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[우주] 새로운 플라즈마 추진기 개념은 우주 임무를 10배 더 빠르게 할 수 있다. 우주 여행은 미국 에너지부에서 개발한 새로운 플라즈마 추진기 설계로 빠르고 효율적인 우주 여행은 인류를 더 나은 미래로 이끌 잠재력이 있다.

https://interestingengineering.com/physicist-designed-a-plasma-thruster-that-could-make-space-travel-10-times-faster

JM Kim | 기사입력 2021/07/12 [00:00]

[우주] 새로운 플라즈마 추진기 개념은 우주 임무를 10배 더 빠르게 할 수 있다. 우주 여행은 미국 에너지부에서 개발한 새로운 플라즈마 추진기 설계로 빠르고 효율적인 우주 여행은 인류를 더 나은 미래로 이끌 잠재력이 있다.

https://interestingengineering.com/physicist-designed-a-plasma-thruster-that-could-make-space-travel-10-times-faster

JM Kim | 입력 : 2021/07/12 [00:00]

미국 에너지부(DOE)의 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)의 물리학자인 파티마 에브라히미(Fatima Ebrahimi)는 기존의 다른 어떤 기술보다 우주 여행을 훨씬 빠르게 할 수 있는 플라즈마 추진기를 설계했다.
빠르고 효율적인 우주 여행은 인류를 더 나은 미래로 이끌 잠재력이 있다. 우리의 지식, 이해 및 생활 방식에 급격한 변화를 가져올 수 있는 행성, 자원, 심지어 생명체가 멀리 떨어져 있을 수도 있다. 성공할 경우 Ebrahimi의 새로운 플라즈마 추진기 설계가 우주 여행의 역학을 바꿀 수 있는 가능성이 높다.

 

Ebrahimi의 플라즈마 추진기 설계의 원리
Ebrahimi의 플라즈마 추진기 개념의 기원은 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소의 연구원들이 수행한 토카막으로 알려진 도넛 모양의 핵융합 장치와 관련된 일부 이전 실험에서 시작되었다.
1999년 PPPL은 Columbia 대학, Oak Ridge 국립 연구소 및 워싱턴 대학과 협력하여 토카막 개념에 기반한 자기융합 장치인 NSTX(National Spherical Torus Experiment)를 만들었다. 이후 장치가 업그레이드되어 NSTX-U(업그레이드) 프로젝트가 되었다.


NSTX의 목적은 융합 에너지를 풍부하고 안전하며 저렴하고 환경적으로 건전한 발전 수단으로 사용하는 경로를 개발하는 것이다. NSTX 장치는 핵융합 반응을 일으키는 데 필요한 플라즈마라고 하는 뜨거운 이온화된 가스를 포함하는 데 사용되는 자기장을 생성하기 위해 새로운 구형 토러스 모양 구조를 사용한다.
미래의 핵융합 발전소는 중수소와 삼중수소의 혼합물로 구성된 플라즈마를 사용할 것이며, 이 플라즈마는 대량의 에너지 방출과 함께 헬륨을 생성하기 위해 핵융합 반응을 겪을 것이다. 이를 달성하기 위해서는 형상화된 자기장이 절연을 제공하면서 플라즈마에서 충분한 온도와 압력을 유지하는 것이 필요하다.
이론적으로 구형 토러스 모양은 자체 유지 핵융합을 생성하는 데 필요한 플라즈마 압력이 더 낮은 자기장 강도로 유지되도록 한다. 핵융합 발전소의 비용은 자기장의 세기에 따라 증가하기 때문에 플라즈마 가둠을 위한 자기장 세기가 낮으면 경제적인 핵융합 발전소로 이어질 수 있다.
 
인터뷰에서 Ebrahimi는 자동차 배기가스와 PPPL의 National Spherical Torus Experiment에 의해 생성된 고속 배기 입자 사이의 유사성을 관찰했다고 밝혔다. 그리고 토카막 장치가 작동할 때 시속 약 44730마일(초당 20km)의 놀라운 속도로 이동하는 플라스마 거품(플라즈모이드)을 만들 수 있다는 것을 깨달았다.
이 발견으로 Ebrahimi는 자기장 에너지를 사용하여 높은 추력을 생성하는 새로운 플라즈마 추진기 설계를 고안했다. 그녀는 나중에 이 개념을 Journal of Plasma Physics에 자세히 발표했다.

 

기존 우주여행 기술과 Ebrahimi의 디자인의 차이점
Ebrahimi의 개념과 다른 제안 사이에는 몇 가지 차이점이 있다. 첫 번째는 설계에서 자기장의 강도를 변경하여 속도를 높이거나 낮출 수 있다는 것이다. 전기장을 사용하는 현재의 플라즈마 추진기는 낮은 특정 임펄스 또는 속도만 생성할 수 있다.
새로운 추진기는 플라스마 입자와 플라스모이드의 방출을 사용하여 움직임을 생성한다. Ebrahimi의 개념은 플라스모이드를 통합하여 추진력에 힘을 더한다는 점에서 독특하다.
또한, 현재 추진기 개념은 전기장과 크세논과 같은 원자로 구성된 무거운 가스에 의존하지만 Ebrahimi 개념의 자기장은 추진기 내부의 플라즈마가 거의 모든 유형의 가스로 구성되도록 허용한다. 이것은 더 많은 유연성을 생성하고 추력의 양에 더 많은 변화를 허용한다.
현재 가장 가까운 행성인 화성까지 우주여행을 가려면 약 7개월이 걸린다. 현재의 로켓 엔진은 낮은 비임펄스를 생성하므로 배기 속도가 낮아지므로 현대 우주선은 속도를 높이는 데 시간이 걸린다.


Ebrahimi의 플라스모이드 추진기는 부분적으로 추진력을 조정하기 위해 전자석을 사용하기 때문에 현재의 개념보다 더 효율적이다. 이 설계는 우주비행사들이 필요에 따라 로켓의 속도를 높이거나 낮출 수 있도록 한다.
Ebrahimi의 플라즈마 추진기 설계에 대한 컴퓨터 시뮬레이션은 현재 사용되는 추진기보다 10배 더 높은 배기 속도를 전달할 수 있음을 보여주었다. 같은 이유로 이 자기 플라스마 추진기는 이제 인간을 화성으로 보내는 효율적인 수단으로도 간주되고 있다.

 

더 빠른 우주 여행 기술의 예상되는 영향
더 빠른 우주 여행은 우리가 더 먼 별과 은하를 방문할 수 있게 해줄 뿐만 아니라 더 많은 과학적 지식, 자원 및 아마도 경제 발전을 제공하게 된다. 그것이 인류에게 영향을 미칠 수 있는 많은 방법이 있다:
DOE 물리학자가 제안한 것과 같은 효율적인 플라즈마 추진기 기술은 더 빠른 로켓 엔진을 사용하면 우주 임무가 더 짧아지기 때문에 우주 임무 비용을 크게 줄일 수 있다. 연료, 물류 등의 비용은 이동 시간이 단축됨에 따라 크게 감소한다. 따라서 우주 및 행성 간 운송이 그 어느 때보다 실현 가능해질 수 있다.
이동 시간의 감소는 우주비행사들이 우주선을 관통하는 위험한 우주 방사선에 노출되는 시간을 줄인다. 따라서 빠른 속도를 제공하는 플라즈마 추진기는 인간의 우주 비행 프로그램과 관련된 다양한 건강 위험을 줄일 수 있으며 궁극적으로 우주 기관이 탑승한 인간 승객과 함께 더 많은 우주 임무를 수행하도록 장려하게 된다.
 
더 빠른 우주 탐사는 외계 생명체에 대한 인류의 탐색에 박차를 가할 수 있고, 더 많은 우주 프로그램이 짧은 시간 안에 시작되어 우리 은하 안팎의 행성을 탐사할 수 있다.
더 빠른 우주 여행 기술의 도래로 자원에 대한 지구에 대한 유일한 의존은 끝이 날 수 있다. 실현 가능하고 빠른 행성 간 여행으로 인해 과학자들은 우주의 다른 부분에서 사용할 수 있는 모든 종류의 물질을 연구하고 실험할 수 있다.
우주 여행은 또한 기술과 연구의 발전을 가져올 수 있다. 더 빠르고 실현 가능한 우주 여행 기술은 새로운 분야를 일으키고 우주 채굴과 같은 가상의 개념을 곧 현실로 만들 수 있다.



우주 여행 기술에서 많은 새로운 개발이 아직 일어나지 않았지만 Ebrahimi 박사는 그녀의 재연결 플라스모이드 추진기 설계에 대해 낙관적이며 첫 번째 프로토타입이 곧 준비되기를 희망한다.

 
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