▲ 극초단파로 작동하는 드론의 모습. 일본 츠쿠바대 연구원들이 28GHz 마이크로파 빔으로 로켓 발사 가능성을 연구하고 있다. 이들은 마이크로파로 0.4kg 무게의 드론을 0.8m 높이로 이륙시켜 30초간 날릴 수 있었다. (사진=츠쿠바대)

로켓을 우주로 보내는 추진력을 만들어 내는 고체나 액체연료는 일반적으로 로켓 초기 무게의 약 90%나 되지만 일본 연구팀이 마이크로파를 통해 무선으로 전달함으로써 이러한 로켓 추진력 출력을 극복할 수 있는 작은 가능성을 확인했다.

‘우주선 및 로켓 저널(Journal of Spacecraft and Rockets)’ 8월호는 일본 츠쿠바대 연구팀이 새로운 연구를 통해 로켓 대체 연료 공급원으로 마이크로파를 사용할 수 있는 가능성을 제시했다고 보도했다. 논문 제목은 ‘자유비행 시연을 위한 28GHz 마이크로파 동력 추진 효율(28GHz Microwave-Powered Propulsion Efficiency for Free-Flight Demonstration)’이다.

이 연구팀은 자유 비행 드론에 마이크로파를 쏘아 연료공급을 위한 전기를 공급해 비행하게 함으로써 그 가능성을 확인할 수 있었다.(마이크로파는 전자기 복사파의 일종이다. 따라서 태양빛이 태양 전지판에 의해 전력으로 전환될 수 있는 것처럼, 그들도 전기로 전환될 수 있는 에너지로 가득 차 있다.)

이러한 종류의 연구는 수십 년 전부터 수행돼 왔는데 대부분 상대적으로 낮은 수 기가헤르츠(GHz)의 마이크로파를 사용했다.

츠쿠바대 연구팀은 가동 주파수가 높아질수록 송전 효율이 높아진다는 점을 감안해 상대적으로 높은 28GHz의 마이크로파를 사용했다. 이들은 무게 약 0.4kg인 드론이 마이크로파 빔 소스 위 0.8m 높이에서 30초간 맴도는(비행하는) 것을 확인했다.

이 연구 저자 중 한 명인 시마무라 고헤이는 “드론 실험에서 마이크로파 동력이 지상의 안테나로부터 드론 안테나로 전달됐다. 정류기는 무선 주파수를 직류로 변환하는 데 사용되며, 직류 전력은 드론의 모터를 구동하는 데 사용됐다. 우리는 이를 ‘정류안테나(rectenna(정류기+안테나)’로 부른다”고 말했다.

그는 “우리는 드론이 가능한 한 많은 마이크로파 동력을 받도록 하기 위해 정교한 빔 추적 시스템을 사용했다. 게다가 전송 효율성을 더욱 높이기 위해 GPS 장치와 동기화된 아날로그 위상 변환기를 사용해 마이크로파의 위상을 세심하게 조정했다”고 밝혔다.

실험에서는 방출된 마이크로파의 30%가 드론에 의해 포획됐고 그 중 40%는 추진을 위한 전기로 전환됐다. 이들은 이 정보와 분석 공식을 바탕으로 이 실험에서의 전체 동력 전달 효율을 0.43%로 계산했다. 연구팀은 앞서 연구에서 자유 비행이 아닌 고정된 위치에 있는 드론에 대한 총 전송 효율을 60.1%로 측정했다.

시마무라는 “이러한 결과는 전송 효율을 개선하고 항공기, 우주선 및 로켓에 대한 이러한 추진 방식의 타당성을 철저히 평가하기 위해 더 많은 작업이 필요하다는 것을 보여준다”고 설명했다. 그는 또 “향후 연구들 또한 빔 추적 시스템을 개선하고 우리의 실험에서 증명된 것 이상으로 전송 거리를 늘리는 것을 목표로 해야 한다”고 덧붙였다.

시마무라는 “로켓이 100km 고도에 도달할 때까지 마이크로파를 추적하는 것이 가장 큰 과제다. 이를 위해서는 추진기와 마이크로파의 위상을 고도로 정확하게 제어해야 한다. 다중 마이크로파 소스의 위상을 고출력으로 맞추는 것도 향후 과제다. 비용은 기술적 과제일 뿐만 아니라 중요한 문제다. 수 메가와트(MW)의 고출력을 만드는 것은 핵융합 발전소를 건설하는 것과 맞먹으며, 현재 로켓 발사 비용은 매우 높다”고 말했다.

새로운 연구는 마이크로파 기반 비행체 추진 잠재력을 보여주지만 이 기술은 특히 로켓 비행에 사용될 가능성을 고려할 때 대부분 초기 단계에 머물러 있다. 그러나 전통적인 추진 기술의 높은 탑재 연료 수요를 감안할 때 언젠가는 궤도에 로켓을 발사하는 우수한 방법이 될 수도 있을 것이란 기대를 함께 모으고 있다.