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[표지로 읽는 과학] 오염물질 배출·소음 없는 ‘이온 항공기’

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[표지로 읽는 과학] 오염물질 배출·소음 없는 ‘이온 항공기’

2018.11.25 09:33
네이처
네이처

국제학술지 '네이처'는 22일 표지에 아주 생소한 형태를 가진 비행기의 모습을 담았다. 속이 훤히 들여다 보이지만 비행기를 이륙시키거나 가속할 때 활용하는 프로펠러나 터빈은 보이지 않는다. 터빈을 돌리지 않고도 하늘을 날 수 있는 세계 첫 ‘이온 드라이브 항공기’다. 
 
이온 드라이브는 고출력 전극을 이용해 공기 입자를 이온화한 뒤 가속시켜 이온 바람을 생성하는 원리다. 자체적으로 이런 이온 바람을 뿜어내며 그 반동으로 앞으로 나아가는 방식이다. 터빈을 돌리기 위해 석유 등 화석연료를 쓸 필요가 없고 배터리와 공기만으로 움직이기 때문에 친환경적이다.
 
스티븐 바레트 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수팀은 이온 드라이브 항공기를 개발하고, 프로펠러나 터빈 없이 이온 바람 생성만으로 공기보다 무거운 비행기를 띄우고 추진시킬 수 있다는 사실을 실험을 통해 입증했다고 네이처 22일자에 발표했다. 

 

연구진이 개발한 이온 드라이브 항공기는 날개 폭 5m, 무게 2.45㎏인 고정익 항공기로, 500W(와트)급 배터리를 탑재했다. 연구진은 10번의 시험비행을 통해 실내에서 이 비행기를 평균 고도 0.47m 수준으로 비행시키는 데 성공했다. 

 

이온 드라이브 항공기의 이온 바람 생성 원리. - 자료: 네이처
이온 드라이브 항공기의 이온 바람 생성 원리. - 자료: 네이처

항공기에는 ‘방출기’로 불리는 가는 금속선으로 둘러싸인 부분이 있다. 여기에 전기장을 걸어 주면 자유전자들이 공기 입자들과 충돌해 더 많은 자유전자와 하전된 상태의 공기 입자를 생성한다. 이때 전기장의  방향에 따라 방출기에서는 양전하(+) 또는 음전하(-)로 하전된 공기 입자들이 방출되고, 이 입자들이 중성을 띤 외부의 공기 입자들과 충돌해 이온 바람을 일으켜 추진력을 낸다.

 

이온 드라이브 항공기는 우선 기존 항공기들보다 조용하다는 장점이 있다. 또 추진제로 대기 중 공기를 사용하는 만큼 탄소 배출이 없고, 연료를 실을 필요가 없기 때문에 규모 대비 충분히 가볍게 만들 수 있다. 복잡한 기계장치가 필요 없어 구조가 단순하고 고장이나 사고의 위험도 상대적으로 적다.

 

이온 드라이브 방식은 가깝게는 무인기에 적용할 수 있을 것으로 기대를 모은다. 바레트 교수는 "아직은 절대적인 규모나 추진력이 약하지만 추진 에너지 대비 동력의 크기는 제트엔진 같은 기존 추진 시스템과 유사한 수준으로 나타났다"며 "향후 설계 개선을 통해 대형 항공기도 충분히 구현할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

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