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Start Up Innovation / Science
수중 드론으로 북극 탐험
해수 온도∙얼음의 두께 등을 관측

-- 온난화의 원인 규명 위한 개발 추진 --
홋카이도의 얼음 밑을 수중 드론으로 관찰한다. 해양연구개발기구가 이와 같은 개발 프로젝트를 추진하고 있다. 지구온난화의 영향으로 홋카이도의 얼음이 녹으면서 새로운 항로 개척에 대한 기대가 높아지고 있는 가운데 이번 프로젝트는 해빙 감소 및 온난화에 대한 과학적 데이터를 수집하는 것이 목적이다. 수중 드론은 ‘하늘’에 이은 유망 시장으로 벤처기업들도 주목하고 있어 민관의 기술 개발이 활성화될 전망이다.

해양기구∙해양기반기술연구부의 이시하시(石橋) 주임연구원팀이 추진하는 이번 프로젝트의 명칭은 ‘USDA, Underwater Smart Drone for Arctic Ice’이다.

-- 실험 항해를 목표로 --
수중 드론은 2017년에 기본 설계에 착수해 지금은 상세 설계 단계에 있다. 현시점에서의 설계로는 전체 길이 8m, 높이∙폭이 60cm, 무게 235kg으로 돌고래와 비슷한 유선형. 앞으로 실물을 만들어 2020년의 실험 항해를 목표로 하고 있다.

무인 해저 탐사기는 지금까지 전세계적으로 다수 개발되면서 해저 유전 조사와 자원 탐사 등에서 활약해왔다. 무인 해저 탐사기는 모선에서 바다로 투입해 케이블이나 음파 등을 통해 조종하는 ‘ROV(원격조작기)’와 사전에 설치된 프로그램으로 항해하는 ‘AUV(자율수중기)’로 크게 나눠진다.

수중 드론에 대한 정확한 정의가 있는 것은 아니기 때문에 연구팀이 개발하고 있는 드론은 넓은 의미에서 AUV의 일종이라고 할 수 있다. 하지만 이시하시 주임연구원은 “기존의 탐사기는 무게가 수 톤에 달해 조종이 어렵다. 우리가 개발하고 있는 신형 모델은 재이용 등 효율성이 매우 높아지고 있어, 드론(소형 무인기)의 특징을 중시해 나가고 싶다”라고 말한다.

이시하시 주임연구원은 지금까지 해양기구의 탐사기 ‘우라시마(うらしま)’ 등의 개발에 참여, 독자적인 항해법∙제어 장치 개발을 담당해왔다. USDA는 이러한 실적을 살려 대폭적인 소형∙경량화를 목표로 하고 있다. 전원에는 리튬이온배터리를 탑재해 30km의 항속 거리를 계획하고 있다.

그렇다면 왜 이러한 드론이 필요한 것일까? 홋카이도는 10년 정도 전부터 세계적으로 과학자들이 가장 주목하고 있는 지역이다. 가장 큰 이유는 지구온난화의 영향에 민감해 해빙이 급속하게 진행되고 있기 때문이다.

홋카이도는 겨울에는 얼음으로 고립되고 여름 끝자락인 9월에 일부가 녹는다. 2012년에는 대규모 해빙 현상이 발생, 그 해 여름의 바다 위 얼음 면적은 관측 사상 가장 작았다. 과학자 조직인 ‘기후 변동에 관한 정부간 협의체(IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change)’는 2040~2060년에는 홋카이도의 여름 얼음 면적이 제로가 될 것으로 예측하고 있다.

바다가 얼음으로 둘러싸여 있을 경우 햇빛과 열을 반사하지만 녹아버리면 태양광이 해면에 직접 닿아 해수 온도가 상승하고 해빙 속도가 가속화된다. 이것이 해빙의 메커니즘이지만, 태양광 외에도 바람과 해류가 영향을 미칠 가능성도 있어 이에 대한 상세한 메커니즘은 밝혀지지 않고 있다.

이산화탄소 수지(Budget)를 조사하는 연구도 주목 받고 있다. 홋카이도는 지구의 바다 전체가 흡수하는 이산화탄소 가운데 약 10%를 흡수. 얼음이 녹아 대기에 닿는 해역이 확대된다면 이산화탄소의 흡수양은 늘어나겠지만 수온 상승으로 이산화탄소 흡수가 감소되는 결과를 낳는다. 수지를 정확하게 알기 위해서는 수온 등의 데이터가 꼭 필요하다.

USDA의 최대 임무는 홋카이도의 얼음 밑을 다니며 수온과 얼음의 두께 등의 데이터를 수집하는 것이다. 그 1호기는 수심 약 30m, 복수의 드론을 이용할 수 있게 된다면 수심 100m, 300m 등 서로 다른 깊이에 투입될 계획이다.

-- 기술 면에서의 과제도 있어 --
한편, 기술적인 과제도 있다. 최대 과제는 ‘미아’가 되지 않도록 하는 것. 바다 속에서는 전파가 잘 통하지 않기 때문에 무선형의 ROV는 음파를 통해 움직인다. 하지만 음파는 얼음으로 차단되어 북극에서는 이용이 불가능하다. 선택지는 자신의 위치를 측정하며 항해하는 AUV뿐이지만, 여기에도 과제가 있다. 측위에 이용되는 자이로와 가속도계는 북극 주변에서는 원리적으로 정밀도가 떨어진다.

연구팀은 이를 보완하기 위해 바다 속이나 얼음 위에 음파 및 전파를 전송하는 장치를 설치해 드론이 가까이에 있을 경우 그 위치를 알 수 있는 방법을 고안. 앞으로 유효성을 검증한다. 비용도 복수 드론을 만들 경우 1대 당 수 천만 엔이 될 것으로 예상되고 있어 비용 절감이 과제이다.

북극 연구를 강화하고 있는 곳은 일본만이 아니다. 새로운 항로가 만들어진다면 유럽과 아시아 간 거리를 30% 단축시킬 수 있어 중국과 한국, 러시아 등도 관심을 보이고 있다. 특히 중국과 한국은 전용 쇄빙선을 투입해 연구를 강화하고 있다. “일본은 북극을 탐험하는 쇄빙선이 없어 연구에 고전하고 있다”(도쿄대학의 야마구치(山口) 교수). 드론 등의 관측 수단 확충에 기대를 거는 연구자들도 많다.

민간의 기술 개발을 자극하는 효과도 기대되고 있다. 수중 드론은 해저 케이블과 양식장 설비 점검 등의 용도로도 이용될 수 있어 벤처기업인 공감지능화연구소(이바라키 현) 등이 사업화에 착수하고 있다. “벤처기업들이 활용할 수 있는 성과를 만들어내고 싶다”라고 이시바시 주임연구원은 말한다.

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