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광속 20% 초고속 우주선, 작은 먼지 입자에도 파괴 위험

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2017년 03월 15일 20:00 프린트하기

태양계에서 가장 가까운 별인 약 4.4광년 거리의 ‘알파 센타우리’에 우주선을 보내는 브레이크스루재단의 ‘스타샷(Starshot)’ 프로젝트가 제안한 태양광 우주선 개념도. - 브레이크스루재단 제공
태양계에서 가장 가까운 별인 약 4광년 거리의 ‘알파 센타우리’에 우주선을 보내는 브레이크스루재단의 ‘스타샷 프로젝트’가 제안한 돛을 단 초소형 우주선 개념도. - 브레이크스루재단 제공

태양계 밖 또 다른 별(항성)에 가기 위해서는 우주선이 광속에 준하는 빠른 속도로 이동할 수 있어야 한다. 하지만 우주선이 빨라질수록 우주 공간에 떠 있는 작은 입자에도 파괴될 위험이 커지는 것으로 나타났다.
 
● 광속 20% 초고속 우주선 걸림돌은 ‘미세 입자’
 
티엠 황 한국천문연구원 이론천문연구센터 선임연구원은 미국 하버드-스미소니언 천체물리학연구소, 매디슨 위스콘신대와 공동으로 광속의 20%인 시속 약 1억6000만㎞ 속도로 나는 우주선은 우주를 채우고 있는 ㎛(마이크로미터‧1㎛는 100만 분의 1m) 크기의 먼지 입자나 수소(H), 헬륨(He) 등 원자들에도 치명적인 위협을 받을 수 있음을 이론적으로 입증했다고 15일 밝혔다.

 

베트남 출신의 황 연구원은 우수한 젊은 연구자를 초빙하는 천문연의 ‘주니어 리서치 리더’ 프로그램을 통해 지난해 9월 천문연에 합류해 5년간의 연구에 돌입했다.
 
지난해 물리학자 스티븐 호킹과 억만장자 유리 밀너, 페이스북 공동설립자 마크 주커버그가 이끄는 브레이크스루재단은 미국항공우주국(NASA)과 함께 지구에서 가장 가까운 별인 4광년 (1광년은 약 9조4600억㎞) 거리의 ‘알파 센타우리’까지 1g 무게의 초소형 우주선 1000개를 보내는 ‘스타샷 프로젝트’를 출범했다. 알파 센타우리 주변에는 지구를 닮은 외계행성 중 지구와 가장 가까운 ‘프록시마 b’도 있다. 프록시마 b는 딱딱한 암석으로 이뤄져 있고, 액체 상태의 물이 존재할 가능성이 높은 데다 안정적인 대기권도 갖춘 것으로 알려졌다. 생명체가 살 수 있는 최소한의 조건은 모두 갖춘 셈이다.
 
스타샷 프로젝트 국제 협력 연구단은 반도체 칩 크기의 초소형 우주선 ‘스타칩’에 빛을 반사시키는 큰 돛을 달고, 지상에서 레이저를 쏘아 광자(光子)로 이 돛을 가속시키면 속도가 광속의 20% 수준에 이를 수 있다고 제안했다. 우주 공간에는 공기가 없어 우주선이 한 번 가속되면 계속해서 빠른 속도를 유지할 수 있다. 현재까지 개발된 우주선 중 가장 빠른 무인 탐사선 ‘헬리오스(Helios)’는 시간당 25만㎞를 날아갈 수 있지만, 알파 센타우리까지는 무려 1만7000년이 걸린다. 스타칩을 활용할 경우 소요 시간은 20여 년으로 줄어든다.
 
그러나 지상 레이저 개발, 장기간 구동하는 우주선 시스템과 배터리, 심(深)우주 통신 기술 등 스타샷 프로젝트가 넘어야 할 산은 아직 많이 남아 있다. 황 연구원 팀은 그 중에서도 먼지, 가스 입자 등으로 이뤄진 성간(星間)물질 사이를 고속으로 통과할 때 발생할 수 있는 문제점을 이론적 계산을 바탕으로 한 시뮬레이션을 통해 보였다.

 

초소형 우주선이 고속으로 우주 공간의 먼지 입자와 충돌했을 때 예상되는 표면의 현상. 우주선이 상대적인 속도로 먼지 입자에 충돌하면 충돌 지점이 가열돼 우주선 표면이 녹아 용융물이 되며 구덩이가 생긴다. - 한국천문연구원 제공
초소형 우주선이 고속으로 우주 공간의 먼지 입자와 충돌했을 때 예상되는 표면의 현상. 우주선이 먼지 입자에 충돌하면 충돌 지점이 가열돼 우주선 표면이 녹아 용융물이 되며 구덩이가 생긴다. - 한국천문연구원 제공

● 입자 충돌로 강철 표면 녹아…그래핀 등 탄소 소재가 파손 적어
 
지구에서 알파 센타우리까지 가는 우주선의 경로에 존재하는 입자 수는 약 1023개로 나타났다. 입자의 분포 데이터를 토대로 계산한 결과다. 연구진은 이런 공간을 광속의 20% 수준으로 통과할 경우, 강철 우주선이 얼마나 파손되는지 분석했다. 황 연구원은 “우주선이 빠르게 나아가는 만큼 상대적으로 입자가 총알처럼 우주선에 빠른 속도로 충돌하는 것으로 볼 수 있다”고 설명했다.
 
분석 결과 입자와 충돌한 우주선 표면에는 최대 지름 4㎜, 깊이 1㎜에 이르는 구덩이가 생기며 침식이 일어나는 것으로 나타났다. 1㎠의 면적 안에 최대 1000만 개의 입자가 충돌하면서 고온으로 달궈진 철강이 녹아 용융 상태가 될 것으로 예측됐다. 황 연구원은 “알파 센타우리에 도착하기 전에 이미 우주선이 기능을 할 수 없는 상태가 되는 셈”이라며 “매우 드물긴 하지만 지름이 15㎛ 이상인 먼지 입자가 초소형 우주선에 충돌하면 우주선 전체가 파괴될 수도 있다”고 설명했다.
 
반면 우주선을 그래핀 같은 탄소 소재로 가정했을 경우에는 이런 파손 효과가 낮았다. 그래핀의 녹는점이 강철보다 훨씬 높기 때문이다. 황 연구원은 “바늘 모양같은 디자인으로 스타칩 우주선의 단면적을 줄이고 그래핀 같은 탄소 소재로 이중 차폐막을 만든다면 우주선을 보호할 수 있을 것”이라며 “이번 연구 결과가 향후 초고속 우주선 소재를 개발하고 구조를 설계하는 데 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
 
연구 결과는 국제학술지 ‘천체물리학 저널’ 1일자에 게재됐다.

 

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