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광속 20%…소형 탐사선이 직면한 위험




브레이크스루 스타샷(Breakthrough Starshot) 프로젝트는 우주로 발사한 초소형 우주 탐사선을 지상에서 강력한 레이저광을 쏘여 빛의 속도 20% 수준까지 가속시켜 몇 광년 떨어진 행성에 보내려는 계획이다.

이 계획은 지구에서 4.37광년 떨어진 센타우루스자리 알파에 20년이면 도달하는 걸 목표로 하고 실현을 위한 연구를 진행 중이다. 그런데 여기에 피할 수 없는 문제가 있다는 사실이 지적되어 눈길을 끈다.

이 프로젝트는 러시아 부호인 유리 밀너가 이끌고 있으며 스티븐 호킹 박사나 마크 주커버그도 임원에 이름을 올리고 있다. 이 프로젝트의 포인트는 나노 기술을 이용한 초소형 초경량 우주선과 지상에서 우주를 향해 레이저를 쏴서 탐사선에 추진력을 부여하는 레이저빔 시설이다.

탐사선은 코어 부분 크기가 몇mm 수준, 무게도 몇 g에 불과할 만큼 작다. 무어의 법칙에 따라 진화를 거듭해온 나노 기술을 이용해 실리콘웨이퍼에 카메라와 센서, 안테나 같은 관측 장비를 구현할 계획이다. 또 핵심 격인 레이저 빛을 받는 돛도 설치한다. 돛은 두께가 원자 몇 개 수준으로 상당히 얇다.

탐사선에 추진력을 부여하는 지상 레이저빔 시설은 100GW급 전력을 이용해 강력한 레이저를 정확하게 탐사선에 쏴서 추력을 발생시킨다. 추진력을 얻은 탐사선은 몇 분 안에 원하는 속도에 도달하고 20년에 달하는 센타우루스자리 알파로 향한 여정에 나서게 된다. 한 번 발사에 이런 작은 우주선 1,000개를 발사하게 된다.

하지만 인류가 이제껏 실현할 적이 없는 초고속으로 비행, 태양계에서 벗어난 우주로 보내려는 이 계획에는 해결해야 할 문제가 있다. 무게가 몇 그램에 불과한 초소형 탐사기가 광속의 20% 수준, 그러니까 6만km/sec에 달하는 엄청난 속도로 돌진해 탐사를 하면 큰 에너지가 발생한다. 이 때 문제는 성간가스라고 불리는 우주공간에 떠도는 원자와 분자의 존재.

우주공간은 진공이지만 전혀 물질이 존재하지 않는 건 아니다. 별이 탄생하는 과정에서 남겨져 중력에 이끌리지 않았던 수소와 헬륨 경우에 따라선 산소와 철 등 원자와 분자가 아주 조금이지만 남아 있다. 고속으로 비행하는 물체가 충돌해 일반적으론 일어날 수 없는 피해가 발생할 위험이 도사리고 있는 것이다.

이 위험은 광속보다 빠른 속도로 공간을 초월하는 워프를 말할 때 문제가 될 것이라는 얘기가 많았지만 실제로는 광속의 20% 수준 속도에서도 문제가 생길 수 있다. 초고속으로 비행하는 우주선이 우주를 떠도는 성간가스에 충돌하면 충격에 의해 열이 발생한다. 열에 의해 물질이 충돌한 부분의 소재가 녹아들며 경우에 따라선 순식간에 증발해버릴 수도 있다.

소재가 증발하면 해당 부분이 파손되어 영향을 미치는 건 물론 용융이 발생할 경우에도 영향이 생긴다. 운 좋게 증발을 면해도 다시 온도가 내려 가면 응고해 소재 성질이 크게 변화, 제성능을 발휘할 수 없게 될 수도 있다.

성간가스에 의한 영향은 탐사선 표면에 0.1mm 가량 함몰을 주는 정도로 볼 수 있는데 모양 뿐 아니라 성질 변화로 인한 영향도 무시할 수 없다. 또 원자와 분자보다 큰 수준이 되면 피해를 더 커진다. 과학자 추산으로는 충돌 사태가 발생하면 1.5mm에서 10mm까지 피해가 발생할 수 있는데 직경이 0.015mm 가량 성간가스에 충돌하면 탐사선이 산산조각날 수 있다. 물론 이런 충돌 확률은 낮지만 20년에 걸친 우주 여행에서 무슨 일이 일어날지는 알 수 없다.

이런 문제를 해결하려면 몇 가지 방법을 생각해볼 수 있다. 그 중 하나는 우주선 자체의 직경을 작게 하거나 보호 재료로 전면을 덮는 방법 또는 형상 자체를 충격이 빗나가게 하는 구조 등이다. 기체 자체는 물론 추력을 받는 돛 부분까지 작아야 한다. 하지만 돛은 추진력을 낳는 중요한 구조인 데다 지구와의 통신을 위한 안테나 역할도 한다. 따라서 소형화에도 한계가 있는 것이다. 결국 기체 소형화로 충돌을 회피하는 방법에는 일정 부분 한계가 존재할 것으로 보인다.

또 충돌 사태가 발생하면 열에 의한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 기체 구조에 흑연 레이어를 추가하는 방법도 고려하고 있다. 흑연은 열을 효과적으로 분산시킬 수 있고 실리콘웨이퍼가 노출된 상태보다 열 대책에서도 유리하다.

열 문제 외에도 충돌에 의해 생기는 운동량 변화도 무시할 수 없는 포인트다. 이런 힘이 반복적으로 가해지면 탐사선 속도가 줄어 목적지까지 도달할 수 없게 될 가능성도 있다. 이렇게 인류가 시도하는 색다른 과학적 도전에는 해결해야 할 과제가 많이 남아 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.

https://www.youtube.com/watch?v=xRFXV4Z6x8s

이석원 기자  lswcap@techholic.co.kr

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