"연료 충전 없이 무한 비행"… 지구 대기를 '직접' 먹고 달리는 위성 엔진 나왔다

별도의 연료를 싣지 않고도 지구 대기권의 가스를 스스로 빨아들여 추진력을 얻는 획기적인 위성 엔진 기술이 개발되었습니다. 2026년 9월 현재, 독일 슈투트가르트 대학교의 프란체스코 로마노(Francesco Romano) 박사가 이끄는 연구팀은 지구 초저궤도(VLEO)에 존재하는 미세한 공기 분자를 연료로 전환해 위성을 무기한 궤도에 머물게 할 수 있는 '대기 흡입식 전기 추진(ABEP)' 시스템을 선보였습니다. 이는 무거운 연료통 대신 우주 공간의 자원을 활용한다는 점에서 우주 산업의 경제성을 송두리째 바꿀 기술로 평가받죠.

보통 위성은 고도 100km에서 450km 사이의 '초저궤도(VLEO)'에서 운용될 때 가장 성능이 좋습니다. 지표면과 가깝다 보니 카메라로 더 선명한 사진을 찍을 수 있고, 통신이나 레이더 시스템을 돌릴 때도 전력이 훨씬 적게 들거든요. 하지만 문제는 공기 저항입니다. 이 높이에는 비록 희박하지만 공기 분자가 존재해 위성의 속도를 계속 늦추는데, 이를 극복하려고 제논(Xenon) 같은 값비싼 가스 연료를 태워 추진력을 유지해야만 했습니다. 연료가 다 떨어지면 위성의 수명도 끝나게 되는 구조였죠.

공기를 플라스마로 바꿔 쏘는 '숨 쉬는 엔진'

로마노 박사가 국제 학술 논문 저장소 '아카이브(arXiv)'를 통해 공개한 이 기술은 개념부터 남다릅니다. 엔진이 우주선 앞부분으로 들어오는 얇은 공기 층을 직접 수집한 뒤, 이를 전기 엔진 내부에서 플라스마로 변환해 뒤로 내뿜으며 앞으로 나아가는 방식입니다. 공기 저항의 원인이었던 대기 분자를 역설적으로 비행의 동력으로 삼는 셈입니다. 여기서 가장 큰 걸림돌은 자외선에 의해 분해된 '원자 산소(AO)'였는데요. 이 물질은 금속을 부식시키는 성질이 매우 강해 기존 엔진의 전극과 부품을 빠르게 망가뜨리는 주범이었습니다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 '비접촉식 무중화제 무선주파수(RF) 헬리콘 플라스마 추진기'를 개발했습니다. 쉽게 말해 부품이 공기와 직접 닿아 부식되지 않도록 전자기장을 활용하는 방식이죠. 여기에 공기를 효율적으로 모으기 위해 '정거울 흡입구(Specular intake)'라는 특수 장치를 결합했습니다. 이 장치는 포물선 형태의 거울에 흑연이나 이산화규소를 코팅해 공기 입자를 엔진 안으로 튕겨 넣어주는데, 실험 결과 공기 수집 효율이 무려 94.3%에 달하는 것으로 나타났습니다. 기체가 15도 정도 비스듬히 들어와도 효율이 8%밖에 떨어지지 않을 정도로 안정적이죠.

물론 아직 넘어야 할 산은 있습니다. 지구의 대기는 낮과 밤, 위도, 그리고 태양 활동에 따라 밀도가 계속 변하기 때문에 엔진이 이런 변화무쌍한 환경에서도 꾸준히 추진력을 낼 수 있어야 하거든요. 현재 실험실 테스트와 모델링 단계에서는 합격점을 받았지만, 실제 우주 공간에서의 임무 수행 능력은 앞으로 검증해 나가야 할 과제입니다. 연료 걱정 없이 지구를 돌며 우리 삶을 관찰하는 '영구 비행 위성' 시대가 한 발짝 더 가까워진 것은 분명해 보입니다.

[다음 관전 포인트] 실제 위성에 탑재된 시제품이 우주 궤도에서 대기 밀도 변화에 대응하며 안정적인 추진력을 유지할 수 있을지가 상용화의 핵심입니다.