토치 드라이브

토치 드라이브: 개요

"토치 드라이브"는 높은 추력과 높은 비추력을 특징으로 하는 우주선 추진용 반작용 엔진의 한 종류다. 그 덕분에 출력 수준도 매우 높다. "높은 추력"과 "높은 출력"의 기준은 사회의 기술 수준에 따라 크게 달라지기 때문에, 이 용어의 정의는 다소 불분명하다. 초기 정의에 따르면 토치선은 최소 1 센티지(0.098m/s²)의 지속 추력과 최소 400km/s의 델타-V를 낼 수 있어야 했다. 현대의 울트라텍 변환 추진(Conversion Drive) 토치선은 그보다 수백 배에서 수천 배에 달하는 가속도와 델타-V를 낼 수 있다.

토치 드라이브는 모두 고에너지 핵반응을 우주선 외부에서 일으킨다. 연속 반응이든 고속 펄스 방식이든 마찬가지다. 생성된 플라즈마를 자기장으로 편향시켜 추력을 얻는다. 반응을 우주선 본체 외부에서 일으키면, 펄스의 중성 복사 부산물인 중성자, 중성 파이온, 제동복사 X선, 감마선, 열복사 대부분이 우주 공간으로 빠져나간다. 덕분에 우주선에 과도한 열부하가 걸리지 않는다. 이 방식은 높은 추력과 높은 델타-V를 동시에 갖춘 초고출력 추진기를 가능하게 한다.

테라젠들이 가장 많이 사용하는 토치 드라이브는 관성 봉쇄 핵융합과 반물질·전환 빔 코어 방식이다. Z-핀치 핵융합이나 핵 소금물 핵분열 같은 시스템은 과거에 사용되었으며, 일부 정치체에서는 현재도 소규모로 운용되고 있다.

공통 설계 원리

토치 드라이브는 반응 영역을 감싸는 하나 이상의 전류 루프가 필요하다. 이 루프는 드라이브 반응에서 나오는 플라즈마와 하전 복사를 편향시키는 자기장을 만든다. 자기장 생성에 필요한 전류가 매우 강하기 때문에, 일반 도체는 금세 녹거나 기화된다. 따라서 루프는 보통 초전도체로 만든다. 필드 코일은 초전도체가 끊어질 때 생기는 자석-전류 반작용을 견디기 위해 고인장강도 구조물로 뒷받침된다.

필드 코일은 드라이브 반응이 방출하는 강력한 중성 복사로부터 반드시 보호해야 한다. 초전도체는 과열되면 초전도 상태를 잃기 때문이다. 흔히 사용되는 차폐 설계는 매우 좁은 개구각을 가진 "V"자형 단면의 텅스텐 판이다. 칼날 모양과 비슷하다. V의 꼭짓점은 방사선 원천을 향하고, 필드 코일은 V의 열린 윗부분을 따라 배치된다. 텅스텐은 입사각이 매우 작을 때 X선을 잘 반사하므로, 대부분의 X선이 낮은 각도로 필드 코일에서

토치 드라이브: 개요

"토치 드라이브"는 고추력과 높은 비추력을 특징으로 하는 우주선 추진용 반응 엔진의 한 분류다. 출력 수준도 그만큼 매우 높다. 이 용어는 다소 모호한데, "고추력"과 "고출력"의 정의가 사회의 기술 수준에 따라 크게 달라지기 때문이다. 초기 정의에 따르면 토치선은 최소 1센티지(0.098m/s²)의 지속 추력과 최소 400km/s의 델타-V를 달성할 수 있어야 했다. 현대의 울트라텍 변환 추진 토치선은 그보다 백 배에서 천 배에 달하는 가속도와 델타-V 여유분을 확보할 수 있다.

모든 토치 드라이브는 우주선 외부에서 고에너지 핵반응(지속형 또는 고속 펄스형)을 일으킨다. 생성된 플라즈마는 자기장으로 편향시켜 추력을 얻는다. 반응을 우주선 본체 외부에서 일으키기 때문에, 펄스의 중성 복사 부산물(중성자, 중성 파이온, 제동복사 X선, 감마선, 열복사)의 대부분이 우주 공간으로 빠져나간다. 덕분에 우주선 내부에 큰 열부하가 걸리지 않는다. 이 덕분에 고추력과 높은 델타-V를 동시에 갖춘 초고에너지 추진기를 구현할 수 있다.

테라젠들 사이에서 가장 널리 쓰이는 토치 드라이브는 관성 봉입 핵융합과 반물질·전환 빔 코어 방식이다. Z-핀치 핵융합, 핵염수 핵분열 같은 다른 방식들은 과거에도 사용되었으며, 현재도 일부 정치체에서 소규모로 운용되고 있다.

공통 설계 원칙

토치 드라이브는 반응 영역을 둘러싼 전류 루프를 하나 이상 사용해 자기장을 만들어낸다. 이 자기장이 드라이브 반응에서 발생하는 플라즈마와 하전 복사를 편향시킨다. 루프는 보통 초전도체로 만드는데, 일반 도체라면 자기장 생성에 필요한 대전류를 버티지 못하고 곧 녹거나 기화하기 때문이다. 필드 코일 뒤에는 초전도체 파열 시 발생하는 자석-전류 역반응을 견디기 위한 고인장 강도 지지대가 있다.

이 필드 코일들은 드라이브 반응에서 방출되는 강렬한 중성 복사로부터 보호해야 한다. 초전도체는 온도가 너무 높아지면 초전도성을 잃기 때문이다. 흔한 차폐 설계는 매우 좁은 개구각의 "V"자 단면을 가진 텅스텐 판이다. 마치 칼날처럼 생긴 이 구조에서 V의 끝은 복사원을 향하고, 필드 코일은 V의 열린 윗부분을 따라 배치된다. 텅스텐은 입사각이 매우 작을 때 X선을 잘 반사하므로, 대부분의 X선은 낮은 각도로 반사되어 필드 코일을 벗어나 우주 공간으로 빠져나간다.

중성자를 생성하는 드라이브 기술도 고려해야 한다. 대부분의 핵융합 반응과 핵분열 반응이 여기에 해당한다. 텅스텐 원자는 중성자보다 훨씬 무거워서, 텅스텐 핵과 중성자가 충돌하면 중성자는 대부분의 에너지를 그대로 간직한 채 튕겨 나간다. 평균적으로 에너지의 1%만이 텅스텐 차폐재에 전달되며, 중성자는 필드 코일로부터 멀리 산란된다. 좁은 개구각 덕분에 텅스텐 칼날은 입사 복사에 사실상 수직인 판의 역할을 한다. 그 결과 복사에 노출되는 단면적에 비해 넓은 방열 면적을 확보할 수 있다.

텅스텐의 승화율은 3000K 이상에서 문제가 된다. 따라서 차폐재는 온도가 이 값을 넘지 않도록 드라이브 반응으로부터 충분히 멀리 배치한다. 차폐재는 항상 텅스텐의 녹는점인 3695K 미만으로 유지해야 한다. 이 온도에서 텅스텐 칼날 판은 M형 항성이나 구식 백열전구 필라멘트에 맞먹는 밝기의 눈부신 황백색 빛을 방출한다. 작동 중인 토치 드라이브는 주로 텅스텐 차폐재의 열복사로 인해 눈부신 섬광처럼 보이며, 드라이브 반응 자체는 그에 비해 가시광선을 거의 방출하지 않는다. 칼날 길이 대 너비의 종횡비가 200:1이고 입사 복사의 1%를 흡수하고 나머지를 산란시키는 열차폐재라면, 90GW/m²의 입사 강도를 견딜 수 있다.

필드 코일의 크기는 두 가지 조건으로 결정된다. 텅스텐 차폐재가 승화하지 않을 만큼 충분히 낮은 온도를 유지해야 하고, 드라이브 펄스의 화구가 텅스텐 차폐재에 닿지 않아야 한다. 텅스텐 차폐재는 폭발 지점을 향해 상당히 길게 뻗어 있다. 필드 코일에서 차폐재 끝까지의 거리는 보통 코일 너비의 200배 이상이다. 따라서 필드 코일은 텅스텐 차폐재의 끝이 기화하지 않을 만큼 충분히 뒤쪽에 배치해야 한다.

자기장을 만드는 필드 코일이 여럿이라면, 한 코일의 칼날 열차폐재가 다른 코일의 열차폐재에 중성자를 산란시키고 열을 복사한다. 이는 다른 코일들의 방열 능력을 저해한다. 따라서 효율이 떨어지더라도 필드 코일을 하나만 쓰는 설계가 많다. 여러 필드 코일을 쓰는 토치 드라이브는 코일 간격을 칼날 차폐재 길이보다 훨씬 크게 잡는다.

종류

핵염수 로켓

고농축 우라늄 테트라브로마이드 용액을 사용하면, 반응실에 연료를 충분히 분사하여 임계 질량에 도달시킴으로써 지속적인 핵분열 반응을 일으킬 수 있다. 이 연료는 다소 위험하다. 누출, 막힘, 증발 모두 임계 사고로 이어질 수 있기 때문이다. 반면 반응 자체는 극도로 강력하여, 배기 속도가 광속의 약 1.6%, 즉 4,725 km/s에 달할 수 있다.

반물질, 헬륨-3, 전환 모노폴보다 연료를 쉽게 구할 수 있다는 장점도 안전과 공학상의 문제에 가려진다. 결국 이 로켓은 핵융합 엔진보다 제작이나 운용이 쉽지 않다. 핵융합 추진 시스템이 등장하기 전에 이 장치가 실제로 제작되었다는 기록은 없다. 다만 오늘날에도 일부 사회가 오락 목적이나 특수한 사회·기술적 제약 때문에 사용하는 것으로 알려져 있다.

Z-핀치

Z-핀치 로켓은 가장 오래된 실용적 토치 추진 설계 중 하나로, 행성간 시대(Interplanetary Age) 초기 인류의 확장에 크게 기여했다. 드라이버 빔으로 연료를 압축·가열하는 대신 수백만 암페어의 전류를 플라즈마 실린더에 흘려 강력한 방위각 자기장을 만들고, 이 자기장으로 플라즈마를 압축·가열한다. Z-핀치는 관성 밀폐 방식보다 플라즈마를 상당히 오래 가둘 수 있지만, 여러 불안정성 때문에 유용한 에너지를 생성하기 전에 흐트러지는 경향이 있다. 정보 시대(Information Age) 후기에 고속 플라즈마 흐름을 활용한 기술적 돌파구가 마련되면서 이 문제가 해결되었다.

D-D 또는 D-T 연료를 사용하는 고비추력(High-Isp) Z-핀치 설계는 광속의 4%, 즉 13,000 km/s에 달하는 배기 속도를 낼 수 있다. 실용적인 행성 간 여행에서는 리튬 플라즈마 외층을 전기 회로의 일부이자 핵융합 연료, 중성자 차폐재, 그리고 반응 질량으로 함께 활용하는데, 이 경우 배기 속도는 200 km/s까지 낮아진다.

Z-핀치 핵융합은 반물질이나 전환 모노폴을 이용한 "촉매화"에 특별히 적합하지 않아, 연방(Federation) 시대 이후로는 거의 사용되지 않았다. 그러나 반물질 접근이 제한적이고 무기 확산 우려로 ICF 엔진용 고출력 점화 빔 시스템의 도입이 어려운 하이테크 정치체에서는 여전히 활용된다.

관성 밀폐 핵융합(ICF)

대부분의 모도소폰트 토치 추진 장치는 관성 밀폐 방식의 변형을 구동 반응에 사용한다. 고강도 빔이 사방에서 연료 펠릿을 가격하여 표면을 플라즈마로 가열한다. 플라즈마가 폭발적으로 분출되면서 나머지 펠릿에 반력을 가해 수십~수백 배로 압축한다.

그 후 어떤 방식으로든 펠릿 내부를 가열하면 핵융합 반응이 점화된다. 이 핵융합 폭발이 추진력을 제공한다. 드라이버 빔에 필요한 에너지는 점화 메커니즘의 정교함에 따라 펄스당 에너지의 0.1%~1% 수준이다. 빔 발생장치의 폐열 처리는 주요 공학적 과제이며, 나이프-블레이드 열 차폐재보다 훨씬 낮은 온도에서 작동하는 대형 방열판이 필요하다. 일반적인 드라이버 빔으로는 가시광선, 근자외선, 진공 자외선 파장의 레이저나 중이온 빔이 사용된다. 이 설계의 특성상 토치선은 추진력을 일부 희생하면서 빔을 다른 목적으로 전용할 수 있어, 중무장 우주선이 대거 등장하는 결과로 이어졌다. 전투를 상정한 우주선은 빔을 장거리에 맞게 조정할 수 있는 경우가 많다. 레이저는 X선 대역으로, 입자빔은 차가운 상대론적 중성 수소 플라즈마 빔으로 전환하는 방식이다.

D-T 관성 밀폐 핵융합

가장 초기의 토치 추진 설계 중 하나다. 연료와 추진제는 플라스틱으로 피복된 중수소/삼중수소 얼음 펠릿이다. 점화 방식은 비교적 원시적이다. 1차 드라이버 빔의 충격 가열로 연료를 점화하는 직접 구동 방식이거나, 최대 압축 시점에 초단펄스 레이저를 연료 펠릿에 조사하는 고속 점화 방식을 사용한다. D-T 반응은 핵융합 반응 중 점화가 가장 쉬워, 이런 단순한 점화 방식으로도 작동한다. 단, 핵융합 에너지의 80%가 중성자 복사로 손실된다. 또한 삼중수소는 반감기 3억 8,800만 초의 방사성 물질이므로, D-T 연료는 장기 보관이 불가능하다.

직접 구동 ICF는 효율이 낮아, 드라이버 빔은 빔 에너지의 약 10배 수준의 펄스만 생성할 수 있다. 중성자 에너지 손실과 높은 빔 에너지 수요 때문에, 이 설계의 펄스 추진 장치는 드라이버 빔을 위한 추가 전력원이 필요한 경우가 많다. 일부 설계는 반응 구역을 용융 리튬 담요로 둘러싸 중성자 에너지를 회수하고 추가 삼중수소를 생성하기도 했다. 다만 이 리튬 담요 설계는 핵융합 챔버가 녹는 것을 막기 위해 비교적 낮은 출력으로만 운용할 수 있었다. 고속 점화 D-T ICF는 드라이버 빔 에너지의 약 100배에 달하는 구동 펄스를 낼 수 있다. 이를 통해 구동 펄스 플라즈마에서 에너지를 직접 회수해 드라이버·점화 빔에 공급하면서도 더 높은 추력을 구현할 수 있다.
연소율 10%, 노즐 효율 85% 기준으로 순수 D-T 연료는 광속의 0.9%, 즉 2,700 km/s의 배기 속도를 낸다. 그러나 내파를 구동하는 데 필요한 플라스틱 피복 때문에 실제 배기 속도는 광속의 약 0.5%, 즉 1,500 km/s 수준이다. 배기 속도는 연소율의 제곱근에 비례하므로, 연소율 1%를 달성했던 초기 설계의 배기 속도는 500 km/s까지 낮아졌다.

D-D 관성 밀폐 핵융합

D-D 설계는 매우 오래되었지만 구현 사례가 드물었고, 오늘날에는 극히 이례적이다. D-D 핵융합의 장점은 거의 모든 항성계에서 안정적으로 쉽게 구할 수 있는 연료를 사용한다는 것이다. 장거리 항행이나 연료 보급이 제한적인 상황에서 유용한 특성이다. 그러나 각 구동 펄스에서 전달되는 에너지의 대부분이 제동 복사 X선과 고속 중성자로 손실된다. 이는 우주선 추진에 매우 불리한 특성이다. 반응 에너지 자체도 D-T보다 낮아 배기 속도도 줄어든다. 또한 D-³He보다 점화가 더 어려워 매우 강력한 드라이브 빔 배열이 필요하고, 그에 따라 대형 방열판도 필요하다.

D-D 핵융합의 성능은 대체로 D-T 핵융합과 매우 비슷하다. 높은 중성자 플럭스에서 유용한 추력을 얻으려고 리튬 셸이나 탄소 삭마 노즐을 사용하면 배기 속도가 100 km/s까지 낮아질 수 있다. 따라서 이 기술로 토치선을 만들기는 상당히 어렵다.

D-³He 관성 밀폐 핵융합

고급 고속 점화 시스템을 사용하면 중수소/헬륨-3 얼음 펠릿을 기폭시킬 수 있다. 빔 에너지 대 펄스 에너지 비율이 비교적 높아 총 구동 출력이 감소하지만, 방사성 동위원소나 이국적 물질 없이도 어떤 가스 행성이나 항성에서든 추출 가능한 연료만으로 운용할 수 있다. 펄스 에너지의 약 1/20은 D-D 핵융합 부반응의 중성자로 손실되고, 1/5는 제동 복사 X선으로 방출된다. 나머지 3/4는 추진에 쓰인다.

D-³He 핵융합은 점화가 더 어렵기 때문에, 고속 점화를 사용해도 구동 펄스 에너지는 빔 에너지의 약 10배 수준에 그친다. 이 에너지는 통상 플라즈마에서 회수되므로, 추진에 남는 총 펄스 에너지는 약 절반이다.

연소율 10%, 노즐 효율 85% 기준으로 순수 D-³He는 광속의 2.5%, 즉 7,800 km/s의 배기 속도를 제공한다. 다만 피복을 고려하면 약 4,300 km/s로 낮아진다. 아래에 나열된 D-³He 핵융합을 활용하는 다른 모든 설계도 이와 유사한 배기 속도를 달성한다.

반물질 개시 마이크로핵융합(AIM)

전환 개시 마이크로핵융합 (CIM)

GUT 모노폴이 널리 보급되면 D-3He 연료의 핵융합 점화에 활용할 수 있다. 연료 덩어리는 중수소/헬륨-3 얼음 구형 플라스틱 피복체로, 내부에는 모노폴과 반모노폴이 주입된 철 핵심부가 있다. 드라이버 빔의 충격파가 철의 핵심부 전자를 이온화하면 모노폴이 철 핵 안의 핵자를 파이온과 렙톤으로 전환하기 시작한다. 이후 반응은 AIM과 유사하게 진행된다. 전환 파이온에 맞은 철 핵이 파편으로 분열하고, 뜨거운 핵 파편이 중수소/헬륨-3 연료 혼합물을 가열하는 것이다. 철 핵심부에 모노폴을 충분히 주입할 수 있어서, CIM 드라이버 빔은 드라이버 빔 펄스 에너지의 약 10,000배에 달하는 드라이브 펄스를 만들어낼 수 있다.

성능은 AIM과 동등하다.

반물질 열추진

반물질 열추진 드라이브에서는 우라늄이나 납 같은 중금속 덩어리 안에 진공 상태로 반물질을 봉입한다. 이 덩어리를 자기 노즐에 쏘아 드라이버 빔으로 압축시킨다. 드라이버 빔은 큰 압축력을 제공할 필요 없이 반물질 격납을 붕괴시키기만 하면 되므로, 드라이버 빔 펄스 에너지는 사실상 무시할 수 있는 수준이다. 이 설계에서 토치 드라이브의 출력은 오직 전자기 코일 설계에만 달려 있다. 반물질의 높은 비용 때문에 장시간 연속 추진에는 잘 쓰이지 않는다. 비추력도 낮아 장시간 추진에는 연료 효율이 나쁘기 때문이다. 대신, AIM 드라이브는 단시간 고추력 연소를 위해 반물질 열추진 펠릿을 소량 비축해 두기도 한다.

이 연료의 배기 속도는 초속 100km 미만이지만 30km/s보다는 낮지 않을 것으로 보인다. 배기 속도를 더 높이면 오히려 역효과다. 추력 대 출력비가 낮아지기 때문이다.

전환 열추진

전환 열추진 토치 드라이브는 모노폴이 주입된 철 펠릿을 연료로 쓴다. 드라이버 빔이 철을 이온화하면 모노폴이 중입자 전환을 시작한다. 뜨거운 핵 파편이 철을 더 가열하면 내부 핵심부 이온화가 증가하고, 그에 따라 전환 속도도 빨라진다. 드라이버 빔 펄스 에너지는 비교적 작아도 된다. 반물질 열추진과 마찬가지로 모노폴-철 펠릿은 비용이 높고 연료 효율도 낮아, 단시간 고가속 연소에 주로 사용된다. 성능은 반물질 열추진과 동등하다.

반물질 플라즈마 코어

반물질을 대량 비축한 문명은 플라즈마 코어 드라이브를 건조하기도 한다. 반물질로 반응 질량을 플라즈마 온도까지 가열하는 방식이다. 반응 질량으로는 주로 물이나 수소를 쓰지만, 필요하면 거의 무엇이든 쓸 수 있다. 자기 밀폐와 자기 노즐이 필요하다. 반응 자체는 매우 강렬하여 출력과 배기 속도가 ICF와 동등하거나 약간 능가하기도 한다. 그러나 반응 챔버 구조가 복잡하고 두꺼운 차폐재와 대규모 방열 설비가 필요해, 결국 드라이브 효율이 제한된다. 막대한 반물질 소모량 때문에 AM 개시 ICF에 비해 경제성이 낮다.

이 시스템은 연방 시대에도 드물었고, 지금은 극히 희귀하다. 수소를 반응 질량으로 쓸 때 최대 배기 속도는 광속의 약 2.4%인 초속 7,840km지만, 열적 한계로 실제로는 1,000km/s로 제한하는 경우가 많다. 이 속도에서는 물을 반응 질량으로 쓸 수 있다.

전환 플라즈마 코어

가 드라이브 시스템은 열 차폐 문제에서 반물질 구동 방식과 완전히 동일하다. 다만 전환 모노폴을 사용하면 훨씬 안전하고 경제적으로 운용할 수 있다. 울트라텍 사회에서는 원자재 수송처럼 저출력 고추력이 필요한 작업에 흔히 쓰인다. 성능은 위의 반물질 플라즈마 코어와 동일하다.

모노폴 메쉬 드라이브

원래는 S3급 이상 초월지성(Transapient)의 설계였으나, 선물 드라이브 형태로 여러 곳에서 입수할 수 있게 된 방식이다. 모노폴 메쉬 드라이브는 '팩맨' 드라이브라고도 불린다. 통과하는 모든 물질 핵과 반응할 만큼 촘촘하게 마그매터에 결합된 모노폴 메쉬를 사용한다. 무게는 약 8천만 kg이다. 추가적인 마그매터 차폐체가 텅스텐 '산란관' 끝부분을 보호한다. 끝부분 차폐체도 마찬가지로 8천만 kg이다. 두 마그매터 구성 요소는 20MHz로 앞뒤로 진동하며 서로 균형을 맞춘다. 가장 가까이 접근하는 순간, 맨틀이 열리고 산란관이 직경 1mm의 흑연 연료 펠릿을 맨틀 안에 삽입한다. 맨틀과 차폐체가 멀어지면서 마그매터 와이어가 맨틀을 닫아 납작하게 만들고, 마그매터 메쉬가 펠릿을 완전히 통과한다.

일반 물질의 각 핵에서 핵자 하나 이상이 전환 반응을 일으켜 뜨거운 핵 파편과 파이온 복사로 이루어진 플라즈마가 생성된다. 각 펄스는 약 8.3GJ의 에너지를 방출하고, 배기 속도 0.3c의 플라즈마를 생성하며, 50 kg·m/s의 충격량을 전달한다. 20MHz 반복률에서 총 드라이브 출력은 100PW, 추력은 1GN이다.


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