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공기 희박해도 OK, 빛으로 비행하는 비행체

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공기 희박해도 OK, 빛으로 비행하는 비행체

2021.03.10 10:30
구대기의 구조는 대기의 수직 온도분포에 따라 대류권(troposphere), 성층권(stratosphere), 중간권(mesosphere) 및 열권(thermosphere) 등으로 나누어진다. 위키피디아 제공
지구대기의 구조는 대기의 수직 온도분포에 따라 대류권, 성층권, 중간권 및 열권 등으로 나누어진다. 위키피디아 제공

공기의 저항을 이용해 양력을 얻는 항공기는 성층권 하부까지만 날 수 있다. 그보다 고도가 높은 중간권 영역은 대기의 밀도가 낮아 양력을 받기 힘들기 때문이다. 대신 중간권 영역에는 강한 태양 빛이 비치고 있다. 이고르 바르가틴 미국 펜실베이니아대 응용역학 및 기계공학과 교수가 이끄는 공동연구팀은 이러한 태양에너지를 이용해 중간권을 비행할 수 있는 소형 비행체를 개발했다. 


연구팀은 에어로졸 입자가 빛을 흡수할 때 온도차에 의해 빛의 정방향 또는 반대 방향으로 이동하는 ‘광영동(photophoresis)’ 현상을 이용했다. 플라스틱 재질로 된 지름 6mm의 디스크에 0.5μm(마이크로미터·1μm는 100만분의 1m) 두께로 탄소나노튜브(CNT)를 코팅한 재료로 비행체를 제작했다. 디스크 하부에 탄소나노튜브를 코팅하면 주변 공기와의 열흡수율 차이로 광영동 효과가 발생하고, 디스크 하부의 공기가 더 빠르게 움직이며 양력이 발생해 비행체가 공중에 뜰 수 있다.  


실제로 저압 환경인 10~30파스칼(Pa) 챔버에서 발광다이오드(LED) 빛을 비추며 시험 비행을 진행한 결과, 비행체는 정상적으로 날았고 빛을 이용해 방향까지 조절할 수 있었다. 


바르가틴 교수는 “이 비행체에 센서를 부착하면 중간권의 온도와 압력, 이산화산소 수치를 조사하는 등 기후 연구에도 활용할 수 있을 것”이라고 기대했다. 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 2월 12일자에 실렸다. doi: 10.1126/sciadv.abe1127

 

중간권과 유사하게 압력을 낮춘 챔버에 스테인리스 재질의 바닥면을 설치하고 소형 비행체(흰 원)의 비행 성능을 시험했다. 바닥면에서 빛을 쏘자 비행체 하부에 광영동 효과가 발생해 비행체가 공중에 뜨거나 회전했다. 미국 펜실베니아대(Mohsen Azadi) 제공
중간권과 유사하게 압력을 낮춘 챔버에 스테인리스 재질의 바닥면을 설치하고 소형 비행체(흰 원)의 비행 성능을 시험했다. 바닥면에서 빛을 쏘자 비행체 하부에 광영동 효과가 발생해 비행체가 공중에 뜨거나 회전했다. 미국 펜실베니아대(Mohsen Azadi) 제공


 

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