MHD 추진 엔진 연구 개발 현황

1. MHD 추진 엔진의 원리 (Principle of MHD Propulsion Engine)

자기유체역학(Magnetohydrodynamic, MHD) 추진은 전자기학의 기본 법칙인 '플레밍의 왼손법칙'을 직접 추진에 적용한 방식이다. 이 방식은 기존 선박의 프로펠러와 같은 움직이는 부품 없이 추진력을 발생시킨다.1

 

 

작동 원리:

MHD 추진 엔진은 전도성 유체(해수, 플라즈마 등) 내부에 강력한 자기장을 발생시키는 전자석과 전류를 흘려주는 전극을 설치한다.3

 

1. 자기장(B)과 전류(I) 생성: 추진 장치에 고정된 전자석이 자기장을 형성하고, 전극을 통해 유체에 전류가 흐른다.
2. 로렌츠 힘(F) 발생: 이 자기장($B$)과 전류($I$)가 교차할 때, 플레밍의 왼손법칙에 따라 유체 속의 이온(양/음이온 모두)은 전류와 자기장의 교차 생성물인 로렌츠 힘(Lorentz force)을 받아 한 방향으로 가속된다 ($F = I \times B$).1
3. 추진력 발생: 가속된 유체의 운동량 변화가 곧 추진력을 생성하여 선체(또는 차량/우주선)를 밀어낸다.4

이 방식은 스크루 같은 외부 돌출 부위가 없어 선체를 유선형으로 설계할 수 있다는 장점이 있다.5

 

2. 기술적인 성취 및 주요 연구 사례 (Technological Achievements and Key Research Cases)

MHD 추진 기술은 특히 해양 분야에서 실증 연구가 진행되어 왔다. 가장 대표적인 성과는 일본의 초전도 시험선 '야마토-1'이다.

 

• 초기 연구: 선박의 전자추진 연구는 1961년 미국의 라이스에 의해 제창되었고, 1966년 웨스팅하우스사에서 상전도 코일을 사용한 모델선(EMS-1)으로 주행실험을 실시했다.1
• 초전도 MHD 모델: 1976년 일본 고베상선대학의 연구팀이 세계 최초로 초전도 코일을 사용한 소형 전자추진 모델(SEMD-1)로 수조시험을 진행했다.1
• 야마토-1(Yamato-1): 일본조선진흥재단의 연구 개발을 바탕으로, 미쓰비시 중공업은 1991년 전장 30m, 총 280t 규모의 세계 최초 초전도 추진 시험선 '야마토-1'을 건조하여 진수했다.1 야마토-1의 계획 속도는 8노트(knots)였으며, 당시 실험에서 약 6~8노트의 속력을 냈다.1 이는 초전도체 기술을 적용한 대형 선박 추진의 가능성을 입증한 중요한 성과이다.1

 

3. 관련 연구 개발 기관 및 회사 (Related R&D Institutions and Companies)

MHD 추진 기술은 해양 분야의 선박 추진장치뿐만 아니라 항공우주 분야의 플라즈마 추진, 극초음속 제어 기술과도 연계되어 다양한 국가의 연구소, 대학, 기업에서 연구 개발이 진행되고 있다.

 

국가	분류	기관/회사	연구 개발 분야	근거 자료
대한민국	대학	서울대학교 응용 초전도 연구실	무절연 고온 초전도 자석을 이용한 MHD 추진의 실현 가능성 시연	6
일본	기업/재단	미쓰비시 중공업, 일본조선진흥재단	세계 최초 초전도 추진선 '야마토-1' 개발	1
미국	정부/연구소	NASA (Marshall Space Flight Center), AFRL	MHD 가속기(MAPX) 및 스크램젯 통합 기술 연구, 초고속 항공기 비행 제어용 MHD 패치 기술	[7, 8, 9]
미국	대학	워싱턴 대학교(UW) 항공우주학과	플라즈마 과학, 전기/우주 추진 연구 (SPACE Lab, Flow Z-Pinch Lab 등)	[10]
미국	대학	일리노이 대학교 항공우주학과 (EPLab)	전기 추진 및 플라즈마 역학 시스템 연구	[11]
미국	대학/연구소	MIT (PSFC), 프린스턴 대학교, 컬럼비아 대학교	고온 초전도체 응용, 선박 추진용 초전도 모터, MHD 안정성 제어 기술 연구	[12, 13, 14]
미국/국제	기업	Ad Astra Rocket Company (코스타리카-미국), 캐나다 Nautel	VASIMR®(Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) 엔진 개발 및 관련 부품 생산	[15, 16]

 

4. 항공우주 분야 적용 가능성 (Aerospace Applicability)

MHD 기술은 극초음속 항공기의 성능 향상 및 우주선의 추진 시스템에 적용되어 미래 항공우주 기술의 혁신적인 대안으로 주목받는다.

 

A. 극초음속 항공기 및 흐름 제어

 

• 스크램젯 엔진 성능 향상 (MHD Bypass): 극초음속 항공기의 스크램젯(Scramjet) 엔진에 MHD 시스템을 통합하여 성능을 개선하는 'AJAX' 개념이 연구된다.14

• 원리: MHD 발전기(엔진 흡입구)와 MHD 가속기(연소기 하류)를 결합하여 흐름 엔탈피를 재분배하는 방식(MHD 바이패스)을 통해 스크램젯 추력을 증가시키고 특정 비행 조건에서 비추력(Specific Impulse)을 개선할 수 있다.8

• 항력 및 열 감소: 극초음속 비행체 주변의 공기 흐름을 자기장으로 제어하는 MHD 흐름 제어 기술은 다음과 같은 효과를 가져온다 17:

• 충격파 완화: 자기장이 흐름장을 변화시켜 충격파 이격 거리를 증가시키고 항력(Drag)을 감소시킨다.17
• 열 제어: 공기 역학적 가열을 완화하고 전반적인 온도를 낮추는 효과가 시뮬레이션에서 입증되었다.17

• 비행 제어: NASA의 MHD 패치 기술은 비행체 표면에 매립되는 단순한 전극/전자석 시스템으로, 재진입 조건과 유사한 환경에서 최대 200kN의 양력 및 항력을 생성하여 초고속 항공기/우주선의 비행 경로를 제어하는 데 사용될 수 있다.9

 

B. 우주 추진 시스템

 

• 플라즈마 추진 (Plasma Propulsion): MHD 원리를 응용한 플라즈마 추진 엔진은 높은 비추력을 제공한다.

• MPD 추진기: MPD(MagnetoPlasmaDynamic) 추진기는 2,000~7,000초의 높은 비추력과 40%에 가까운 효율을 입증하여 무인 및 유인 달/행성 임무를 위한 후보로 연구되고 있다.20
• VASIMR® 엔진: Ad Astra Rocket Company가 개발 중인 VASIMR(Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)은 고온 플라즈마를 자기 노즐을 통해 분사하는 방식으로, 화학 로켓과 기존 전기 추진 사이의 성능 간극을 메우는 것을 목표로 한다.

• 대기 호흡형 추진 (Atmosphere-breathing Propulsion): 우주 잔해물 제거 또는 위성 궤도 하강 임무에서 추진제 저장 없이 대기 이온을 활용하는 외부 MHD 전도성 추진 시스템은 저추력 추진 기술 대비 경쟁력을 가질 수 있다.21 이 시스템은 2년에서 25년 임무 기간 동안 4~20km/s의 유효 비추력(Effective Specific Impulse)을 제공할 것으로 예상된다.21
• MHD 가속기: 전자빔을 사용하여 비평형 전기 전도도를 유지함으로써 냉각된 극초음속 흐름을 가속하는 MHD 가속기 개념은 초음속 풍동 시설의 성능을 향상시키는 데 사용될 수 있다.

 

5. 기술적 난제 및 미래 전망 (Technical Challenges and Future Outlook)

MHD 추진이 실용화되기 위해서는 몇 가지 기술적 난제를 해결해야 한다.

 

• 초전도 자석의 개발: MHD 추진의 핵심은 강력한 자기장(10~20 테슬라급)을 생성하는 초전도 자석이다. 이 자석의 개발과 함께, 시스템의 경량화(선체 중량의 5% 이하) 및 누설 자장을 최소화하기 위한 자기 차폐 문제가 최우선 과제이다.19 강력한 초전도 자석의 개발은 수십 년 내에 이루어질 것으로 예측되며, 주변 장치에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.2 서울대학교에서는 무절연 고온 초전도 자석을 이용한 MHD 추진 시스템의 실현 가능성을 시연했다.6
• 전력 및 시스템 문제: 대규모 시스템의 경우 극저온 냉각, 전극 부식 문제, 그리고 막대한 전력 요구량 등의 문제가 남아 있다.2 또한, 해수 전기분해 과정에서 발생하는 산소 거품과 군사용 시 자기장 노출 위험도 해결해야 할 과제로 지적된다.1
• 항공우주 분야 난제: MHD 가속기 연구에서는 홀 효과(Hall effect), 벽면 온도 효과, 그리고 양극과 음극 사이의 전압 분배 등 여러 문제가 지속적으로 다루어져야 한다.

 

이러한 기술적 난제들이 점진적으로 해결되면, MHD 추진 기술은 잠수함 및 상업용 선박의 '꿈의 추진선' 22뿐만 아니라, 극초음속 비행 및 심우주 탐사에 이르기까지 광범위한 분야에서 활용되는 차세대 동력 장치가 될 잠재력을 가지고 있다.2

 

참고 자료

1. 야마토, 11월 2, 2025에 액세스, https://images.dongascience.com/uploads/article/pdf/199205/S199205N033.pdf
2. NASA and DARPA's Secret Propulsion Experiments Revealed - YouTube, 11월 2, 2025에 액세스, https://www.youtube.com/watch?v=OcX6EwaZeOA
3. Electric Analysis of the Maritime Application High-Frequency Magnetohydrodynamic Thruster - MDPI, 11월 2, 2025에 액세스, https://www.mdpi.com/1996-1073/16/16/6021
4. Experimental and theoretical study of magnetohydrodynamic ship models - PMC, 11월 2, 2025에 액세스, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5493298/
5. 바닷물로 가는 배, 초전도 전자 추진선! - 한겨레, 11월 2, 2025에 액세스, https://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/180306.html
6. Emerging Trends in High-Temperature Superconducting Magnet Technology and Its Applications - SNU Innovations(vol.09), 11월 2, 2025에 액세스, https://webzine-eng.snu.ac.kr/web/snu_en/vol09/inno09_2.php
7. MHD Energy Bypass Scramjet Engine - NASA Technical Reports Server (NTRS), 11월 2, 2025에 액세스, https://ntrs.nasa.gov/citations/20010048659
8. System for Flight Control of Extremely Fast (Hypersonic) Aircraft | T2 Portal, 11월 2, 2025에 액세스, https://technology.nasa.gov/patent/LAR-TOPS-363
9. High field magnets | Research - Plasma Science and Fusion Center - MIT, 11월 2, 2025에 액세스, https://www-new.psfc.mit.edu/research/topics/high-field-magnets
10. Parametric and Numerical Investigations of Scramjet with MHD Bypass - Aerospace Research Central, 11월 2, 2025에 액세스, https://arc.aiaa.org/doi/pdfplus/10.2514/6.2005-1336
11. Magnetohydrodynamic Simulations of Hypersonic Flow over a Cylinder Using Axial- and Transverse-Oriented Magnetic Dipoles - NIH, 11월 2, 2025에 액세스, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3836387/
12. Combined Energy Deposition and Magnetohydrodynamic Control for Hypersonic Drag and Heat Reduction | AIAA Journal, 11월 2, 2025에 액세스, https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/1.J064917
13. 선박용 전자유체 추진장치 현황 및 발전전망 -국방과기술 - KoreaScience, 11월 2, 2025에 액세스, https://www.koreascience.kr/article/JAKO199341548449742.page?&lang=ko
14. MPD thruster technology - NASA Technical Reports Server (NTRS), 11월 2, 2025에 액세스, https://ntrs.nasa.gov/citations/19910022848
15. External Plasma-Breathing Magnetohydrodynamic Spacecraft Propulsion - AIAA ARC, 11월 2, 2025에 액세스, https://arc.aiaa.org/doi/pdfplus/10.2514/6.2025-2038
16. 초전도 MHD 추진선 개발현황 및 전망 - 전기학회지 - KISS - 한국학술정보, 11월 2, 2025에 액세스, https://kiss.kstudy.com/DetailOa/Ar?key=53492469