나노팁 이온 추진기는 전력 효율성 향상을 약속합니다.

NASA의 꿈처럼 들립니다. 오늘날보다 전력 효율성이 최대 40% 더 높은 새로운 우주선 추진기입니다. 더 좋은 점은 연료비가 1000분의 1도 안 되고 무게도 질량의 8분의 1에 불과하다는 점입니다. 라는 스타트업이 궤도 호 그런 추진기를 만들 수 있다고 주장합니다.

이 설계를 통해 “우리는 가로가 약 몇 인치, 수 킬로그램인 스러스터에서 가로가 약 1인치이고 동일한 추력 출력을 가지지만 무게는 약 8분의 1 정도 되는 칩 위의 스러스터로 발전할 수 있습니다”라고 회사 설립자인 Jonathan Huffman은 말합니다.

Orbital Arc에 따르면 하드웨어는 가장 작은 저궤도 위성에 장착될 만큼 작지만 행성 간 임무를 수행하기에 충분한 전력을 생성합니다. 이러한 저렴한 추력은 잔해를 피하려는 위성 운영자나 먼 행성에 탐사선을 보내려는 임무 운영자에게 의미 있는 비용 절감을 가져올 수 있습니다.

이러한 혁신의 핵심은 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 연료, MEMS 미세 가공, 공상과학에 대한 강한 애정의 조합입니다.

더 나은 추진기 설계

추진기는 일반적으로 플라즈마를 생성한 다음 방출하여 우주선을 반대 방향으로 밀어내는 방식으로 작동합니다. 항상 인기 있는 홀 추진기 내부에는 자기장이 촘촘한 원형 궤도에 전자를 가두어 둡니다. 비활성 가스(일반적으로 크세논)는 좁은 채널로 표류하여 순환하는 전하와 충돌하여 전자를 떨어뜨리고 플라즈마로 이온화합니다. 그러면 고전압 전기장이 배기가스 밖으로 플라즈마를 뿜어냅니다.

Orbital Arc의 기술은 약간 다르게 생겼으며 거의 ​​우연히 탄생했습니다. 허프만은 생명공학 컨설턴트이자 자칭 “공상과학 괴짜”였으며 여가 시간에 미래형 비디오 게임을 위한 가상 기술을 설계하라는 의뢰를 받았습니다. 그는 게임 컨트롤을 현실적으로 만들기 위해 지금으로부터 250년 후에 우주선이 어떻게 움직일 수 있는지 알아내야 했기 때문에 최첨단 추진 시스템을 연구하기 시작했습니다.

그는 앞으로 몇 세기 안에 그리고 아마도 더 빨리 (스포일러 경고) 개선될 수 있다고 생각했던 기존 이온 추진기의 한계를 빨리 이해하게 되었습니다. 임무에 더 많은 추력이 필요한 경우 추진기는 더 무거워져야 합니다. 그러나 결정적으로 “스러스터에 더 많은 질량을 추가하면 추가 추력으로 얻을 수 있는 모든 이점이 무효화되는 특정 지점이 있습니다”라고 그는 말합니다. 따라서 이러한 이점을 유지하려면 추진기는 작지만 강력해야 합니다.

생물학 실험실에 대한 Huffman의 친숙함은 추진력 설계와 관련하여 그에게 예상치 못한 우위를 안겨주었습니다. 그는 직업을 통해 생물의학 연구를 위해 강력한 전자기장을 생성하는 데 사용되는 이온을 방출하는 나노크기 팁에 대해 배웠습니다. 그들은 알 수 없는 화학물질을 이온으로 변환하고 가속하며 날아가는 방식을 관찰하여 식별하는 도구인 질량 분석기에서 발견됩니다.

그는 그러한 시스템이 추진기에서 이온화 과정을 만들기 위해 더욱 소형화될 수 있다고 의심했습니다. 1년 반 동안 개념을 개발한 후, Huffman은 소형 추진기에 대한 자신의 아이디어가 비디오 게임 이상의 잠재력을 가지고 있다고 확신했습니다.

그리고 그는 옳았습니다. 각 Orbital Arc 추진기의 심장에는 수백만 마이크로미터 크기의 양전하 팁이 내장된 칩이 있으며 가스 흐름을 유도하는 채널이 있습니다. 즉, 나프탈렌이 유입되고 이온이 유출됩니다.

나프탈렌 분자가 하전된 팁을 통과함에 따라 분자는 분극화된다는 것은 분자의 전자가 한 쪽 면에 모여 있다는 뜻입니다. 전하에 의해 생성된 고르지 않은 장으로 인해 분자는 끝 부분으로 끌려간 다음 거기에 갇혀 전자를 방출할 때까지 탈출할 수 없습니다.

일단 전자를 방출하면 “정말 날카로운 양전하를 띤 물체 지점에 있는 이온이 있고 이제 그 자체가 양전하를 띠게 됩니다. 따라서 가속됩니다”라고 Huffman은 설명합니다. 반발된 이온은 날아가서 우주로 분사되어 우주선을 앞으로 나아가게 합니다.

이 설계의 장점은 다른 추진기가 의존하는 내부 플라즈마 생성을 피함으로써 발생하는 전력 절감이라고 Huffman은 말합니다. “플라즈마에는 모든 것이 함께 섞인 큰 수프에 들어 있기 때문에 손실이 있습니다.”라고 Huffman은 설명합니다. 플라즈마의 자유 전자는 이온과 재결합하여 중성 원자를 생성할 수 있습니다. “이제 전하를 띤 입자를 만들기 위해 투입한 에너지를 잃었습니다. 전력 낭비입니다.” 최근 계산에 따르면 나프탈렌 나노팁 추진기는 전력 효율성을 30~40% 향상시키는 것으로 나타났습니다.

최근 시연에서는 Orbital Arc 설계가 플라즈마를 모두 방지하여 전력 절감 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 유사한 기술을 사용하는 다른 설계보다 성능이 뛰어난 것으로 나타났습니다. 최근 테스트에서 Orbital Arc의 팁 중 6개만이 MIT 그룹의 320,000개 팁 배열보다 약 3배 더 많은 이온 전류를 생성할 수 있었다고 Huffman은 말합니다.

“아하” 순간이 있은 지 2년 반이 지난 후(그리고 “Excel로 모든 것을 구축한” 후) Huffman은 작은 팁온칩의 작동 가능한 프로토타입 4개를 테스트하는 스타트업인 Orbital Arc의 CEO가 되었습니다.

스러스터는 크기뿐 아니라 연료 측면에서도 혁신적입니다. 좀약의 주성분인 나프탈렌은 정유소에서 쉽게 구할 수 있는 부산물입니다. 이 화합물은 냄새가 좋지 않을 수 있지만 취급이 안전하고 가격이 매우 저렴하여 크세논의 경우 킬로그램당 약 3,000달러에 비해 킬로그램당 약 1.50달러라고 Huffman은 말합니다.

Orbital Arc의 나프탈렌 사용은 제품 비용을 줄이는 데 도움이 되며, 회사는 이 비용이 기존 홀 추진기의 25~33%에 불과하다고 주장합니다. 프린스턴 대학교 전기추진 및 플라즈마 역학 연구소의 박사후 연구원인 Jonathan MacArthur는 “나는 그것이 믿을만하다고 생각합니다.”라고 말합니다. “아직 두고 봐야 할 점은 싸다는 것입니다. 하지만 휘발유 자동차가 세일 중이기 때문에 디젤 엔진을 넣는다고 해서 반드시 내 차의 엔진에 좋은 징조가 되는 것은 아닙니다.” 그는 스타트업이 비용 청구를 뒷받침할 데이터를 공개하고 동시에 성능 주장을 뒷받침하는 데이터도 공개하기를 바랍니다.

프로토타입에서 비행까지

현재 프로토타입 단계에서는 각 칩에 6개의 팁만 포함되어 있으며 Oak Ridge 국립 연구소의 클린룸에서 MEMS 제조 공정을 사용하여 제작되었습니다. 그러나 다음 단계는 대학 연구실에서 칩의 실물 크기 버전을 제조하는 것이라고 Huffman은 말했습니다.

그런 다음 회사는 칩 주위를 회전하는 추진기를 구축해야 합니다. “이것은 상대적으로 단순한 장치입니다. 밸브, 전선 몇 개, 구조적 구성 요소 몇 개로 구성됩니다. 매우 간단합니다.”라고 Huffman은 주장합니다. 그는 비행 자격을 얻기 위한 진동 테스트, 방사선 테스트, 열 사이클링 및 기타 단계를 실행하기 전에 이러한 모든 부품을 통합해야 한다고 말합니다. “지금부터 2년 뒤에는 팔 수 있는 제품을 갖게 될 것 같아요.”

Huffman은 Orbital Arc의 초기 고객이 스타트업이나 연구 그룹과 같은 소규모 팀이 될 것이라고 생각합니다. 그는 낮은 비용으로 예상되는 성능 때문에 새로운 기술에 내재된 위험에도 불구하고 그들이 새로운 추진기를 기꺼이 시도할 것이라고 확신합니다. “따라서 일부 사람들은 이전에 비행한 적이 없더라도 구매하는 것 외에는 선택의 여지가 없을 것입니다. 임무를 수행하고 싶다면 위험을 감수하게 될 것입니다.”라고 그는 말합니다.

프린스턴의 맥아더는 그 주장에 회의적이다. “추진 시스템을 선택할 때 일반적으로 데이터와 유산이 전부입니다.” 그는 고객이 비행 이력 없이 새로운 스러스터의 위험을 감수할 의향이 있는지 확신하지 못합니다.

그럼에도 불구하고 일부 CubeSat 규모의 임무는 할인된 가격으로 새로운 추진기를 사용하는 데 동의할 수 있다고 미시간 대학에서 우주 추진을 연구하는 Oliver Jia-Richards는 제안합니다. Enpulsion과 같은 다른 스타트업이 최근 새로운 전기 추진 기술로 성공을 거두었기 때문에 고객은 Orbital Arc에서 기꺼이 기회를 잡을 수도 있다고 그는 말합니다. 하지만 “이런 종류의 일에는 항상 위험이 따릅니다.”

작은 임무를 목표로 삼은 후 Huffman은 “우리가 조금 자랑할 수 있는 무언가를 구축”하고 싶어합니다. 그는 아직까지 재급유 없이 지구 궤도를 1년 동안 돌린 후 달까지 왕복 여행을 완료한 위성은 없다고 지적합니다. 자금에 따라 다르며 더 매력적인 기회가 나타날 수 있으므로 “앞으로 지켜보겠습니다”라고 그는 말했습니다.

그리고 그는 여기서 멈추지 않습니다. “우리는 수학적 현실을 활용하고 있습니다.”라고 Huffman은 말합니다. “우주선의 건조 질량을 차단하면 로켓 방정식이 작동하는 방식으로 인해 성능이 기하급수적으로 향상됩니다. 추가 건조 질량에 대해 기하급수적으로 불이익을 받게 됩니다.”

그는 Orbital Arc의 추진기를 통합함으로써 드라이브의 전력 효율이 더 높기 때문에 태양 전지판과 전원 공급 장치 질량을 줄일 수 있고, 나프탈렌은 크세논과 달리 압력 용기가 필요하지 않기 때문에 탱크 질량을 줄일 수 있으며, 추진기 질량 자체를 줄일 수 있다고 말합니다. 이러한 절감 효과를 통해 “화성까지의 단방향 과학 임무 비행에서 재급유 없이 목성까지의 인간 평가 양방향 임무 비행으로 전환할 수 있습니다”라고 Huffman은 주장합니다.

따라서 스러스터가 Orbital Arc의 첫 번째 단계인 반면, Huffman은 차기 초경량 우주선 버스를 구상하고 있습니다. 이는 영감을 준 비디오 게임의 먼 미래 시대보다 오래 전에 도착할 것입니다.

이 게시물은 신기술의 적절한 비용 절감을 나타내기 위해 2025년 11월 11일에 수정되었습니다.