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솔라 세일
태양광은 풍부한 자원이다.어떤 활동이든 충분한 양의 태양광을 수집하기만 하면 필요한 에너지를 충당할 수 있다. 예를 들어, 인류 문명 전체를 완벽하게 운영하는 데 필요한 에너지는 지구 근처의 86km × 86km 면적을 통과하는 태양광만으로도 충분하다. 우주여행에 필요한 에너지도 태양광으로 해결할 수 있다. 태양광을 수확하기만 하면 태양계 어디든 갈 수 있다는 점은 매우 편리하다.
일반적으로 사용되는 방법은 태양광 발전 장치를 활용하는 것이다. 이는 태양광을 전기로 변환하여 전자기기를 직접 작동시키는 방식이다. 이러한 기술은 오랜 역사를 가지고 있으며, 1958년 발사된 뱅가드 1 위성이 최초로 태양광 패널을 장착한 사례였다. 당시 패널이 생산한 전력은 단 1와트였다. 반면, 현재 궤도에서 가장 큰 태양광 발전 시설은 국제우주정거장이며, 8개의 태양광 패널 어레이는 새것일 때 최대 240kW의 전력을 생산할 수 있었다.
미세운석과 방사선으로 인해 축적된 피해는 태양전지판을 점진적으로 교체가 필요하게 된다. 최근의 발전 중 하나는 전기 추진기의 대규모 활용이다. DART 미션에서는 NEXT-C 추진기를 3.5kW 전력 수준에서 사용했으며, SpaceX의 스타링크 위성군에는 수천 개의 홀 효과 추진기가 배치되어 있다.
하지만 태양광 패널만이 태양 에너지를 활용하는 유일한 방법은 아니다. 태양 돛은 태양광을 직접 추력으로 변환한다. 이 방식은 일반적으로 90% 이상의 효율을 가지며, 열화에도 매우 강한 내성을 보인다.
이러한 돛을 장착한 우주선은 연료 한 방울 없이 무한히 가속할 수 있다. 어떻게 이것이 가능할까? 얼마나 높은 가속도를 얻을 수 있을까? 이 기술의 한계는 어디까지일까? 다음 섹션에서 이러한 질문들을 깊이 탐구해 보겠다.
빛과 속도
태양 돛이 작동하는 방식은 매우 단순하다. 빛은 질량이 없지만 운동량은 갖고 있다. 빛이 표면에 부딫힐 때, 빛의 세기에 비례하는 복사 압력이 발생한다. 반약 표면이 반사가 잘 되는 재질이라면 복사 압력은 두 배가 된다.
복사 압력 식은 다음과 같다:
복사 압력(Pa)=빛의 세기(W/m^2) X (1 + 반사율) / 광속
지구 근처의 진공에서 태양광의 강도는 1361 W/m² 이고 반사율이 0.9인 경우, 복사 압력은 다음과 같이 계산됨:
1361 * (1 + 0.9) / 3 *10^8 = 8.0ㅌ10^-6Pa
반사되는 표면의 면적을 안다면, 복사 압력을 추력으로 변환할 수 있다:
복사 추력(N): 복사 압력(Pa) X 면적(m^2)
10m x 10m의 사각형의 태양 돛은 면적이 100m^2고 위 계산에 따르면 압력은 8.6마이크로파스칼이고, 추력은 0.86밀리뉴턴이다. 쌀알 3개 정도로 작은 추력이다.
태양돛의 질량을 안다면, 추력에서 가속력을 얻을 수 있다. 태양돛의 질량은 면적과 관련있고, 면적이 10배라면 질량도 10배가 된다. 그러므로 면적당 밀도를 사용할 수 있다:
태양 돛의 가속력(m/s^2) = 복사 추력(N) / (면적 밀도(kg/m^2) x 면적(m^2))
일반적인 오늘날의 태양 돛의 면적 밀도는 제곱미터 당 10그램(0.01kg/m^2)이다. IKAROS 태양 돛이 이 정도 수치를 갖는다. 100m^2 세일의 무게는 1kg이고 가속력은 0.86밀리뉴턴의 추력으로 계산하면 0.00086m/s^2 또는 0.086밀리 G이다. 이 돛이 1m/s를 얻기 위해서는 2분이 필요하며 0-100km/h(제로백)은 9시간이다.
위 식을 모두 합쳐 다음과 같이 쓸 수 있다.
태양 돛 가속력 = 빛의 세기 * (1 + 반사율) / (광속 * 면적 밀도)
여기서 가속력의 면적에 대한 종속이 사라짐을 확인할 수 있다. 더 거대한 태양 돛이 더 빠르게 가속하지는 않는다. 반사율을 높이는 것 또한 가속력에 큰 영향을 주지 못한다. 90% 반사율과 99.999% 반사율의 가속력 차이는 작다. 따라서 두 가지 변수: 빛의 세기와 면적 밀도가 가속력에 영향을 주는 두 요인이라 할 수 있다. 빛의 세기는 태양 표면의 64MW/m^2부터 명왕성의 0.873W/m^2까지 변할 수 있다. 따라서 가까이 갈수록 더 높은 가속력을 얻을 수 있다. 태양 쪽으로 다가가는 상황을 제외한다면. 면적 밀도만이 가속력에 영향을 주는 요인이라 할 수 있겠다.
위 예시에서 태양 돛의 가속력은 달팽이보다 4배나 느린 값을 얻었다. 이는 지구 근처에서 0.01 kg/m^2 의 태양 돛을 사용했을 때의 결과이다. 만약 페이로드를 추가한다면 가속력은 더욱 느릴 것이다.
일반적인 태양돛은 태양빛을 반사할 때, 빛이 온 방향으로 그대로 되돌려 보내거나 옆으로 흩어지게 할 수밖에 없다. 이는 우주선이 현재 궤도를 벗어나 새로운 궤도로 진입하려 할 때 문제가 된다. 궤도 속도를 증가시키려면 태양돛을 기울여 측면으로 추력을 만들어야 한다. 가장 효율적인 각도는 태양을 기준으로 35°이며, 이때 돛이 태양을 정면으로 마주보지 않기 때문에 유효 추력은 최대치의 82%로 감소한다.
이로 인해, 우주선은 가장 간단한 기동조차 몇 개월에서 몇 년이 걸릴 정도로 오랜 시간이 필요하다. 하물며, 수천 m/s의 델타V 변화가 필요한 행성 간 항로 변경은 더욱 어렵다. 현재로서는, 로켓 상단부의 보조 탑재물로 실을 수 있는 소형 탐사선에 한해 이런 방식이 받아들여지고 있다.
하지만, 더 나은 방법이 있을까?
갸벼울수록 좋다
사진: 라이트세일 2의 전개
현재 태양돛에 사용되는 소재는 알루미늄을 증착한 마일러(Mylar) 필름이며, 확장 가능한 트러스 구조로 지지된다. 이 필름의 두께는 몇 마이크로미터 수준으로 매우 얇으며, IKAROS의 경우 7.5 마이크로미터에 불과하다. 그럼에도 불구하고 90%의 태양광을 반사하는 성능을 갖추고 있다.
사진: 2 마이크로미터 두께의 aluminized pen이 말려있는 모습
가장 큰 문제는, 반사 표면을 매우 작은 부피로 접을 수 있도록 설계하고, 로켓 발사 시 발생하는 진동을 견딘 후, 우주 공간에서 안정적으로 펼쳐지면서 견고한 구조를 유지하는 것이다.
사진: 솔라 세일 전개
또한, 현재까지 개발된 태양돛은 비교적 크기가 작았기 때문에, 제어 액추에이터나 전개 메커니즘과 같은 부가 장비의 질량이 전체 질량에서 차지하는 비율이 상당히 크다. 단순히 돛의 크기를 키우는 것만으로도 면적 밀도를 개선할 수 있다. 그러나 돛 전체에 손상을 유발할 수 있는 찢어짐을 방지하거나, 돛의 가장자리가 안쪽으로 말리는 현상을 억제하는 기능도 필요하다.
면적 밀도를 개선하는 첫 번째 단계는 현재 사용되는 소재를 더 향상시키는 것이다. 예를 들어, DLR/ESA의 60m급 태양돛은 가까운 미래에 실현 가능한 목표 중 하나다. 마일러 필름의 두께를 3 마이크로미터까지 줄이면 면적 밀도는 4.2 g/m^2까지 감소할 수 있다. 여기에 알루미늄 코팅과 탄소섬유 붐의 질량을 포함해도 5.3 g/m^2 수준으로 유지할 수 있다. Encounter 태양돛은 이보다 더 큰 규모이며, 마일러 필름을 1 마이크로미터까지 얇게 제작할 경우, 전체 면적 밀도는 1.9 g/m^2까지 낮출 수 있을 것으로 예상된다.
면적 밀도를 줄이는 또 다른 방법은 고정된 지지 구조를 없애고, 돛이 본래 형태를 유지하는 새로운 방식을 도입하는 것이다. 팽창식 붐은 탄소섬유 막대보다 가벼울 수 있고, 회전형 돛은 더욱 경량화가 가능하다. 원심력을 이용해 돛을 펼치고 지속적으로 장력을 유지할 수 있기 때문이다. 이러한 방식은 원형 돛을 형성할 수 있으며, 헬리오자이로 방식도 고려할 수 있다. 헬리콥터 로터처럼 돛을 여러 개의 날개로 분리하고 각 날개를 장력으로 유지하는 구조다. 하지만, 이러한 회전형 구조는 제어가 훨씬 더 복잡해지는 단점이 있다.
사진: 헬리오자이로 세일이 헬리 혜성은 따라가는 모습
더 얇은 소재와 혁신적인 설계를 결합하면, 1 g/m^2 수준의 면적 밀도를 갖춘 태양돛을 실현할 가능성이 높아진다. 이러한 돛은 0.86 밀리 G 수준의 가속도를 제공할 수 있으며, 페이로드를 포함하면 약 0.5 밀리 G 정도로 예상된다. 이 정도 성능이면 정지궤도에서 지구 탈출 속도에 도달하는 데 약 일주일이 소요된다.
그러나, 이것보다 더 잘 할 수 있다.
마일러보다 더 나은 소재를 고려할 수 있다. 탄소섬유로 지지하는 알루미늄층을 사용하면 면적 밀도를 0.5 g/m^2 이하로 낮출 수도 있다.
궁극적으로, 지지층을 완전히 제거하고 금속 반사막만을 사용하는 방식도 상상할 수 있다. 이 반사막은 매우 얇을 수 있으며, 예를 들어 제안된 개념에서는 0.14 마이크로미터 두께까지 줄일 수 있다. 이를 통해 면적 밀도 0.33 g/m²의 태양돛을 실현할 수 있으며, 지지용 붐을 포함해도 0.45 g/m² 수준에 그친다.
여기서 나노기술이 도움이 될 수 있다.
Sub-Wavelength 메타표면(빛의 파장보다 얇은 표면)을 활용하면, 태양돛이 여전히 반사 기능을 유지하면서도 구조적으로 태양빛의 파장보다 작은 틈을 가질 수 있다. 이는 전자레인지 도어의 금속망이 2.45GHz(12.2cm) 전자파를 반사하면서도 가시광선(0.4~0.7 마이크로미터)은 통과시키는 원리와 유사하다. 태양돛 역시 같은 개념을 적용하면 대부분이 빈 공간이면서도 반사 기능을 유지할 수 있다. 태양빛 중 가장 짧은 파장은 0.4 마이크로미터이므로, 이를 고려해 4분의 1 파장 간격인 0.1 마이크로미터의 격자 구조를 만들 수 있다. 이러한 구조는 돛의 75%가 빈 공간이 되도록 설계할 수 있으며, 이를 통해 돛의 질량을 4배 더 감소시켜 면적 밀도를 0.1 g/m^2까지 낮출 수 있다.
사진: 발전된 세일 구조
이론적으로, 반사 표면을 태양광과 상호작용할 수 있는 최소한의 두께까지 줄이는 것이 가능하다. 알루미늄의 경우, 그 한계는 약 10 나노미터 정도이다 이러한 두께의 태양돛을 제작하면 면적 밀도는 0.027 g/m^2까지 감소할 수 있다. 여기에 서브-파장 간격을 적용하면, 면적 밀도를 0.01 g/m^2 수준까지 낮출 수 있다. 이는 87 밀리 G(milligee) 수준의 가속도를 가능하게 한다.
그러나, 이러한 접근법에는 여러 단점이 존재한다. 초박막 구조이기 때문에 기계적 강도가 매우 낮다. 인장 강도는 0.225 Pa 수준으로, 태양 복사 압력에는 견딜 수 있지만 기타 외부 교란에는 취약할 수 있다. 우주 환경에 대한 내구성이 크게 떨어질 수 있다. 예를 들어, 태양풍, 행성간 먼지, 방사선 등의 영향에 쉽게 손상될 가능성이 있다.
반사 대신 회절을 사용한다면 더 좋은 성능을 얻을 수 있다.
회절형 태양돛은 빛을 통과시키면서 특정 각도로 굴절시켜 반대 방향으로 반작용을 생성하는 방식을 활용한다. 만약 태양빛을 오른쪽으로 굴절시키면, 돛은 왼쪽 방향으로 반작용을 받는다. 이때, 매우 얇은 실리카 등으로 이루어진 기반의 투명한 회절 격자 또는 1 마이크로미터 간격으로 배치된 알루미늄 반사 스트립을 사용할 수 있다. 이러한 회절 격자가 어떤 방식으로 제작될 수 있는지에 대한 구체적인 연구는 많지 않지만, 일반적으로 면적 밀도 측면에서 기존 태양돛과 비교 가능한 수준으로 예상된다
사진: 회절 세일의 추력
회절형 태양돛의 가장 재밌는 특징은 광학적 특성을 조절할 수 있다는 점으로(회절 격자의 각도를 변경) 태양빛을 원하는 방향으로 재조정할 수 있으며, 이에 따라 추력 방향도 자유롭게 조절할 수 있다. 일반적인 태양돛은 태양에서 멀어지는 방향 또는 그에 대한 일정한 각도로만 가속할 수 있지만, 회절형 돛은 엔진처럼 원하는 방향으로 가속할 수 있으며, 받아들인 에너지의 90% 이상을 활용할 수 있다. 따라서, 돛은 항상 태양을 정면으로 향한 상태에서 최대 효율로 작동하면서도 측면 방향이나 태양 쪽으로도 추력을 발생시킬 수 있다. 또, 고급 제어 시스템을 적용하면 추력 조정용 스러스터나 자이로스코프를 불필요하게 만들어 추가적인 질량 절감도 가능하다.
사진: 광자 추진기 세일
또 다른 흥미로운 태양돛 구성 방식으로 광자 추진기가 있다. 이는 기본적으로 두 개의 거울을 이용하는 방식으로, 큰 수집용 거울이 태양빛을 모으고, 작은 이동식 거울이 빛을 원하는 방향으로 반사하여 추력을 발생시키는 방식이다. 이 방식의 장점은 훨씬 다양한 기동이 가능해진다는 것이고, 수집 거울이 항상 태양을 정면으로 바라볼 수 있기 때문에, 기존 태양돛처럼 각도를 조절할 때 효율이 감소하는 문제도 발생하지 않는다. 그러나, 구조가 더 복잡해지고 이동식 거울의 추가적인 무게가 증가하는 단점이 있다.
이론적으로는 더욱 실험적인 형태의 태양돛도 존재하지만, 실용적인 적용이 제한적이다.
예를 들어, 블랙 세일은 태양빛을 반사하거나 굴절시키지 않고 흡수하는 방식이다. 이러한 돛은 태양빛을 반사하지 않기 때문에 태양에서 멀어지는 방향으로만 가속할 수 있다. 위에서 소개한 방정식에서 반사율을 0으로 설정하여 확인할 수 있다. 이 방식은 태양계 외곽 탐사나 성간 임무에 적절한 시점에 활용할 수 있지만, 그 외의 용도로는 제한적이다. 그러나, 가장 얇고 강한 소재를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 대표적인 예로 탄소 나노소재를 활용할 수 있으며, 에어로그래파이트의 밀도는 0.18 kg/m^3로 매우 낮으며 두께가 1 mm이면 불투명하여 태양빛을 차단할 수 있다. 이를 이용하면 면적 밀도 0.18 g/m^2의 태양돛을 만들 수 있다. 하지만 0.1 mm까지 얇아졌을 때에도 여전히 불투명성을 유지할지는 불확실하다. (이 경우, 면적 밀도는 0.018 g/m^2로 감소) 이러한 설계를 적용하면, 0.25 m/s^2 수준의 높은 가속도를 얻을 수 있다.
사진: 3mm 넓이의 그래핀 세일 테스트
소재의 한계에서, 가장 얇은 태양돛은 단층 그래핀이다. 그래핀은 단 한 개의 원자 두께(0.345 나노미터)에 불과하며, 면적 밀도는 0.00077 g/m^2로 극도로 낮다. 그러나 순수한 그래핀은 태양빛의 2%만 흡수하고 나머지는 투과시키기 때문에, 지구 근처에서의 최대 가속도는 0.12 m/s^2로 제한된다. 이를 개선하기 위해, 몰리브덴 디설파이드(MoS₂) 층을 추가하면 태양광 흡수를 37%까지 증가시킬 수 있다. 이 경우, 그래핀/MoS₂ 이중층의 면적 밀도는 0.004 g/m²로 증가하지만, 그에 따라 가속도는 0.4 m/s²까지 상승할 수 있다.
소재의 한계를 넘어서, 면적 밀도를 더욱 낮춘 더스트 플라즈마 돛도 고려할 수 있다. 이 방식은 자기장으로 플라즈마를 가둬, 그 내부에 전하를 띤 입자를 유지하는 구조다. 이러한 입자들은 태양광을 흡수하여 추진력을 얻을 수 있다. 플라즈마 돛은 직경 수십 km 크기로 확장할 수 있으며, 내부 질량이 거의 없기 때문에 이론적으로 면적 밀도를 0.001 g/m^2 이하로 낮출 수 있다. 그러나, 더스트 플라즈마의 태양광 흡수 특성에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았기 때문에, 그로 인해 발생할 수 있는 가속도에 대한 정확한 예측은 불가능하다.
태양돛 설계
이제, 앞으로 설명할 내용을 위한 네 가지 태양돛을 설계해 보자. 이들은 점점 더 무거운 페이로드를 탑재하고, 점점 더 높은 임무 요구사항을 충족할 수 있도록 설계된 태양돛이다. 돛이 실제 항해에 필요한 장비를 탑재하는 것을 감안하여,
면적 밀도에 20%의 추가 질량을 반영한다.
특성 가속도는 태양돛이 지구 근처에서 태양광(1361 W/m^2)을 최대한 받았을 때 발생하는 가속도를 의미한다.
현대 세일
면적 밀도: 10 g/m^2
태양광 상호작용: 190%
면적: 100 m^2
돛 질량: 1.2 kg
페이로드: 1 kg
총 질량: 2.2 kg
특성 가속도: 0.00039 m/s^2
이 태양돛은 이미 우주에서 실험된 형태로, 90% 반사율 덕분에 태양광의 운동량을 거의 두 배로 증가시켜 190%의 효율을 얻는다. 수 마이크로미터 두께의 알루미늄 증착 마일러 소재로 제작되며, 10m × 10m 크기의 사각형 돛대를 이용해 지탱된다. 소형 위성 수준의 페이로드를 추진할 수 있으며, 전체 질량이 작기 때문에 가장 작은 로켓으로도 여러 개를 궤도로 발사할 수 있다.
고급 헬리오자이로 돛
면적 밀도: 2 g/m²
태양광 상호작용: 190% (반사 덕분)면적: 50,000 m²
돛 질량: 120 kg
페이로드: 100 kg
총 질량: 220 kg
특성 가속도: 0.0019 m/s²
이 태양돛은 중앙 트러스를 중심으로 회전하는 6개의 날개로 구성되어 있다. 마일러 층을 1 마이크로미터 두께로 얇게 제작하여, 현대 태양돛보다 면적 밀도가 크게 개선되었다. 50,000 m^2의 대형 돛을 갖추었지만, 여전히 Falcon 9과 같은 로켓의 정지 천이 궤도 임무에서 보조 탑재체로 실을 수 있는 수준이다.
나노필름 돛
면적 밀도: 0.1 g/m^2
태양광 상호작용: 180%
면적: 4,000,000 m^2
돛 질량: 480 kg
페이로드: 1000 kg
총 질량: 1480 kg
특성 가속도: 0.022 m/s^2
이 태양돛은 0.1 마이크로미터 두께의 반사막을 사용하며, 서브-파장 구멍을 통해 추가적인 경량화가 이루어졌다. 탄소 나노튜브 구조물이 돛을 지지하며, 2 km × 2 km 크기의 정사각형 형태로 펼쳐진다. 일부 짧은 파장 영역의 빛이 돛을 통과하기 때문에, 태양광 상호작용 효율이 180%로 약간 감소하였다. 이 크기에서는 심우주 탐사선 수준의 유용한 페이로드를 운송할 수 있지만, 초기 발사 질량이 기존 방식보다 훨씬 적다. 그러나 지구에서 직접 발사하는 것은 어려울 것으로 보인다.
회절형 메타돛
면적 밀도: 0.01 g/m^2
태양광 상호작용: 90%
면적: 2,500,000,000 m^2
돛 질량: 30,000 kg
페이로드: 10,000 kg
총 질량: 40,000 kg
특성 가속도: 0.26 m/s^2
이 태양돛은 지름 50 km에 이르는 거대한 구조다. 그러나, 질량은 오늘날의 대형 발사체로 운송 가능한 수준에 해당한다.
돛 표면은 두께 약 10 나노미터의 나노구조화된 회절 격자로 이루어져 있으며, 압전 액추에이터를 통해 능동적으로 조정된다. 이를 통해 태양광을 다양한 형태로 변형시켜 원하는 방향으로 추진력을 생성할 수 있다. 태양광을 반사하는 대신 회절만 시키기 때문에, 태양광 상호작용 효율은 90%로 제한된다. 이 크기의 돛은 행성 간 탐사를 위한 유인 우주선을 운송할 수 있는 수준이다. 그러나, 너무 연약하여 로켓에 실어 발사하는 것이 불가능하며, 전개 전까지 접어 두는 것도 어려운 구조이다. 결국, 전체 구조를 궤도에서 직접 조립해야 한다.
일단 1편 끝
디시 에디터 특성상 긴 글을 못쓰고 가독성이 나빠서 블로그 링크 별도 제공함:
https://ellipsoid.tistory.com/entry/%EC%86%94%EB%9D%BC-%EC%84%B8%EC%9D%BC%EB%A1%9C-%ED%83%9C%EC%96%91%EB%B9%9B%EC%9D%84-%ED%83%80%EA%B8%B0
회절형 메타돛 이미지 뭔가 허접한듯 하면서도 노스텔지아 느껴지네 ㅋㅋ
실제로도 무지개 색 나오긴 하겠지만 도시 사이즈 솔라 세일이 떠다니는 거 보면 신기할것같음
뭔가 솔라세일 보면 이론적으로 괜찮지만 관리 귀찮고 메커니즘 복잡하고 그럴바에 화학/핵/이온씀 ㅅㄱ 엔딩 날까봐 두렵다...
그치만 화학 빼면 다들 솔라 세일보다 복잡한걸
오오 번역추