출처: https://www.newscientist.com/article/mg23431264-500-plasma-jet-engines-that-could-take-you-from-the-ground-to-space/
플라즈마 추진기로 이륙하는 항공기의 상상도
FORGET fuel-powered jet engines. We’re on the verge of having
aircraft that can fly from the ground up to the edge of space using air
and electricity alone.
연료를 쓰는 제트엔진은 이제 잊어버려라. 공기와 전기만 가지고 지상에서 우주까지 날아갈 수 있는 우주선의 발명이 머지 않았다.
Traditional jet engines create thrust by mixing compressed air with
fuel and igniting it. The burning mixture expands rapidly and is blasted
out of the back of the engine, pushing it forwards.
기존의 제트엔진은 압축공기를 연료와 섞어 점화시키는 방식으로 추진력을 발생한다. 이 연소되는 화합물은 빠르게 팽창하여 엔진 뒷부분에서 폭발적으로 배출되며, 이와 동시에 엔진을 앞으로 추진시킨다.
Instead of fuel, plasma jet engines use electricity to generate electromagnetic fields. These compress and excite a gas, such as air or argon, into a plasma – a hot, dense ionised state similar to that inside a fusion reactor or star.
플라즈마 제트엔진은 연료 대신 전기를 이용하여 전자기장을 생성한다. 전자기장은 공기나 아르곤 같은 가스를 압축 및 여기시켜 플라즈마로 만든다. 플라즈마란 뜨거운 고밀도의 이온화 상태를 말하며 핵융합 반응로나 항성 내부에서 볼 수 있다.
Plasma engines have been stuck in the lab for the past decade or so.
And research on them has largely been limited to the idea of propelling
satellites once in space.
플라즈마 엔진은 지난 10년간 연구실에서나 볼 수 있었다. 그리고 이런 엔진의 연구는 주로 우주공간에서 인공위성을 추진시키는 분야에만 국한되었었다.
Berkant Göksel at the Technical University of Berlin and his team now
want to fit plasma engines to planes. “We want to develop a system that
can operate above an altitude of 30 kilometres where standard jet
engines cannot go,” he says. These could even take passengers to the
edge of the atmosphere and beyond.
이제 베를린공대의 베르칸트 곡셀과 그 연구진은 플라즈마 엔진을 비행기에 적용할 계획이다. "저희는 일반적인 제트엔진이 도달할 수 없는 30 km 고도에서도 작동되는 플라즈마 엔진 시스템을 구축할 예정입니다"라고 그는 말했다. 이런 엔진은 일반 승객들을 대기권 가장자리 또는 그 너머로 데려다 줄 수 있다.
The challenge was to develop an air-breathing plasma propulsion
engine that could be used for take-off as well as high-altitude flying.
가장 큰 과제는 비행기 이륙 및 고도 비행에 사용할 수 있는 공기기반 플라즈마 추진기를 개발하는 데 있다.
베를린공대의 베르칸드 곡셀 연구팀이 제작한 플라즈마 추진기 시연본
Plasma jet engines tend to be designed to work in a vacuum or the low
pressures found high in the atmosphere, where they would need to carry a
gas supply. But now Göksel’s team has tested one that can operate on
air at a pressure of one atmosphere (Journal of Physics Conference Series, doi.org/b66g).
“We are the first to produce fast and powerful plasma jets at ground
level,” says Göksel. “These jets of plasma can reach speeds of up to 20
kilometres a second.”
오늘날 사용되는 플라즈마 제트엔진은 진공이나 고도 대기권의 저기압에서만 작동할 수 있도록 설계되었으며, 항상 별도의 기체 추진체를 가지고 다녀야 한다. 하지만 최근에 베르칸트 곡셀의 연구팀은 1기압에서 작동하는 공기기반 플라즈마 제트엔진을 시험했다
(Journal of Physics Conference Series, doi.org/b66g). "우리는 사상 최초로 지표면에서 빠르고 강력한 플라즈마 제트를 만드는데 성공했습니다"라고 베르칸드 곡셀은 말했다.
The team used a rapid stream of nanosecond-long electric discharges
to fire up the propulsion mixture. A similar technique is used in pulse
detonation combustion engines, making them more efficient than standard
fuel-powered engines.
연구진은 나노초 동안 지속되는 전기방출을 빠르게 흘려보내는 방식으로 추진체 혼합물을 점화시켰다. 이와 유사한 기술은 펄스폭굉 연소기관에서도 사용되는데, 기존의 연료를 사용하는 엔진보다 효율이 더 좋다.
It’s the first time anyone has applied pulse detonation to plasma
thrusters. Jason Cassibry at the University of Alabama in Huntsville is
impressed. “It could greatly extend the range of any aircraft and lower
the operational cost,” he says.
펄스폭굉을 플라즈마 추진기에 적용한 것은 이번이 처음이다. 헌츠빌 소재 앨러배마대학교의 제이슨 카시브리는 매우 깊은 인상을 받았다. "해당 기술은 모든 항공기의 이동범위를 늘려주고 운영비용을 절약해줄 것입니다"라고 그는 말했다.
But there are several hurdles to overcome before the technology can
propel an actual plane. For a start, the team tested mini thrusters 80
millimetres long, and a commercial airliner would need some 10,000 of
them to fly, which makes the current design too complex for aircraft of
that size. Göksel’s team plans to target smaller planes and airships for
now. Between 100 and 1000 thrusters would be enough for a small plane,
which the team thinks is feasible.
그러나 이 기술을 실제 항공기에 적용하기 위해서는 넘어야 할 과제가 많다. 일단 연구진은 80밀리미터 길이의 미니 추진기를 가지고 실험을 진행 중에 있는데, 상업여객기가 이 추진기로 날 수 있으려면 약 10,000개를 달아야 하며( -_-), 그 정도 크기를 가진 항공기의 경우 디자인이 너무 복잡해진다. 따라서 베르칸트 곡셀의 연구팀은 일단 소형비행기 및 비행선을 타겟으로 잡고 있다. 소형비행기의 경우 플라즈마 추진기가 100개에서 1,000개 사이면 충분하며, 연구팀은 이것이 가능하다고 확신한다.
The biggest limitation, though, is the lack of lightweight batteries.
A huge amount of electricity is required to generate and sustain the
plasma. “An array of thrusters would require a small electrical power
plant, which would be impossible to mount on an aircraft with today’s
technology,” says Dan Lev from the Technion-Israel Institute of
Technology. The power supply is also a barrier to making the individual
thrusters bigger. Doing so would reduce the number needed to propel a
plane, but each would require more power.
하지만 가장 큰 제약은 바로 경량배터리가 없다는 점이다. 플라즈마를 생성 및 유지하려면 엄청난 양의 전기가 필요하다. "플라즈마 추진기 배열 1개를 작동시키려면 소형 발전소가 필요합니다. 따라서 오늘날의 기술로는 비행기에 장착하는 것이 불가능합니다"라고 이스라엘공대 테크니온의 단 레브가 말했다. 전력 공급도 플라즈마 추진기를 대형화하는데 해결해야 할 장애물이다. 플라즈마 추진기를 대형화할 경우 비행기 추진에 필요한 추진기 수를 줄일 수 있으나 더 많은 전기를 잡아먹는다.
Göksel is hoping for a breakthrough in compact fusion reactors to
power his system. Other possible options could be solar panels or beaming power wirelessly to the engines, he says.
베르칸트 곡셀은 미래에 소형 핵융합로 기술이 발전하여 자신이 개발한 플라즈마 추진기 시스템에 충분한 전력을 공급할 수 있기를 기대하고 있다. 이 외에 다른 방안은 태양광 패널이나 무선전력공급기술이 있다고 그는 말했다.
In the meantime, he is looking into hybrid planes, in which his
plasma engine would be combined with pulse detonation combustion engines
or rockets to save on fuel.
현재 베르칸트 곡셀은 하이브리드 비행기에 집중하고 있다. 하이브리드 비행기의 경우 플라즈마 추진기를 펄스폭굉 연소엔진 또는 로켓과 함께 사용하면 연료를 절약할 수 있을 것이다.
...
Abstract
논문개요
A new breakthrough in jet propulsion technology since the
invention of the jet engine is achieved. The first critical tests for
future air-breathing magneto-plasma propulsion systems have been
successfully completed. In this regard, it is also the first time that a
pinching dense plasma focus discharge could be ignited at one
atmosphere and driven in pulse mode using very fast, nanosecond
electrostatic excitations to induce self-organized plasma channels for
ignition of the propulsive main discharge.
제트엔진이 발명된 이후 제트추진기술에 새로운 혁명이 일어났다. 사상 최초로 공기기반 자기플라즈마 추진시스템의 시험이 성공적으로 완료된 것이다. 또한 사상 최초로 핀치 효과를 가지는 고밀도 플라즈마 초점 방출이 1기압에서 점화되어 나노초 간격의 고속 정전기 자극을 통해 펄스 모드로 전환, 주요 추진방출의 점화에 필요한 자가조직 플라즈마 채널을 유도하는데 성공하였다.
베를린 공대에서 개발한 플라즈마 추진기 작동원리 개요도
Depending on the capacitor
voltage (200-600 V) the energy input at one atmosphere varies from
52-320 J/pulse corresponding to impulse bits from 1.2-8.0 mNs. Such a
new pulsed plasma propulsion system driven with one thousand pulses per
second would already have thrust-to-area ratios (50-150 kN/m²) of modern
jet engines. An array of thrusters could enable future aircrafts and
airships to start from ground and reach altitudes up to 50km and beyond.
축전지 전압(200~600V)에 따라 에너지 입력은 1기압에서 52~320 J/펄스이며, 이 때 충격량은 1.2 ~ 8.0 mNs이다. 이런 플라즈마 펄스 추진시스템이 초당 1천개의 펄스를 낼 경우 오늘날 사용되는 제트엔진의 추진력 대 면적 비율인 50 ~ 150 kN/m2을 달성할 수 있다. 플라즈마 펄스 추진기 배열 1개를 장착한 미래의 항공기 및 비행선은 지상에서 이륙하여 50 km 이상의 고도에 도달할 수 있을 것이다.
The needed high power could be provided by future compact plasma fusion
reactors already in development by aerospace companies. The
magneto-plasma compressor itself was originally developed by Russian
scientists as plasma fusion device and was later miniaturized for
supersonic flow control applications. So the first breakthrough is based
on a spin-off plasma fusion technology.
이에 필요한 높은 출력은 미래의 소형 플라즈마 핵융합반응로로 충당할 수 있을 것이며, 해당 반응로는 이미 항공업체에서 개발 중에 있다. 자기플라즈마 압축기는 예전에 러시아 과학자들이 플라즈마 융합기로 사용하기 위해 개발한 것으로 차후 소형화되어 현재는 초음속 유체제어에 활용되고 있다. 이번의 발견도 플라즈마 융합기술에서 파생된 것이라 할 수 있다.
항공기용 경량 핵융합로가 가능하다면 거기서 발생하는 플라즈마를 그냥 추진력으로 쓰는게 나을거 같은데...
방사능이 문제려나요.
여튼 플라즈마 에너지를 전기로 변환한다음 다시 플라즈마로 바꾸는건 뭔가 좀...