로켓 연료로 금속을 사용한다 - 이웃집과학자
로켓 연료로 금속을 사용한다
승인 2019.11.28 08:10
이 영상은 무엇일까요? 밤하늘 쏟아져 내리는 별빛처럼 보이기도 하고 크리스마스 트리의 불빛같기도 합니다. 이 영상은 캐나다 국립연구센터(Canadian National Research Centre)에서 팔콘-20(Falcon-20 aircraft)의 비행 실험을 진행하는 장면입니다. 이 실험을 통해 연구자들은 최대 18초의 무중력 상태를 얻어냈다고 합니다. 위 영상은 30배 줄어든 속도에서 슬로우모션으로 촬영된 건데요. 저 반짝거림의 정체는 철 금속 분진이 연소열(combustion heat)에 도달하며 점화되는 모습입니다.
반짝반짝 빛나는 불연속 연소(discrete burning)
사운딩 로켓. 출처: ESA
대부분의 운송 수단은 대부분 연료로 가솔린이나 석유에 의존하는데요. 에너지 밀도가 높기 때문입니다. 사운딩 로켓(sounding rocket) 실험을 주도하고 있는 ESA의 Antonio Verga는 "전기자동차의 진전에도 불구하고 전통적인 가솔린 기반의 차와 비교했을 때 에너지 효율이 100배 정도 떨어진다"며 "만약 도로 운송 범위와 동력을 유지하려면 다른 대안을 찾아야 한다"고 밝혔습니다.
사운딩 로켓(sounding rocket)
사운딩 로켓(sounding rocket)이란 각종 연구를 위해 발사하는 실험용 로켓입니다. 우주로 날아가지 못하고 하늘에서 다시 지상으로 떨어집니다. 주로 관측 장치와 송신기를 탑재하여 발사되는 로켓입니다. 주로 대기 밀도, 압력, 전리층 전자 밀도, 온도, 우주선, 태양 전파, X선 등을 관측합니다. 따라서 사운딩 로켓은 발사가 간단해야 하기 때문에 대부분 고체 연료를 사용합니다.
금속은 에너지 밀도가 높습니다. 하지만 불연속적인 연소반응에서 연소시킬 때 금속은 분말 형태가 아니면 쉽게 점화가 발생하지 않습니다. Antonio Verga는 "연소에 가장 적합한 조건을 만들기 위해 이상적인 크기의 금속 분말과 산소의 조합을 찾아내야 한다"고 전했습니다.
반짝반짝 불연속 연소(discrete burning). 출처: ESA
참고로 불연속 연소(discrete burning)는 연료 주변의 다른 연료 요소(fuel elements)에서 발생하는 열로 인해 연료 파편이 점화되고 완전히 연소될 때 발생합니다. 이는 연료를 통해 계속 연소되는 전통적인 화재와 달리 하나의 연료 공급원에서 다른 연료 공급원으로 점프하듯 확산됩니다. 예로는 새해 전날 터지는 불꽃이 대표적입니다.
무중력 상태에서 최적의 연소 조건을 찾아서
이에 연구팀은 지난 7월 스웨덴의 이스레인지(Esrange)에서 260km상공을 날아가다 지표로 다시 떨어지는 Texus rocket을 이용해 6분간 무중력 상태에서 실험을 진행했습니다. 연구자들은 금속 분말을 대기권 밖으로 비행하는 동안, 무중력 상태일 때 공중에 떠 있는 고른 간격의 금속 분말이 어떻게 연소되는지 연구할 수 있습니다. 참고로 지구에서는 중력 때문에 분말이 뭉쳐 쌓이기 때문에 이러한 조건에서 연구가 불가능합니다.
이후 연구팀은 이상적인 조건을 추정해내기 위한 불연속 연소모델을 만들기 위해 연소 결과를 분석했다고 합니다. Antonio Verga는 "만약 이상적인 혼합물이 무엇인지 알게 되면 우리는 이를 발전소에서 만들거나 어쩌면 자동차 엔진에서 구현할 수도 있을 것"이라며 "철 분말을 잠깐 동안 챔버에 주입하면 연소에 완벽한 조건을 갖출 수 있을 것"이라고 전했습니다.
Antonio Verga에 따르면 금속 연소의 장점은 탄소가 발생하지 없다는 건데요. 예를들어 철 분말을 연소할 때 발생하는 유일한 폐기물은 녹이 발생한다는 겁니다. 그러나 이마저도 금속 분말로 쉽게 재활용이 가능하다고 하는데요. Antonio Verga는 "이 실험 덕분에 미래에는 녹슨 자동차를 운전하는 것에 전혀 새로운 의미를 부여할 수 있을 것"이라고 전했습니다.
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