고성능 예측 모델로 우주 임무 최적화… 산업용 이온빔 기술로도 확장 기대
KAIST 연구팀이 인공지능(AI)을 활용해 인공위성 및 우주 탐사선의 핵심 추진 기술인 **홀 전기추력기(Hall thruster)**의 성능을 정밀하게 예측하는 기술을 개발했다. 이를 통해 차세대 우주 추진 시스템의 설계 효율성이 대폭 향상될 것으로 기대된다.
KAIST 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀은 2월 3일, 인공신경망을 활용한 홀추력기 성능 예측 모델을 구축했다고 발표했다. 연구팀은 이를 바탕으로 설계 단계에서부터 고효율 홀추력기를 개발할 수 있는 AI 기반 디지털트윈 모델을 구현했다. 이 기술은 올해 11월 예정된 누리호 4차 발사에서 큐브위성 K-HERO에 탑재되어 우주 환경에서 실전 검증을 진행할 예정이다.
홀추력기, 미래 우주 탐사의 핵심 기술
홀추력기는 플라즈마를 활용한 고효율 전기추진 시스템으로, 연료 소비를 줄이면서도 높은 추진력을 제공하는 장점이 있다. 이러한 특성 덕분에 스페이스X의 스타링크(Starlink) 군집위성, NASA의 사이키(Psyche) 탐사선 등 다양한 우주 임무에서 활용되고 있다.
그러나 기존 성능 예측 방식은 홀추력기 내부의 복잡한 플라즈마 현상을 완전히 반영하지 못하는 한계가 있었다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 인공지능 기법을 적용한 성능 예측 모델을 개발했다. 연구에 사용된 전산 해석 도구를 통해 생성된 18,000개 이상의 학습 데이터를 바탕으로 인공신경망 앙상블을 구축했고, 실험을 통해 평균 오차 9% 이내의 높은 정확도를 기록했다.
설계 비용 절감 및 신속한 개발 가능
KAIST 연구팀이 개발한 인공지능 기반 예측 모델은 단 몇 초 만에 추력 성능을 분석할 수 있는 것이 특징이다. 기존에는 반복적인 실험과 설계를 거쳐야 했던 홀추력기 개발이 보다 빠르고 비용 효율적인 방식으로 전환될 전망이다.
최원호 교수는 “이번 연구로 홀추력기의 성능을 정밀하게 예측하고, 우주 임무에 최적화된 맞춤형 설계를 신속하게 수행할 수 있게 됐다”며 “해당 기술은 반도체, 표면 처리, 코팅 등 다양한 산업 분야에서 활용되는 이온빔 소스 연구에도 응용될 수 있다”고 설명했다.
누리호 4차 발사로 실전 검증
KAIST는 이번 기술이 적용된 150W급 저전력 홀추력기를 실험실 창업기업인 **코스모비(주)**와 공동 개발했다. 이 추력기는 2025년 4분기 누리호 4차 발사에 탑재되어 우주 환경에서 성능 검증을 수행할 예정이다.
한편, 이번 연구 결과는 인공지능 다학제 학술지인 **’어드밴스드 인텔리전트 시스템(Advanced Intelligent Systems)’**의 2024년 12월 25일 온라인판에 게재됐으며, **저널 표지논문(front cover)**으로 선정돼 기술 혁신성을 인정받았다.
KAIST 연구팀의 성과는 차세대 우주 추진 시스템 개발에 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다. 향후 이 기술이 다양한 우주 탐사 미션뿐만 아니라, 산업 전반에 걸쳐 폭넓게 적용될 가능성이 주목된다.
