태양 에너지를 이용한 우주 여행

인공위성이 거대한 솔라 세일을 펼치고 태양계를 탐사하는 일은 머지않아 가까운 미래에 실현될 것입니다. 독일 브라운슈바이크와 브레멘 소재의 독일항공우주연구소(DLR)은 유럽항공우주국(ESA), 브라운슈바이크 기술 대학교와 연계하여 일명 Gossamer 프로젝트에 착수했습니다. 연구원들은 AICON의 3차원 좌표 측정기 MoveInspect HR로 돛대의 역할을 하는 붐(boom)의 탄성을 확인하여 태양돛 기술의 실현 가능성을 입증하려고 했습니다.  

탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 만들어진 붐은 재질의 특성상 매우 가볍고 견고합니다. 돛대는 미터당 무게 70그램 미만에 길이 2.8m부터 14m 이내의 단일 부품으로 제작되고 있으며, 직경은 30mm부터 150mm 이내로 돛대의 종류에 따라 다양합니다. 두 개의 긴 부품이 오메가(Ω) 모양의 반각으로 이루어져 있으며 말아 올려서 이동할 수 있습니다. 이러한 제작 원리를 통해 태양돛이 자동으로 펼쳐집니다.

최신 측정 시스템과 선진 항공우주기술의 만남

DLR연구소의 경량복합구조 및 적응구조 부서는 돛대는 구부리지 않으면서 돛을 팽팽하게 잡아당길 수 있는 방법을 찾기 시작했습니다. 그러나 기존에 사용되었던 측정 시스템은 복잡하고 산출된 데이터가 정확하지 않아서 적절한 해결 방법을 찾기가 어려웠습니다. 

2014년 3월, DLR은 MoveInspect HR을 도입하였습니다. MoveInspect HR은 고해상도 디지털 카메라 한 대 이상을 삼각대나 바 위에 장착하여 측정하는 시스템으로 다수의 포인트를 동시에 측정하여 전반적인 상황을 기록할 수 있습니다. 측정은 고속촬영으로 수행되어 모든 거동이 3차원 동영상으로 기록됩니다. 

견인 전동기가 장착된 시험 장치에 붐을 고정하여 측정합니다. 붐의 아래쪽에 측정 포인트들을 지정하고 두 대의 디지털 카메라는 붐이 장착된 틀 영역에 초점을 맞춥니다. 견인 전동기가 작동하면서 붐의 아래 부분을 옆으로 당깁니다. 최대변위는 0.3m부터 1.5m 이내로 돛대의 크기에 따라 달라집니다. 

MoveInspect는 컴퓨터를 통해 견인 전동기 및 다른 센서와 동기화 되기 때문에 힘, 변형, 시간을 동시에 기록할 수 있습니다. 분석 프로그램으로 자동 전송된 측정 데이터를 이용해 힘과 변형 관계를 분석하며, 측정 결과는 차트 또는 스프레드시트로 표시됩니다. 

측정을 2분 이내로 마칠 수 있어 상당한 시간 절감이 가능한 점은 레이저 기반의 측정 시스템 및 순수 접촉식 측정 시스템과는 크게 다른 강점입니다. 레이저 측정 시스템은 한 방향으로 단일 포인트만 측정할 수 있으며 여러 포인트 전체를 측정하려면 상당한 시간이 소요될 뿐만 아니라 결과 또한 부정확합니다. 반면에 MoveInspect는 다수의 포인트를 동시에 기록할 수 있으며, 단일 측정과 모든 방향에서도 정적 또는 동적으로도 정확도 및 신뢰성 있는 3차원 측정이 가능합니다. 광학식 측정 원리를 통해 큰 변위도 쉽게 측정할 수 있으며, 섬세한 구조물 측정 시 대상물에 영향을 미치는 접촉식 측정 시스템과는 달리 비접촉식 측정 원리를 통해 초경량 구조물도 월등한 정확도로 측정할 수 있습니다.

미래 지향적인 기술 – 솔라 세일

우주선 추진 방식인 솔라 세일은 기존 추진 기술의 대안으로 수십 년 동안 개발되어 왔습니다. 태양돛은 태양 광자들의 운동으로 생성되는 태양복사압을 이용한 방식으로 태양풍을 이용한 것보다 약 천 배 이상의 위력을 지녔습니다. 태양돛을 이용한 추진력은 연료가 필요 없다는 사실이 매우 큰 이점이며 이로 인해 무한대의 추진력을 얻을 수 있다는 점을 시사합니다. 

현재까지 저궤도에서의 태양돛 전개 실험과 비록 항해에는 실패했지만 독립적으로 조작할 수 있었던 태양돛 등 비유럽권 지역 두 곳에서 솔라 세일 기술의 실현 가능성을 선보였습니다. 이에 독일항공우주연구소(DLR)와 유럽항공우주국(ESA)은 초경량의 전개형 우주구조물에 관한 프로젝트를 함께 하기로 결정했습니다. 향후 수 년 동안 다양한 크기의 구조물 전개 실험을 지구 궤도에서 시험 비행하는 프로젝트로써 DLR의 초경량 전개형 항공우주구조물이 자격 요건을 갖춰 머지않아 상용화 되고 과학적 임무를 수행하게 될 것입니다.

개발 목표: 혁신적인 초경량 구조물 시스템

DLR연구소의 경량복합구조 및 적응구조 부서는 기초연구와 산업 어플리케이션 간의 격차를 좁혀 나갔습니다. 주된 업무는 적응성과 내구성이 뛰어나고 효율적으로 제조된 경량구조물을 이용한 비용 절감, 경량화, 기능 강화, 환경 호환성 및 편리성 개선입니다. 연구소는 대학교, 독일연구재단(DFG), 연구기관, 항공우주산업 관련 정부부처와 규제 당국, 관련 산업 이해당사자 등과 다양한 협력관계를 맺고 있습니다. 연구소는 안정성, 내구력, 열분석 그리고 제작가능성 여부까지 고유의 실험과 음향실험동과 같은 생산설비와 대학 소재의 DLR 공간구조연구소 및 슈타데 소재의 DLR고압멸균연구소에서 그 해결책을 찾을 수 있었습니다.

MoveInspect는 이러한 시험 설비에 완벽하게 부합되는 측정 시스템입니다. DLR의 MoveInspect 측정 담당자 Martin Zander는 다음과 같이 설명했습니다. “MoveInspect HR로 측정하여 상당한 시간 절감을 할 수 있고 새로운 연구 가능성을 발견할 수 있었습니다. 저희는 이제 단 한 번의 셋업만으로도 모든 측정 업무를 할 수 있게 되었습니다. 초기에는 레이저 시스템을 사용했지만 저희의 복잡한 측정 작업을 맞추기에는 무리였습니다. MoveInspect HR은 현재 측정 프로젝트를 완벽하게 수행하고 있으며 향후 다른 장소에서도 사용할 수 있도록 시스템을 유연하게 적용할 수 있어 매우 만족합니다.” 

 
이 자리를 빌어 아낌없는 지원과 함께 사진촬영을 허락해 주신 독일항공우주연구소에 진심으로 감사의 말씀을 드립니다.