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테크노 트랜드
「우주를 비행하는 돛단배」일본 기술로 실현
추진력은 태양광압

일본이 세계적으로 자랑하는 우주비행기술이 있다. 태양광이 탐사선에 부딪힐 때 가해지는 힘을 탐사선의 자세제어 및 추진력으로 이용하는 기술이다. 우주 비행 중 수 많은 트러블에 휘말렸던 소행성 탐사선「하야부사」를 통해 고안되었다. 하야부사호의 경험을 바탕으로, 후속 비행선「하야부사 2」에서는 태양광압 우주비행기술을 성(省)에너지 자세 제어기술「솔라 세일 모드(Sola Sail Mode)」로써 적극적으로 활용해 목성의 궤도를 탐사한다는 아이디어도 제기되고 있다.

「하야부사호가 경험한 트러블을 통해 탄생한 황금알과 같은 기술이다」. 하야부사 2호의 프로젝트 매니저를 맡고 있는 우주항공 연구개발기구(JAXA) 우주과학 연구소의 쓰다(津田) 준(准)교수는 7월의 기자회견에서 솔라 세일 모드에 대해 이렇게 말했다.

하야부사2호는 2014년 12월 발사 이후, 순조롭게 비행하고 있다. 목표지점인 소행성 류구(162173 Ryugu)에는 2018년 6월에서 7월 중에 도착할 예정이다. 쓰다 준교수에 따르면, 지금까지 하야부사 2호의 2년 반 동안의 우주 비행 중, 약 9개월 간 솔라 세일 모드로 자세를 유지해왔다.

탐사선의 자세제어에는 통상적으로 엔진과 리액션 휠(Reaction Wheel)이라는 장치를 사용하지만, 솔라 세일 모드에서는 기본적으로 엔진을 사용하지 않고, 3대가 필요한 리액션 휠도 1대의 운영만으로 충분하다. 자세제어 엔진을 위한 연료 절약과 리액션 휠의 보존에 크게 공헌할 수 있는 기술이다.

빛은 전자파라고 하는 일종의 파장임과 동시에 광자(光子)라고 하는 입자이다. 빛을 받는 물체에는 광자의 충돌로 인한 힘이 작용한다. 특히 태양이 내보내는 광자로부터의 압력을 태양광압이라고 한다. 하지만 태양광압은 아주 미약해, 일상 생활에서 태양광압을 느낄 수는 없다. 그러나 태양광이 항상 내리쬐는 우주 공간을 비행하는 탐사선에게는 무시할 수 없는 힘이 된다.

지금까지는 이 힘을 탐사선의 자세나 괘도를 혼란시키는 방해물질로 인식해왔지만, 바람을 이용해 항해하는 요트와 같이, 태양광압을 잘 이용한다면 자세 제어 및 추진력으로써 이용할 수 있다.

요트의 돛에 해당하는 것이 탐사선에 날개처럼 나와있는 태양광전지 패널 등이다. 태양광전지의 방향을 태양을 향해 잘 조절해 태양광압의 균형을 맞춘다면 탐사선의 자세를 안정되게 할 수 있다. 이 방법은 기초연구만 되어 있었지만, 2006년, 사전 연습 없이 바로 실전에 투입되어 훌륭하게 실용화를 실현한 것이 하야부사호였다.

하야부사호는 소행성 이토카와(25143 Itokawa)에서 돌아오는 길에 자세제어 엔진이 멈추고, 리액션 휠도 3대 중 2대가 고장 나는 위기를 맞았다. 이때 당시의 프로젝트 매니저였던 가와구치(川口) JAXA 우주과학연구소 교수팀은 이에 대한 궁여지책의 일환으로 태양광압을 이용한 자세제어를 고안. 태양광압만으로 자세를 안정시키는데 성공, 지구로 귀환시킬 수 있었다.

솔라 세일 모드 개발에는 태양광압 기술을 자세제어와 함께 추진력에도 사용한 실험용 탐사선「이카로스」에서 얻은 정보도 큰 역할을 했다. 2010년에 금성 탐사선「아카쓰키」와 함께 발사된 이카로스호는 알루미늄 증착의 고분자 필름으로 만들어진 사방 14m의 반사막(膜)을 우주 공간에 펼쳐, 태양광압으로 탐사선을 가속시킬 수 있다는 것을 실증하는데 세계 최초로 성공했다.

하야부사호, 이카로스호에 의해「확고한 제어 이론이 구축되었다」(쓰다 준교수). 태양광압 이용 기술을 최대한 사용한 차세대 프로젝트에 대한 구상도 있다. 사방 40m의 반사막이 장착된 탐사선을 이용해 목성과 같은 궤도를 공전하는 소행성을 탐사한다는 계획이다. 반사막에는 태양광전지도 부착해 이온엔진의 전원으로 사용한다. 2020년대 전반기의 발사를 목표로 연구 개발이 추진되고 있다.

작년, 미국을 중심으로 한 민간단체가 태양계에 가장 가까운 행성에 우주선을 보내는「브레이크스루 스타샷(Breakthrough Starshot)」계획을 발표했다. 이카로스호와 같은 반사막을 가진 우주선에 태양광 대신 레이저광을 조사해 가속시키는 것이다. 일본이 키워낸 태양광압 우주비행기술은 앞으로 크게 확산될 가능성이 있다.

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