과학기술/기타

Nikkei Science_2017.5 특집 요약 (p38-41)

● 특집 : Star Shot 프로젝트
일본의 우주 돛단배「IKAROS」

7년 전에 지구로부터 발사된 우주 돛단배「이카로스: IKAROS - Interplanetary Kite craft Accelerates by Radiation of the Sun」)는 태양열 돛으로 태양광을 받아 가속하며 행성 사이의 우주 공간을 지금도 지속적으로 항해하고 있다.

[ Key concepts ]
일본이 연구 개발을 리드하다
▶ 강력한 레이저 광을 돛으로 받아 추진하는 우주 돛단배로 알파 센타우리(Alpha Centauri) 행성계 도착을 목표로 하는 구상을 발표했다.
▶ 우주 돛단배는 태양광을 돛으로 반사하여 추진력을 얻는 우주선으로, 100년 전에 이미 구상되었으며 2010년에 일본에서 발사된 세계 최초의 우주 돛단배「이카로스」의 기본기술이 실제로 증명되었다.
▶ 일본은 우주 돛단배 연구에 있어서 세계를 리드하고 있으며,「이카로스」의 항해로 쌓아 온 경험과 기술을 바탕으로 목성과 같은 궤도를 공전하는 트로이군 소행성을 탐사하는 우주 돛단배의 개발이 추진되고 있다.

태양계에서 가장 근접해 있는 알파 센타우리 행성계에 초소형 우주선「스타칩(StarChip)」의 대선단(大船團)을 보내겠다는「브레이크스루 스타샷(Breakthrough Starshot)」계획. 우주선 본체는 그 이름처럼 손가락으로 겨우 집을 수 있는 사이즈에 불가하지만, 그 칩 안에는 한 변이 4m의 정사각형 모양의 초박형 돛인「라이트세일(LightSail)」이 장착되어 있다. 돛의 한쪽 면은 반사경으로 되어 있어 지구의 기지로부터 조사(照射)되는 고강도의 레이저 광선을 받아, 그 광압(태양 복사압)을 추진력으로 이용하여 스타칩을 가속화 시킨다.

스타칩 선단은 거액의 비용이 조달됨으로써 개발도 순조롭게 추진되었기 때문에 우주에 발사되는 것은 2040년대 중반이 되지만, 그 견본이 되는 우주선이 이미 2010년에 지구를 출발하여 외계 행성 간의 우주 공간을 지금도 계속해서 빠르게 항해하고 있다. 일본의 우주항공 연구개발기구(JAXA)의 연구 그룹이 만든 우주 돛단배「이카로스」가 바로 그것이다.

이카로스는 한 변이 14m의 정사각형 돛으로 태양의 복사열을 받아 추진력을 만들어 내는 것에 비해, 스타칩은 초강력 레이저를 라이트세일로 받음으로써 광속 20%(초속 약 6만km)라는 초고속을 실현한다. 원래 스타칩은 현시점에 있어서는 실현가능성이 없는 그림의 떡과 같은 존재이지만, 이카로스는 현실의 우주에서 태양광을 돛으로 받아 매년 초속 약 100m씩 가속으로 지속적인 운항을 하고 있는 실적이 있다. 따라서 이카로스가 스타칩 기술개발의 출발점이 된다고 할 수 있다.

이카로스와 스타칩은 우주 돛단배 타입의 우주선이다. 바다 위 요트가 바람의 압력으로 나아간다면 우주 돛단배는 태양광이나 레이저광 등의 빛으로 동력을 얻는다. 이는 「로켓의 아버지」로 알려져 있는 러시아의 치올코프스키(Tsiolkovsky) 팀이 약 100년 전에 제안한 것이다.

빛은 전자파이면서 동시에 광자(빛의 입자)이기도 하기 때문에 돛(반사경)에 빛이 반사되는 것은 광자가 돛에 충돌하여 다시 되돌아오는 현상으로 이해할 수 있다. 광자는 질량이 제로지만, 운동량을 가지고 있기 때문에 광자가 빠른 속도로 돛에 부딪혀 되돌아 올 때, 일정의 운동량을 돛에 전달함으로써 돛을 밀게 된다. 다수의 광자가 물체에 가하는 힘을 ‘광압(光壓)’이라고 한다. 원리적으로는 우주 돛단배가 계속해서 빛을 받게 되면 빛의 속도에 가까운 속도를 실현할 수 있다고 한다. 그 가능성을 최대한으로 끄집어 내려고 하는 것이 바로 스타칩인 것이다.

그러나 빛에 버금가는 속도를 실현하는 스타칩이라 할지라도, 알파 센타우리 행성계(3개의 행성이 중력에 의해 연결되어 있는 3중 연성)에 도달하기 까지는 약 20년이 걸린다고 한다. 우주 돛단배가 장기간의 항해로 어떤 문제가 일어났을 때 그것에 대해 어떤 대책을 세워야 하는 지에 관한 연구는 지금부터 해야 하지만, 이미 7년 가까이 우주를 항해하고 있는 이카로스의 운용 경험이 참고가 될 수 있다. 실제로 이카로스에서는 예상 밖의 일이 항해 중에 몇 번이고 발생했으며, 그런 문제에 대처하여 다양한 경험을 축적함으로써 우주 돛단배의 “조선술(造船術)”을 직접 실현할 수 있게 되었다.

-- 우주 돛단배의 발자취 --

-- 솔라 세일(Sola-Sail)의 과정 --
우주 돛단배는 돛이 가벼우면서 면적이 클수록 많은 태양광을 받아 강력한 속도를 실현할 수 있기 때문에 돛이 접혀진 상태에서 로켓을 발사하여 궤도상에서 돛을 펼친다. 궤도상에서 돛이 잘 펼쳐지지 못하면 모든 것이 수포로 돌아가기 때문에 이카로스의 최초 및 최대의 난제가 바로 돛을 펼치는 일이었다.

돛을 펼치는 방식은 2가지. 하나는 선체로부터 지지대를 사방으로 늘려 지지대 사이로 돛을 펼치게 하는 방식이다. 돛을 전개하는 것은 쉬운 일이나, 돛을 크게 할수록 두껍고 긴 지지대가 필요해지기 때문에 중량이 늘어난다. 다른 하나는 돛에 원심력을 주게 하여 전개하는 방식이다. 돛의 가장자리의 수 곳에 추를 단 형태로 돛을 접어두었다가 궤도상에서 회전을 시키면 추에 원심력이 작용하여 추에 의해 잡아당겨지는 형태로 돛이 사방으로 펼쳐지게 된다. 지지대가 없기 때문에 가볍고 돛을 크게 만들어도 중량은 크게 변하지 않는다. 다만, 돛의 전개에는 고도의 기술을 필요로 하며, 항해 중에도 돛을 지속적으로 회전시켜 돛이 팽팽하게 당겨진 상태인지 주의해야 할 필요가 있다.

-- 항해를 통해 보인 것 --

-- 목적지는 목성 트로이군 소행성 --
이카로스는 새로운 실험을 2011년 초부터 같은 해 말에 걸쳐 시행한 후, “동면 모드”에 들어갔다. 자세 제어용 연료가 고갈되었기 때문에 이카로스에 장착되었던 태양전지가 태양 방향으로부터 벗어나게 되어 전력 공급이 불가능하게 되었고 통신이 두절된 것이다. 그러나 이카로스는 태양을 공전하고 있기 때문에 수개월 후에는 태양전지에 태양광이 닿게 되어 발전이 재개(동면에서 깨어남), 통신이 회복될 가능성이 있었다.

통신이 두절된 탐사기의 재 접속에 성공한 사례로 소행성 탐사기「하야부사」가 잘 알려져 있으나, 이카로스의 경우에는 하야부사보다 훨씬 어렵다고 보고 있었다. 동면 시기 중에도 이카로스는 태양 광압에 의해 가속이 지속되어 궤도가 바뀌기 때문에 지구에서 동면에서 깨어난 이카로스의 위치를 정확히 예측하여 지상국의 안테나를 그쪽으로 향하게 한다는 것이 쉽지 않았기 때문이다. 또한 돛의 회전축 운동 때문에 동면이 끝났다 하더라도, 어느 타이밍에 이카로스의 안테나가 지구를 향할 지를 판단하는 것이 상당히 어려웠다.

결국 이러한 고난 끝에, 2012년 9월에 이카로스를 재 포착, 통신을 회복하는데 성공했다. 이카로스라는 우주 돛단배의 특성을 충분히 파악하고 난 뒤, 처음으로 해결한 미션이었다. 그로부터 이카로스는 동면을 정기적으로 반복하며 항해를 지속하고 있으며, 앞으로도 장기간에 걸쳐 지속적으로 이카로스의 운용에 힘쓸 예정이다. 장기간의 항해로 돛의 거동이 어떻게 변했으며 돛의 열화는 어느 정도 진행되었는지 등, 우주 돛단배의 실용화에 없어서는 안될 정보를 얻을 수 있기 때문이다.

미국의 민간조직이 주도하는 브레이크스루 스타샷 계획은 뉴욕에서 많은 관심 속에 발표되었으나, 우주 돛단배의 기술 개발은 일본이 선행했으며, 이카로스로 축적해 온 경험과 노하우는 다른 어떤 나라에도 없다. JAXA연구 그룹은 목성과 같은 궤도를 공전하는 트로이군 소행성을 목적지로 하는 솔라세일 탐사기의 개발을 추진하고 있다. 한 변이 40m의 정사각형의 돛을 가지고 있으며 고효율 이온 엔진이 탑재된다. 최근 NASA도 기존의 탐사기로 목성 트로이군 소행성을 탐사한다는 루시(Lucy) 계획을 발표했으나, 소행성 가까이를 통과하면서 관측하는 단계에 머물러 있다. 한편, 일본의 솔라세일 탐사기는 소형기를 착륙시켜 탐사하여, 샘플을 지구로 가져오는 것까지 계획하고 있다.

솔라세일 탐사기의 계획이 순조롭게 진행된다면, 2020년대 초에는 발사가 가능할 것으로 예상되며, 그 11년 후에 트로이군 소행성의 샘플을 채취하여 목성 궤도로부터 지구로 돌아 올 때에는 알파 센타우리를 목표로 발사되어 항해하고 있는 스타칩 선단과 태양계의 어딘가에서 마주치는 일이 일어날 지도 모른다.

  -- 끝 --