21세기 우주 개발의 무대는 단순히 ‘발사 성공’ 자체가 더는 전부가 아니다. 핵심은 연료, 재사용, 그리고 비용이다. 미국의 우주기업 스페이스X는 초대형 발사체 스타쉽을 통해 이를 가장 극적으로 보여주고 있다.
스페이스X의 계획은 지구에서 발사된 스타쉽이 지구 저궤도에서 메탄 캐시(propellent depot)로부터 메탄을 공급받아 화성으로 향한다. 메탄 캐시는 메탄을 저장한 탱커형 스타쉽이다. 스페이스X는 지구 저궤도에 메탄 저장고인 탱커형 스타십을 여러 대 배치할 계획이다. 한 번에 화성까지 갈 연료를 싣지 못하므로, 지구 저궤도에서 충전한 뒤 장거리 항해를 시작하는 방식이다.
더 나아가 화성에서는 대기의 95%를 차지하는 이산화탄소와 지하 속 얼음에서 얻은 수소를 반응시켜 메탄과 산소를 생산한다. 이른바 ISRU(현지 자원 활용) 시스템을 가동한다. 이것이 있어야 화성에서 지구로 귀환할 연료를 자체 조달할 수 있다. 결국 메탄은 단순한 연료가 아니라 지구-달-화성 네트워크를 연결하는 에너지 인프라다.
NASA의 아르테미스 계획 역시 이 추세와 연결된다. 달 궤도 우주정거장 게이트웨이와 달 기지를 운영하려면, 연료 보급 체계가 필수다. 메탄과 재사용은 이미 달과 화성 탐사의 전제 조건이 되고 있다.
<메탄 엔진 vs 케로신(등유) 엔진 비교표>
우주 개발, 다시 불붙은 경쟁
냉전 이후 두 번째 우주 경쟁이 시작됐다. 이번에는 국가뿐 아니라 민간 기업도 전면에 나섰다. 미국, 중국, 유럽, 일본, 인도, 러시아뿐 아니라 수많은 민간기업들이 발사체 개발에 뛰어들었다.
경쟁의 핵심 키워드는 ‘더 싸게, 더 자주, 더 멀리’다. 단순히 우주에 오르는 것이 아니라, 비용을 획기적으로 줄이고 발사 빈도를 높이며, 장거리 탐사까지 가능해야 한다.
그런데 기존 케로신(등유) 발사체는 이미 기술적인 성숙기에 이르렀다. 이런 한계에 따라 스페이스X는 ‘재사용’이란 카드로 팰컨9을 재사용하면서 발사 단가를 혁신적으로 낮췄다. 지금 저궤도 1kg 발사 비용은 공식적으론 3000달러이지만, 재사용으로 통해 1,500달러 수준으로 낮췄다고 한다. 그런데 스타쉽이 상용화되면 이 비용이 30달러 이하로 떨어질 수 있다는 전망이 나온다.
그 비밀은 엔진 재사용에 있다. 발사체 전체 비용의 65%를 차지하는 것이 1단 엔진이다. 이 엔진을 매번 폐기하지 않고 반복 사용할 수 있다면, 발사 단가는 획기적으로 낮아진다. 여기에 대량생산 효과와 정비 최적화가 더해지면 우주 발사 비용은 과거와 비교할 수 없는 수준으로 떨어진다. 그런데 등유를 사용하는 케로신 엔진은 점화하고 나면 시커먼 카본(탄소) 찌꺼기가 들러붙는다. 그래서 재사용하려면 카본 제거에 많은 노력이 필요해 재사용 회수를 높이기에 불리하다. 이에 비해 메탄 엔진에는 카본이 거의 생기지 않아 재사용해도 깨끗해 재사용율이 높아진다.
‘S’자 성장곡선(logistic curve) 관점에서도 설명할 수 있다. 케로신 엔진은 이미 성숙기에 접어들어 발전의 여지가 거의 없다. 약간의 추가 성능을 얻기 위해서도 비용이 과도하게 늘어난다. 반면 메탄 엔진은 아직 성장곡선의 초입에 있다. 엔진 메커니즘과 소재 등을 개선하고 안정성과 신뢰도를 높일 여지가 훨씬 크다. 여기에다 재사용까지 결합하면 메탄 엔진은 진정한 차세대 발사체의 동력이 될 것으로 예상된다.
케로신 엔진의 역사, 영광과 제약
케로신은 왜 그렇게 오랫동안 사랑받았을까. 밀도가 높고, 상온에서 보관이 가능하며, 취급이 비교적 쉽기 때문이다. 1957년 소련의 R-7은 세계 최초의 인공위성 스푸트니크를 올린 로켓이다. 지금도 소유즈 발사체 계보로 이어지고 있다.
1960년대 미국의 새턴 V는 아폴로 우주인을 달에 보냈다. 새턴 V 로켓 1단의 F-1 엔진은 당시 세계 최대 단일 연소실 엔진이었다. 냉전기는 케로신 엔진의 전성시대였다. 수백 기의 케로신 로켓이 발사되며 우주 개발을 이끌었다.
하지만 단점은 명확했다. 케로신 연소는 항상 시커먼 카본(탄소) 찌꺼기를 남겼다. 엔진을 재사용하기 어렵게 만들었고, 효율도 수소나 메탄보다 낮았다. 결국 21세기 들어와서는 성숙기에서 정체기로 들어섰다.
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