https://grahamtg.artstation.com/projects/Pm6aey
VASIMR 엔진은 추진체를 플라즈마로 가열해서 사용하는 열 전기 로켓 엔진임.
VASIMR은 헬리컬 안테나로 전자레인지처럼 추진체를 저온의 플라즈마로 가열하고 ICRH(Ion Cyclotron Resonance Heating)로 추진체를 다시 고온(1백만 도)으로 가열해서 자기 노즐을 통해 배출함. 이 과정은 토카막에서 플라즈마를 가열하는 것과 유사함.
저 엔진에서 ICRH을 제거하고 사용하면 Helicon Plasma Thruster가 됨.
헬리컬 안테나로 가열된 저온 플라즈마는 전자석으로 생긴 자기장 안에 갇혀서 나갈 수 없음. 하전 입자는 자기장 안에서 사이클로트론 운동을 하며 자기장 안에 갇힘. 위 그림에서 보이듯이 플라즈마가 된 추진체가 자기력선 주변을 회전하면서 이동함.
사이클로트론 운동은 하전 입자가 자기장 안에 있을 때 자기력선을 따라 회전하는 운동임. 로렌츠 힘 생각해보면 됨.
플라즈마가 자기장 안에 있을 때도 사이클로트론 운동을 하므로 당연히 고유 진동수가 있는데 이걸 이용해서 플라즈마를 가열하는 게 ICRH임. 이것도 전자레인지와 비슷하게 공명을 이용하지만, ICRH는 전자레인지가 분자의 진동을 늘리는 것에서 그치는 것에 비해 플라즈마가 전파를 흡수해서 플라즈마의 운동 에너지(속도)가 올라감.
ITER에 들어가는 ICRH는 이렇게 생겼음. 10MW, 45톤짜리 2개가 들어가고, 작동 주파수는 40~55MHz 정도임.
핵융합로에는 전자를 가열하는 장치인 ECRH도 들어가는데 전자는 질량이 양성자보다 더 가벼운데도 전하량은 같으므로 사이클로트론 반지름이 더 작고 진동수가 훨씬 더 크므로($\omega = \frac{qB}{m}$) 높은 진동수를 낼 수 있는 진공관이 필요함. 헬리컬 안테나나 ICRH는 MHz 단위의 주파수 정도만 있으면 되지만, ECRH는 더 높은 170GHz 정도의 주파수가 필요함.
https://www.unoosa.org/documents/pdf/psa/hsti/CostaRica2016/2-4.pdf
VASIMR에는 반도체 기반의 고주파 발생기가 들어갔음.
ITER에는 진공관의 일종인 자이로트론이 들어감 반도체 기반의 고주파 발생기는 주파수가 올라갈수록 효율이 낮아짐. 비슷한 진공관으로는 마그네트론이나 클라이스트론이 있음.
토카막에서 옆에 빛나는 부분이 ECRH로 가열된 플라즈마가 있는 부분임.
핵융합로에서는 또 다른 가열 방식을 사용하는데 중성 중수소 원자를 1MeV 정도로 가속해서 플라즈마에 부딫히게 하면 플라즈마를 가열할 수 있음. 중성 원자는 가속할 수 없으므로 중성 원자를 이온으로 바꾸고 난 뒤에 다시 중성화하는 방법을 사용함.
전제적으로 봤을 때 VASIMR 엔진은 핵융합만 안하는 자기경 방식 핵융합 로켓과 구조가 비슷함.
자기 노즐은 화학 로켓 엔진의 노즐처럼 추진체를 좀 더 집중해서 내보내려고 있는 것임. 화학 로켓의 드 라발 노즐은 연소실에서 아음속이었던 추진체가 노즐에서 확장하면서 초음속으로 배출되는것처럼 자기 노즐의 추진체인 플라즈마도 자기 노즐에서 확장되면서 초음속으로 배출됨.
따라서 드 라발 노즐과 자기 노즐은 원리가 유사함. 추진체를 가둬놓는 수단이 다를 뿐임.
자기 노즐은 플라즈마를 이루는 전자들과 이온들을 사이클로트론 운동을 이용해서 자기력선을 따라 이동하게 만들어서 플라즈마를 원하는 방향으로 집중시킴.
https://alfven.princeton.edu/research/past/magneticnozzle/
플라즈마에 있는 이온들은 무거워서 비교적 잘 직진하지만, 전자들은 가벼워서 자기력선을 타고 다시 우주선으로 돌아올 수도 있음. 자기 노즐을 통해 확장된 전자는 이온보다 빠르게 초음속으로 배출되고 확장하면서 식음. 자기 노즐의 자기장은 이 전자들이 지나치게 확장해서 다시 우주선으로 돌아오는 것을 막아줌.
자기장 속에서 전자와 이온이 회전하면서 자기장이 만들어지는데 이렇게 만들어진 자기장과 자기 노즐의 자기장의 방향이 반대라서 플라즈마와 자기 노즐은 서로 밀어냄. 나중에 전자와 이온은 서로 끌어당겨서 둘의 온도는 비슷해지고 우주선 밖으로 나가는 전하는 0이 됨.
자기 노즐은 미래에 핵융합 엔진이나 가스 코어 핵분열 엔진, 핵 부산물 추진 엔진 등등 고온의 추진체를 배출하는 로켓에 사용할 수 있음. 이런 엔진들은 출력이 수 기가와트~테라와트 급으로 강해서 자기 노즐에도 대책이 필요함.
미래 우주선 연구 중에 HOPE(Human Outer Planet Exploratio)라는 연구에서 Z-Pinch 핵융합 엔진이 나오는데 엔진 출력이 3.6GW정도 됨.
이 우주선은 자기 노즐의 코일을 보호하려고 위 사진처럼 FLiBe(중성자 흡수를 잘하는 원자로, 핵융합로 냉각재) 냉각재로 초전도 코일을 중성자로부터 보호함.
수백 기가와트 출력의 엔진으로부터 보호하려면 냉각재만이 아니라 두꺼운 텅스텐이나 실리콘 카바이드를 칼날처럼 만들어서 코일을 보호할 수 있는 방패를 만들어야 할 것임.
마지막으로 VASIMR얘기를 계속 해 보자면, VASIMR은 어느 정도 과대평가된 엔진임.
VASIMR은 홀 효과 추진기나 Gridded Ion Thruster보다는 약간 좋은 성능(비추력이 좋다거나 Isp와 추력을 조절 가능하다던가) 등이 있지만, VASIMR나 다른 이온 엔진이나 추력이 너무 부족함. 추력이 부족하니 엔진을 더 크게 만들자 라고 생각할 수도 있지만, 이온 엔진은 출력 대비 자체 무게가 아무리 가벼워도 이온 엔진을 작동시킬 원자로+라디에이터나 태양 전지의 무게가 훨씬 더 많이 나가기 때문에 추력 대 중량 비는 약간 높아지는 수준밖에 안됨.
추력이 부족해도 엔진을 계속 연소하면 되지 않냐고 할 수도 있음. 하지만 그런 경우 중력 우물이 깊은 지구 저궤도같은 곳에서는 지구 고궤도로 올라가는 데에만 몇 개월이 걸릴 거임. 이온 엔진의 높은 비추력이라는 장점이 원자로나 태양 전지판의 무게 때문에 화학 로켓과 우주선 크기나 무게가 같아도 화학 로켓과 페이로드 자체는 비슷할 수도 있음.
비추력이 아무리 좋아도 추력이 충분히 크지 않은 엔진은 목적지에 도착할 때까지 가속해도 충분한 속도를 얻지 못함.
VASIMR보다 전력을 적게 소모하면서 더 강한 추력을 내는 이온 엔진은 이미 있음.
아무튼 이런 단점이 있다고 해도 게이트웨이 정거장처럼 지속적인 궤도 수정이 필요하거나 지구-달 L1에서 태양-화성 L1처럼 중력 우물이 깊지 않은 곳에서 VASIMR같은 엔진은 화학 로켓보다 훨씬 효율이 좋을것임.
https://www.youtube.com/watch?v=myYs4DCCZts#t=870s
대충 Robert Zubrin이 VASIMR 까는 내용, 2
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