헬륨과 수소는 항공우주 산업의 핵심 가스입니다
항공우주 산업은 지구상의 어떤 산업보다 극한의 환경과 조건에서 작동하는 고기술 분야입니다. 이 산업에서는 추진력, 냉각, 압력 조절, 재료 안정성 등 다양한 기술이 동시에 작동해야 하며, 이 과정을 안정적으로 뒷받침해주는 특수가스의 역할은 매우 중요합니다. 그중에서도 헬륨과 수소는 각각 다른 성질을 바탕으로 항공우주 분야의 핵심 기능을 담당하고 있습니다. 이 두 가스는 성질도 다르고 목적도 다르지만, 동시에 사용되며 서로를 보완하는 관계로 활용되는 경우가 많습니다.
헬륨은 반응성이 거의 없는 불활성 기체로, 극저온에서도 안정적인 상태를 유지할 수 있으며, 로켓 연료 시스템의 냉각, 압력 조절, 연료 탱크 세척 및 추출 등에 사용됩니다. 반면 수소는 에너지 밀도가 매우 높은 연료로, 연소 시 높은 온도와 강한 추진력을 생성하기 때문에, 로켓 추진체(1단·2단)의 핵심 연료로 사용됩니다. 두 가스는 이처럼 각자의 물리적 특성을 활용하여 우주선과 로켓, 위성 발사체, 탐사 장비의 운용을 돕고 있으며, 항공우주 기술의 발전과 함께 수요 역시 증가하고 있는 상황입니다.
특히 현대 우주 산업에서는 민간 기업이 대거 참여하면서, 발사 횟수가 많아지고, 반복 사용 가능한 로켓이 상용화됨에 따라 고순도 헬륨과 액화 수소의 소비량 또한 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 이에 따라 헬륨과 수소의 안정적 공급, 저장, 운송, 재활용에 대한 기술적 관심도 동시에 커지고 있으며, 이를 둘러싼 산업 경쟁도 더욱 치열해지고 있습니다.
수소는 로켓 추진의 중심 연료입니다
항공우주 산업에서 수소는 가장 에너지 효율이 높은 연료 중 하나로 사용됩니다. 액화 수소(LH₂)는 연소 시 산소와 결합하여 높은 추진력을 발생시키며, 그 부산물로 오직 물만 배출하는 특성을 가지고 있어 친환경성과 출력의 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 연료입니다. 미국 NASA는 아폴로 계획부터 현재의 아르테미스 계획까지 액화 수소를 로켓 연료로 사용해왔고, 스페이스 셔틀의 메인 엔진(SSME, Space Shuttle Main Engine)도 액화 수소를 주요 연료로 사용하였습니다.
액화 수소는 기화 시 부피가 매우 커지기 때문에, 이를 극저온 상태에서 안정적으로 보관하고 공급하는 기술이 필수적입니다. 수소는 -253℃ 이하에서 액화되며, 이를 유지하려면 매우 정교한 단열 기술과 냉각 시스템이 필요합니다. 하지만 연료의 효율성만 놓고 보면, 수소는 다른 탄화수소 기반 연료(예: 케로신)보다 월등히 뛰어난 성능을 제공합니다. 특히 최근의 우주 발사체들은 연료 효율성뿐 아니라 친환경성까지 고려하기 때문에, 수소 연료의 활용도는 앞으로 더욱 증가할 전망입니다.
현재 민간 우주 기업인 스페이스X는 케로신(RP-1) 기반 연료를 사용하지만, NASA의 SLS(우주 발사 시스템), 블루 오리진의 뉴 글렌(New Glenn), 유럽의 아리안(Ariane) 로켓 등은 액화 수소를 주요 연료로 사용하는 발사체를 개발하고 있습니다. 한국의 누리호(KSLV-II) 역시 3단 엔진에 액체 연료를 사용하며, 향후 차세대 발사체에서는 액화 수소 기반 엔진이 적용될 가능성도 충분히 존재합니다. 이처럼 수소는 단순한 연료를 넘어서, 우주탐사 기술의 지속 가능성을 담보하는 에너지 핵심 자원으로서의 위치를 점점 확고히 하고 있습니다.
헬륨은 로켓 발사의 숨은 조력자입니다
수소가 로켓의 추진을 담당한다면, 헬륨은 그 추진을 가능하게 만드는 정밀한 제어와 보조 기능을 담당하는 가스입니다. 헬륨은 자체 연소하지 않기 때문에 추진력과는 직접적인 연관이 없지만, 로켓 연료 탱크의 압력 유지, 연료 라인 세척, 극저온 냉각 시스템, 기체 누출 감지 등 다양한 기능에 필수적으로 사용됩니다. 특히 액화 수소는 압력 변화에 민감하고, 고온에서 급격히 기화되기 때문에, 이 연료의 온도와 압력을 일정하게 유지하려면 헬륨이 필요합니다.
가장 대표적인 활용 사례는 로켓 연료 탱크 내 압력 조절입니다. 로켓이 상승하면서 연료가 소비되면 탱크 내부에 공간이 생기게 되는데, 이 공간에 헬륨을 주입함으로써 내부 압력을 일정하게 유지하고 연료의 흐름이 원활하게 유지되도록 합니다. 만약 헬륨이 없거나, 압력이 급격히 변화할 경우 연료 공급이 불안정해지고, 이는 곧 로켓의 궤도 이탈이나 폭발 사고로 이어질 수 있습니다. 따라서 헬륨은 보이지 않지만 로켓 발사의 성공과 직결된 ‘보이지 않는 핵심 역할’을 담당하고 있다고 볼 수 있습니다.
또한 극저온 냉각에도 헬륨은 탁월한 성능을 보여줍니다. 헬륨은 모든 원소 중에서 가장 낮은 끓는점을 가지고 있기 때문에, 우주선 내부 장비의 온도를 낮추거나, 극저온 상태를 요구하는 고감도 센서의 냉각 용도로도 널리 사용됩니다. 특히 인공위성의 적외선 센서, 초전도 센서, 양자 센서 등은 헬륨 없이는 그 정밀성을 유지할 수 없습니다. 이런 이유로 항공우주 산업에서는 헬륨을 **'기술형 가스'**로 분류하며, 전략 물자 수준으로 다루고 있습니다.
두 가스의 차이점과 보완적 공존 구조
헬륨과 수소는 항공우주 산업에서 매우 다른 특성과 역할을 가지고 있습니다. 수소는 에너지를 직접적으로 생성하는 연료이며, 헬륨은 이 연료가 안정적으로 작동할 수 있도록 돕는 서포터 역할을 합니다. 수소는 고온 고압에서 폭발 위험이 있고, 화학적 반응성이 높기 때문에 취급에 있어 많은 위험과 기술적 제약이 존재합니다. 반면 헬륨은 불활성 기체로 폭발 가능성이 거의 없고, 고온·저온 모두에서 안정적으로 작동하기 때문에 수소가 작동하는 환경을 보조하고 안정화하는 데 최적의 조합이라고 할 수 있습니다.
두 가스는 함께 쓰일 때 그 효과가 극대화됩니다. 예를 들어, 로켓 발사 전 수소 연료 라인을 세척하거나 테스트할 때 헬륨을 먼저 주입해 라인을 정화하며, 발사 후 연료 잔류물 제거도 헬륨이 담당합니다. 즉, 헬륨은 수소가 들어가기 전과 후의 안정성을 보장해주는 조력자인 셈입니다. 항공우주 분야는 이러한 복합적인 가스 사용 기술에 있어 매우 높은 기술력을 요구하며, 이를 관리하는 가스 모듈 시스템, 자동화 제어장치, 극저온 저장기술 등은 고부가가치 산업의 핵심 분야로 자리잡고 있습니다.
다만 최근 들어 헬륨 공급이 불안정해지면서, 일부 항공우주 기업들은 헬륨의 사용량을 줄이거나, 재활용 시스템을 도입하려는 시도를 하고 있습니다. 고압 헬륨 저장탱크에서의 회수 시스템, 가스 순환 제어 시스템, 대체 불활성 가스 개발 등 다양한 노력이 병행되고 있으며, 수소 또한 연료 효율을 높이기 위한 극저온 연소 기술, 복합 연료 조합 기술 등이 연구되고 있습니다. 이처럼 두 가스는 단순히 연료 또는 보조가스가 아닌, 항공우주 기술의 정밀성과 안전성, 효율성을 결정짓는 복합적 자원으로 함께 진화하고 있는 중입니다