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자유게시판 큰 돛을 단 우주범선, 현실이 될까
2011-01-26 10:55:41
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큰 돛을 단 우주범선, 현실이 될까 태양돛 이용한 우주비행체, 성공적 항해 기대 민족 최대의 명절 설이 다가오고 있다. ‘설날’하면 떠오르는 놀이 중 하나로 연날리기가 있다. 얇은 종이로 만든 연은 바람을 타고 실 하나에 의지해 높은 곳에서 비행한다. 신기한 점은 그다지 바람이 강하지 않은 곳에서도 연은 잘 날아다닌다는 것. 이것이 가능한 이유는 매우 얇은 종잇장으로 만들어진 구조에 있다. 가볍고 얇지만 튼튼한 한지와 대나무가 바람을 맞고 있기 때문에 미약한 바람만 있어도 계속 떠있을 수 있는 것이다. 만약 이와 같은 원리로 작동하는 비행체를 만든다면 엄청난 연료 절감 이득을 얻을 수 있다. 하지만 무거운 화물이나 사람을 태워야 하는 비행기가 바람의 힘만으로 작동하기엔 무리가 있다. 그렇다면 지구의 중력이 거의 작용하지 않는 우주공간에선 어떨까. 우주엔 공기가 없어 바람이 불지 않지만 이와 비슷한 작용을 하는 것은 있다. 바로 태양이다. 특별한 동력기관이 없던 시절 바다에 배를 띄우기 위해 돛을 사용한 것처럼 우주에도 태양돛을 사용한 비행체를 쏘아 올리는 것이다. 태양돛 비행체의 연료는 태양광의 광자 태양돛으로 우주비행을 가능하게 하는 것은 다름 아닌 태양빛이다. 태양빛을 연료를 대체해 쓸 수 있게 하는 원리는 바로 ‘복사압’이다. 복사는 대류와 전도현상과는 다르게 특별한 매개체 없이도 전자기파의 형태로 빛과 열을 전달하는 현상을 말한다. 빛은 파동의 성질도 가지고 있지만 입자의 성질도 지니고 있다. 빛의 입자는 ‘광자’라고 하며 질량은 없지만 그 존재가 입증된 빛의 알갱이다. 광자는 질량은 없지만 에너지는 가지고 있다. 지금 우리 몸에도 수많은 광자가 부딪히고 있지만 극히 미미해 느끼지 못할 뿐이다. 이 광자가 물체 표면에 부딪히면서 발생하는 압력을 발생시키는데 이처럼 전자기파나 미세입자로부터 받는 압력을 복사압이라 한다. 물론 느끼지 못할 만큼 미미하지만 저항과 중력이 거의 없는 우주공간에선 충분한 동력원이 될 수 있다. 더군다나 지극히 가벼운 태양돛을 단 비행체라면 얼마든지 이용이 가능하다. 이와 같은 원리를 사용하면 특별한 연료 공급 없이도 태양의 존재만으로 얼마든지 비행이 가능하다. 데이터를 전송하거나 신호를 보내고 방향전환을 위한 약간의 조정 등은 돛 표면에 부착된 박막형 태양전지로부터 얻을 수 있다. 밤이 된다거나 비, 구름과 같이 태양광을 방해하는 요소가 거의 없기에 계속해서 사용할 수 있다. 태양돛 비행체, 이카로스와 나노세일-D 최초로 태양돛을 사용한 우주 비행체는 일본에서 제작됐다. 작년 5월, 일본우주항공연구개발기구(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)는 가고시마현 다네가시마우주센터에서 태양돛을 사용한 비행체를 H-IIA 17호 로켓에 실어 우주공간에 성공적으로 쏘아올렸다. 이 비행체의 명칭은 ‘이카로스(IKAROS)’로 그리스 신화에서 하늘을 날다 태양의 열 때문에 떨어져 죽은 이카루스(Icarus)와 발음이 같으며 ‘태양 복사로 추진되는 연 형태의 탐사선(Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun)’이라는 의미를 가지고 있다. 이카로스는 태양돛을 이용해 복사압만으로 금성에 도달하기 위해 발사됐으며 지난 12월 지구로부터 6천851만km떨어져 있고 금성과는 약 26만km떨어진 위치를 지나고 있다고 보고됐다. 일본의 이와 같은 행보에 미항공우주국(NASA)도 움직임을 보였다. NASA가 지난 해 11월 알래스카 코디악 섬에서 발사한 FASTSAT(Fast Affordable Science and Technology Satellite)라는 과학위성엔 총 6개의 실험장치가 실렸고 그 중 태양돛을 이용한 ‘나노세일(NanoSail)-D’도 탑재돼 있었다. 지난 12월에 FASTSAT로부터 방출될 예정이었건 나노세일-D는 당시 작동오류로 실험에 실패한 듯 보였다. 하지만 한 달 뒤인 지난 1월 19일, 열려있는 문을 통해 나노세일-D가 스스로 튀어나가면서 박막 돛을 펼치는데도 성공했다. 완전하게 펼쳐진 나노세일-D의 돛은 한 변이 약 10m에 달하는 정사각형모양을 하고 있으며 특수폴리머 천으로 제작됐다. 두께는 머리카락보다 얇고 무게는 수 그램밖에 나가지 않을 정도로 가볍다. 또한 위성 전체의 질량도 4kg에 불과하다. 이카로스가 금성에의 탐사라는 목적을 가진데 비해, 나노세일-D는 최근 들어 큰 문제로 떠오르고 있는 ‘우주 쓰레기’를 해결하기 위한 실험으로 계획됐다. 현재 작동을 정지한 위성들을 포함한 약 1만2천여개의 우주쓰레기가 위성끼리의 충돌 등의 문제를 발생시킬 수 있기 때문이다. 태양돛의 항로 수정원리는? 그렇다면 머리카락보다 얇다는 천이 어떻게 항로를 결정하고 궤도를 이탈할까. 그 비밀은 태양돛의 작동원리인 복사압으로부터 찾을 수 있다. 복사압은 앞서 언급했듯 빛의 알갱이인 광자로부터 받는 압력이다. 그런데 복사압은 빛이 물체 표면에 닿아 흡수되는지 혹은 반사되는지에 따라 달라진다. 어떤 물체나 물질이 운동하다 다른 물체에 충돌했을 때, 속도나 방향등의 변화로 인해 운동의 양상이 달라지면 그 변화의 정도는 충돌한 물체에 가해지는 힘과 관계가 있다. 만약 광자가 돛에 흡수된다면 가지고 있던 운동량이 0이 돼버리는 데에 그치지만 반사돼 반대방향으로 튕겨져 나간다면 운동량은 흡수될 경우에 비해 더욱 크게 변화한다. 즉, 흡수되는 경우에 비해 반사될 때 돛에 더 큰 힘을 가해주게 되며 이것을 조절하면 원하는 방향으로 궤도수정이 가능하게 된다. 태양돛을 이용한 우주탐사는 반영구적인 탐사를 가능케 하며 우주 비행에 사용되는 연료를 절감할 수 있어 더욱 실용적인 연구 및 실험이 가능하다. 게다가 우주 쓰레기 문제 또한 해결할 수 있을 것으로 보여 주목을 받고 있다. 이카로스와 나노세일-D는 비록 목적은 다르지만 태양돛을 이용한 비행이 가능하다는 것을 확인시켜 준다는 데서 같은 의미를 갖는다. 프랑스의 저명한 소설가인 베르나르 베르베르의 소설 ‘파피용’엔 큰 돛을 단 우주선을 타고 천년이 넘는 시간 동안 우주를 항해한다는 내용이 나온다. 태양돛의 효율이 높아지고 기술이 발달한다면 소설 속의 우주 범선이 실제로 등장할지도 모른다. 조재형 객원기자 | alphard15@nate.com 저작권자 2011.01.26 ⓒ ScienceTimes 원문보기▶ click