하늘을 날아다니는 것이라고 하면 어떤 것이 제일 먼저 떠오를까? 대부분의 사람은 새나 비행기를 먼저 떠올린다. 하지만, 이것 말고도 날아다니는 것들은 많은데 그중에서도 우주까지 나아갈 수 있는 특별한 것이 있다. 바로, ‘우주선’ 또는 ‘로켓’이다. 원래라면, 지구에는 중력이 있어 계속 끌어 당겨지기에, 지구 밖으로 나가지는 못한다. 그렇다면, 우주선과 로켓은 대체 어떻게 지구 밖으로 나갈 수 있는 것일까? 답은 간단하다. 중력을 이기면 된다. 그러기 위해서는 엄청나게 강력한 힘이 필요하고, 그 힘은 매우 빠른 속도에서 얻을 수 있다. 이러한 발사체들은 혼자만으로는 힘을 낼 수 없기에, 반드시 연료가 있어야 하는데, 연료의 종류에 따라 발사체가 얻는 힘이 달라진다. 연료는 크게 두 가지로 나눌 있으며, 딱딱한 ‘고체 연료’와 흐르는 ‘액체 연료’가 있다.
각 연료의 장단점을 살펴보자면, 고체 연료는 미리 연료와 산화제를 혼합하여 만들어 사용하는데, 이 덕분에 로켓의 구조가 상대적으로 간단하여 무게가 가볍고 제작비가 적게 든다. 또한, 별도의 연료 주입 과정 없이도 연료만 장착되어 있다면 언제든지 발사할 수 있어 신속하게 발사할 수 있다. 그렇기에, 주로 소형 발사체나 군사용으로 사용한다. 하지만, 한 번 불이 붙으면 멈추지 않기에 추력이나 속도를 제어할 수 없고, 액체 연료보다 효율이 떨어진다는 단점이 있다.
액체 연료는 속도, 가속도 등 여러 가지를 제어할 수 있다는 가장 큰 장점이 있지만, 이러한 장점이 있는 만큼 로켓의 구조 및 설계가 매우 복잡하다. 또한, 고체 연료 로켓과는 다르게, 액체 추진제를 담는 곳과 산화제를 담는 곳이 별도로 필요하여 제작비가 훨씬 많이 든다. 그래도, 추력이 강하고 조절 및 재점화가 가능하다는 점에서 주로 인공위성, 탐사선 등을 쏘아 올릴 때 사용한다. 이렇게 각 연료의 장단점이 너무나도 뚜렷한데, 이 때문에 고체 연료와 액체 연료의 장점만 살려서 함께 사용하기도 한다. 또한, 로켓의 단 별로 서로 다른 연료를 사용할 수도 있다.
최근에는 고체 연료와 액체 연료 중에서는 액체 연료를 중점적으로 사용하고 있다. 그런데, 액체 연료라고 해서 모두 다 같은 것은 아니다. 이것도 여러 가지 종류로 나눌 수 있는데, 크게 세 가지가 있다. ‘케로신, 액체수소, 메탄’으로, 각 연료의 특징들을 살펴보도록 하자.
첫 번째로, 케로신은 로켓의 연료로 가장 많이 사용되고 있는 액체 연료로, 흔히 등유라고 부르는 연료이다. 휘발성이 낮고 끓는 점이 높아 상온에서 저장 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 장점이 좋은 만큼 큰 단점을 갖고 있는데, 연소 시 탄소 찌꺼기가 발생하여 로켓 엔진에 달라붙을 수 있다는 것이다. 그래서, 탄소 찌꺼기를 제거하는 데에 어려움이 있고 한계가 존재한다. 이에 따라, 재활용할 수 있는 횟수도 더불어 제한된다. 우리들이 흔히 잘 알고 있는 미국의 새턴V호, 스페이스X의 로켓, 러시아의 소유즈, 우리나라 나로호의 1단 로켓과 누리호에 케로신이 사용되었다.
사진 출처: (좌) NASA – 소유즈 18호 발사를 위한 소유즈-U 로켓,
(우) 한국항공우주연구원 – 누리호 1차 발사의 모습
두 번째로, 액체수소이다. 일단, 액체수소는 가성비가 매우 좋다는 장점이 있다. 동일한 양으로 케로신보다 훨씬 더 강력한 힘을 낼 수 있으며, 이러한 점으로 인하여 우주발사체의 고성능화를 가능하게 해준다. 따라서, 우주 왕복선에서는 액체수소를 주로 사용하고 있다. 하지만, 수소는 -253℃의 매우 낮은 온도에서 액화되기에, 그만큼 밀봉하는 데에 문제가 발생할 수 있고, 케로신보다 밀도가 낮아 연료 탱크도 커져야 한다. 또한, 계속해서 극저온 상태를 유지해야 하기에 제작, 저장 및 관리가 상당히 까다롭다. 그래도, 강력한 힘을 내면서도 오염 물질을 거의 배출하지 않기에 재활용 횟수도 많다고 할 수 있다.
마지막으로, 최근 미래 로켓용 연료로 큰 주목을 받는 메탄이다. 로켓을 재활용할 수 있는 연구가 활발해지면서, 메탄을 연료로 사용하였을 때 매연, 그을림이 적게 발생한다는 점에서 활발하게 연구가 진행되고 있다. 따라서, 로켓 엔진을 깨끗하게 유지할 수 있고, 찌꺼기가 많이 발생하지 않아 재활용 횟수도 많아질 것으로 예상한다. 메탄이 주목받는 이유는 이뿐만이 아닌데, 인류는 달을 넘어 화성으로 가는 것을 목표로 하고 있다. 그런데, 놀랍게도 화성에는 메탄 성분이 많이 있어 화성에서 연료가 떨어지더라도 다시 채워 넣을 수 있기에, 요즘 과학자들은 메탄으로 눈을 향하고 있다. 이러한 점으로, 메탄을 이용한 로켓은 심우주 개발에 유리하다는 장점이 있다. 실제로, 스페이스X의 유인 우주선인 스타십은 액화 메탄을 사용하고 있다.
사진 출처: 위키백과 – ITF-5 발사대에서 스페이스X의 스타십이 점화되는 모습
인류는 드넓은 미지의 세계인 우주를 계속해서 탐구하고자 하는 집념으로, ‘로켓의 연료’라는 한 가지 주제만으로 다양한 것들을 연구해 냈다. 많은 연구가 진행된 만큼 더 많은 결과가 도출될 것이고 새로운 것들도 등장하게 될 것이다. 앞으로, 이러한 것들이 쌓여 더 효율적이고 인류에게 이로운 방향으로 연구가 발전하여, 우주의 신비를 조금이라도 더 빨리 밝혀내기를 기대하는 바이다.