아놓는다면 연료가 충분해도 가속하는데 일생을 모두 써버릴 거임.
비추력은 로켓이 얼마나 가속할 수 있는지를 나타내 주는 수치임.
비추력 = 배기 속력 / 중력가속도이고
로켓의 최대 속력 = 배기 속력 * ln(질량비) 임
위 식에 따르면 최대 4.5km/s의 배기 속력을 가지는 수소-산소 화학 로켓은 다단식 로켓이어도 절대 알파 센타우리에 도달할 수 없음.

인간이 개발한 로켓 엔진 중 가장 효율이 높은 엔진인 이온 엔진은 최대 1000km/s의 배기 속력을 가지는데 이온 엔진도 자기 몸무게의 453배의 연료를 가지고 다녀야 알파 센타우리에 갈 수 있음.

연료 효율을 최대로 올리는 방법은 배출 속력이 가장 빠른 로켓인 광자 로켓을 쓰는 거임.

광자 추진

배출하는 게 빛이라면 상대론적 속도에 도달하는 것은 훨씬 쉬어짐.
광자 로켓은 표면을 가열해서 흑체 복사를 일으키기만 하면 됨. 더 강력한 열원으로 가열할수록 더 강한 추력을 얻음.

핵발전기의 열로 광자를 내뿜어서 충분한 추력을 얻는다는 발상은 50년 전에도 있었음. https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/264133.pdf 핵 광자 로켓은 강력한 에너지원으로 가장 빠른 입자를 배출한다는 점이 매력적임. 모든 연료가 출발할 때 채워지기 때문에 별도의 커다란 시설이 필요 없음.

그런데 광자 추진 우주선은 그렇게 유명한 편이 아니고 NASA의 NIAC프로그램에도 없으며 어느 누구도 광자 추진 우주선을 상상하지 않음.

핵분열 광자 로켓

가장 유명한 핵분열 광자 로켓부터 살펴보겠음.

1kg의 핵분열 연료는 80테라줄의 에너지를 생산함. 95%는 감마선과 핵분열 생성물의 형태임. 그것들은 두꺼운 차폐막으로 막을 수 있고 차폐막에서 열로 전환되어 추진력이 됨. 5%는 뉴트리노로 배출됨. 그러면 대략 76TJ/kg를 얻을 수 있음.

일반적인 원자로에서는 연료가 고체형태로 존재하기 때문에 76TJ/kg 중 일부만이 전환됨. 핵분열 부산물인 제논-135나 사마륨-149는 연료 사이에 갇힘. 이런 동위원소들은 높은 중성자 흡수율을 가져서 핵분열을 방해함. 원자력 과학자들은 이런 부산물을 독소라고 부름. 이런 독소들이 많으면 핵분열은 지속될 수 없음.

그래서 전체 연료의 1%~5% 정도만 핵분열함. 지구에서는 원자로를 끄고 연료봉을 재처리장에 보내서 핵분열 부산물들을 제거함.

우주선은 그에 비해 재처리하거나 잠시 가동 중지할 시간이 없음.

대신 높은 연소율과 재처리가 필요 없는 가스 코어 원자로를 쓸 거임. 높은 온도에서 핵분열 연료와 부산물은 모두 기체 상태임. 둘은 화학적 성질이 거의 다르기 때문에 여과할 수 있고 핵분열 연료를 거의 100%까지 태울 수 있음.(https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0149197005000557)
그렇다면 이제 76TJ/kg를 낼 수 있음.

질량-에너지 등가 원리 때문에 핵분열 연료 1kg에서 0.77g이 에너지로 전환되고 999.23g는 부산물로 남음. 우주선을 가볍게 하기 위해 이 부산물들을 버릴 거임.

그러면 이제 핵분열 광자 로켓의 성능을 계산해 보겠음.

광자 추력(N) = 출력(W) / 배출 속력(C)

76테라와트는 253.3kN의 추력을 낼 수 있고, 95% 효율이라면 대략 240.7kN의 추력을 가짐.

추력을 발생시킨 후 999.23g를 버리면

유효 배기 속력(m/s) = 추력(N) / 질량 흐름(kg/s)
을 고려하면 배기 속력은 240.8km/s임. 추력은 빛에서 나오지만 배출되는 모든 물체를 고려하여 계산을 하면 배기 속력이 훨씬 줄어듬.

240.8km/s로 0.42C의 델타V를 내려면 10^523의 질량비가 필요함. 질량비가 100이라고 가정해도(연료 100kg, 페이로드 1 kg) 1108km/s정도밖에 얻을 수 없음.

핵융합 광자 로켓

핵분열 대신 핵융합을 쓰면 어떨까?

핵융합은 핵분열보다 많은 에너지를 방출함. 중수소-헬륨 3 핵융합은 353TJ/kg를 낼 수 있음. 융합 후 질량의 0.39%가 사라짐.

1kg의 중수소-헬륨3 연료는 353TW를 방출함. 1117.8kN의 추력(95% 효율)을 가지고 996.1g가 남음. 유효 배기 속력은 1122.2km/s임.

분열 로켓보다 다섯 배나 효율적이지만 많이 부족함. 0.42C의 델타 V를 내려면 e^112의 질량비가 필요함.

질량비가 100쯤 된다고 하면 5167km/s를 얻을 수 있음. 이 정도면 300~400년 만에 알파 센타우리에 도착할 수 있음. 단 분리를 쓴다면 더 효율적임.

여기서 나오는 1122.2km/s의 유효 배기 속력은 핵융합에서 나오는 3.6 MeV 헬륨 원자핵과 14.7 MeV 양성자의 평균 속력(0.07C) 보다 훨씬 느림 핵융합 광자 로켓은 매우 비효율적임. 자기 노즐이 달린 직접 핵융합 방식이나 관성 가둠/충격 핵융합 방식이 훨씬 더 효율적임.

반물질 로켓

궁극의 추진 방식인 반물질 추진 방식임.

반물질의 종류는 많음. 양전자, 반양성자, 반중성자 등등이 있고 반원자도 있음. 양전자와 전자의 쌍소멸은 고에너지 감마선만 나오는 깨끗한 반응임. 그런데 저장하기 힘듦. 반면에 반양성자는 훨씬 저장이 쉬움 얼린 반수소 안에 저장하면 됨. 단점은 반응이 좀 지저분함. 부산물을 많이 배출함. 차단막을 잘 설치한다면 대부분은 열로 변할 거임. 효율은 대략 85% 정도라고 함.(https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a446638.pdf)

1kg + 1kg의 물질-반물질은 45000TJ의 에너지를 가짐. 85%만 변환 가능하므로 효율은 대략 38250TJ/kg임.

그러면 추력은 121125 kN정도가 되고 유효 배기 속도는 0.403C임

배기 속력이 높기 때문에 쉽게 상대론적 속도를 달성할 수 있고, 질량비 2.85만으로도 0.42C까지 가속할 수 있음.

문제는 제작이 힘들다는 거임. 현존하는 입자가속기가 반물질만 생산한다면 1kg 당 3.6제타줄의 전력이 필요함. 지구 전체 핵무기가 가진 에너지의 286배에 해당함.

좀 더 효율적인(https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a160734.pdf) 반물질 생산 설비를 만든다면 1kg의 반물질을 만드는 데 360000 TJ만 필요함.

https://ntrs.nasa.gov/citations/19910012868: 반물질 생산 시설(위 사진)

반물질 추진 방식은 카르다셰프 척도에 해당하는 문명들에게는 좋은 성능을 보여줄 것임.

결론

위에서는 순수한 효율성만을 반영했지만, 여러 가지 다른 복잡하고 거대한 원자로 같은 것들은 고려하지 않았음. 매초 1kg의 중수소-헬륨3이 융합한다면 방출되는 에너지는 엄청날 것이고 그 정도의 에너지를 다루기도 꽤나 힘들 것임.

광자 로켓은 최소한 반물질 추진 방식은 되어야 쓸만해짐. 에너지 밀도가 너무 낮아서 효율적이지 않음.

로켓으로 우주여행을 하는 것은 느리게 진행될 것임. 냉동 수면이나 디지털 형태로 존재하는 게 오랜 우주여행에 도움이 될 것임.

사진: 레이저 세일(Robert L. Forward https://pdfs.semanticscholar.org/25b2/b991317510116fca1e642b3f364338c7983a.pdf )
항성 간 여행을 빠르게 하고 싶다면 레이저 세일이나 핵융합 연료 고속도로 같은 비 로켓 추진 방식을 사용하는 게 좋을 것임. 내부에 있는 핵융합/분열 연료만으로는 절대
상대론적 속도에 도달할 수 없음. 대신 우주선 외부에 거대한 시설을 지어야 할 것임. 거대한 시설은 유연성이나 은밀성을 낮추겠지만, 유연성을 포기하는 대신 더 높은 속력을 얻을 수 있음.

출처
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Nuclear_photonic_rocket

Nuclear photonic rocket - Wikipedia

https://toughsf.blogspot.com/2020/11/nuclear-photon-rockets-flashlights-to.html

Nuclear Photon Rockets: Flashlights to the Stars