[과학을읽다]돛 펼친 '우주범선'‥태양광으로 우주항해

NASA, ACS3 우주범선 발사
로켓아닌 태양광이용한 추진 시험
심우주 탐사 위한 시발

우주선(宇宙船·Spaceship)은 로켓의 분사력에 의존해 지구를 벗어나 우주를 누빈다. 이런 상식을 뒤집는 방식의 우주선이 있다. 돛으로 항해하는 우주선이다. 미국 항공우주국(NASA)이 최근 로켓이 아닌 돛을 이용하는 우주범선 실험에 나섰다. 영화 속에서나 상상하던 돛으로 가는 우주선의 등장 예고에 우주 ‘덕후’들의 관심이 쏠리고 있다.

NASA의 우주범선 ACS3가 우주에서 태양광돛을 편 상상도. 사진=NASA

지난 25일 뉴질랜드 마히아 발사장에서 우주로 향한 로켓랩의 발사체 일렉트론은 한국이 개발한 초소형군집위성 1호기와 별도의 화물을 우주로 실어 날랐다. NASA가 의뢰한 ‘우주범선’ ACS3( Advanced Composite Solar Sail System)다. 이 우주선은 이름이 상징하듯 태양 빛을 이용해 항해하는 것을 실험하는 것이 주 임무다. 이번의 시도가 복합소재를 사용한 태양광 우주 돛 시스템의 첫 시도다. 이번 실험은 과거에도 있었던 태양풍을 이용한 우주선 동력 연구와는 다르다.

원리는 이렇다. 거대한 금속제 돛을 펼치고 태양 빛의 압력을 사용해 그 힘으로 전진하는 방식이다. 기존 우주선이 사용하는 로켓 추진체가 필요 없다. NASA는 미래에 이뤄질 심우주 탐사를 위해 태양 빛 추진 시스템을 연구하고 있다. 심우주 탐사를 위해서는 장기간 사용할 수 있는 저추진 추진체가 필요하다.

ACS3는 한국의 초소형군집위성 1호가 로켓에서 분리된 후 한 시간 후에 독자 행보를 시작했다. ACS3의 궤도는 지상 약 96만5606ｍ다.

ACS3는 일반적인 인공위성이 태양전지판을 펼치고 작동을 시작하는 것과 전혀 다른 모습이다. 우선 4개의 지지대를 펼쳐야 한다. 이후에 4개의 삼각형 돛을 편다. 주변에서 바라보면 커다란 사각형 형태의 돛이 만들어진다. 발사를 준비하는 과정에서 찍힌 사진에서는 ACS3가 우리의 초소형군집위성에 비해서도 크기가 작은 것이 확연히 드러나지만, 돛을 펴면 면적이 약 80㎥에 이른다. 워낙 돛이 크다 보니 지상에서도 망원경을 통해 지켜볼 수 있을 정도다. 돛 반사 물질의 재료 특성상 빛을 받으면 우주에서 가장 밝은 별인 시리우스만큼 밝아진다는 게 NASA 측의 설명이다.

ACS3의 돛을 지상에서 펴보는 작업이 진행 중이다. 사진=NASA

ACS3의 지지대와 돛은 새로운 소재로 만들어졌다. 유연한 폴리머와 카본섬유 소재로 만들어진 돛을 시험하는 것이 주 임무다. 이번 돛은 과거 실험에 비해 단단한 막대기를 사용해 지지력을 확보했다. 더 많은 태양 빛을 받아도 버틸 수 있도록 설계됐다. NASA의 랭글리 연구 센터의 임무 책임자인 키츠 윌키는 돛의 이전 설계와 비교해 더 단단하면서도 줄자처럼 구부릴 수 있다고 소개한다. 범선의 돛이 바람을 받으면 휘어지면서 배를 추진하듯이 ACS3의 돛도 태양 빛을 받아 늘어나며 추진력을 얻을 수 있다. 이 점이 과거의 돛과 차별화되는 점이다. 무거운 금속이나 복합재료를 사용하면 최근의 경향인 소형 큐브샛 위성에 활용하기가 어렵다. 돛 지지대 재료의 변화 덕에 돛을 구성할 지지대는 온도 변화에 따른 변화를 최소화하고 소형 큐브샛에도 탑재할 수 있게 됐다. ACS3의 위성부는 나노에이비오닉스가 제작했다.

ACS3 본체 제작 과정. 사진=NASA

태양광 돛은 앞으로 2개월 동안 지구궤도에서 초기 비행 실험을 거친 후 본격적으로 소형 큐브위성을 이동시키는 연습에 돌입한다. NASA는 이번 시험을 통해 확보한 자료를 이용해 더 큰 우주범선을 설계한다는 계획을 세워두고 있다. 잠재적인 목표는 농구장 크기인 500㎡ 크기의 태양 돛이다. 최종 목표는 축구장 절반 크기의 돛이다.

개발 과정에서는 적잖은 난관이 있었다고 한다. 돛을 잘 펼칠 수 있도록 해야 했고 돛을 펴면 지상국과의 교신이 어려워지는 문제도 해결해야 했다.