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지구에서 알파 센타우리까지…우주여행 가능하게 하는 실마리를 풀다 - 초고속 우주선의 위험과, 보호를 위한 이론 제시 2017-03-14

■ 지난해 4월 억만장자 유리 밀너와 물리학자 스티븐 호킹, 페이스북 공동설립자 마크 주커버그는 태양의 이웃 별인 알파 센타우리까지 우주선을 보내는 ‘스타샷 프로젝트’를 시작해 우주여행의 신호탄을 알렸다. 2020년을 목표로 많은 과학자들이 머리를 맞대고 있지만 아직 풀어야 할 난제가 많다.

 

■ 한국천문연구원(원장:한인우, 이하 천문연)은 우주여행 시 우주선을 보호할 수 있는 이론을 제시했다. 천문연 티엠 황(Thiem Hoang) 박사 연구팀은 최근 논문에서 광속에 비교되는 초고속 우주선의 경우 미세한 원자의 충돌도 심각한 위험이 될 수 있다고 밝히며, 우주선을 보호하기 위한 구체적인 방법을 제안했다.

 

□  우주여행을 하는 우주선의 속도는 대단히 빨라야 한다. 티엠 황 박사팀은 스타샷 프로젝트에서 제시한 광속의 20% 속도 우주선의 경우, 우주공간에 있는 마이크론(micron, 1/1000 mm) 크기의 먼지입자나 무거운 원소의 원자들도 치명적인 위협이 될 수 있다는 것을 밝혔다.

 

□  우주공간이 고(高) 진공이기는 하지만 완벽한 진공이 아니라 먼지와 가스입자 등 성간물질이 존재한다. 성간가스는 주로 수소와 헬륨이 원자로 구성됐으며, 평균 1입방cm안에 한 개의 비율로 존재한다.
   알파 센타우리까지의 수소나 헬륨 원자는 대략 1018개가량으로 계산됐으며 이 중에서 약 1.3% 정도는 수소나 헬륨 이외의 무거운 원소들이 분포돼있다. 먼지의 경우 대략 105개 정도로 추정된다.
   ※ 천문학에서는 수소와 헬륨 이외의 원소는 무거운 원소로 분류한다.

 

□  연구팀은 우선 우주선의 경로에 존재하는 각 먼지입자 또는 원자가 충돌할 경우 발생되는 에너지를 계산했다. 입자들의 충돌 에너지는 우주선 표면의 한 지점을 고온으로 빠르게 가열하며 손상시킨다. 즉, 우주선의 위험은 우주선이 너무 빨리 이동하고 있다는 사실로 인해 발생하는 에너지 때문이다. 우주선의 속도가 빠르기 때문에 우주에 떠있는 원자 또는 먼지 티끌이 상대적인 충돌체로 간주된다.

 

□  연구팀은 먼저 알파 센타우리까지의 경로에 먼지입자와 가스 원자가 어떻게 분포되어 있는가를 분석했다. 이를 토대로 이들 입자들이 우주선 표면을 얼마나 손상시킬 수 있는지를 계산했다. 그 결과, 적은 분포라도 무거운 원소의 원자의 경우 우주선 표면을 0.1mm 깊이까지 손상시킬 수 있으며 우리 눈에 보이지 않는 작은 먼지입자에도 우주선의 표면은 1mm까지 서서히 침식되어 간다는 것을 밝혔다. 매우 드물기는 하지만 15마이크론(머리카락 굵기 정도) 이상의 먼지입자가 초소형 우주선에 충돌하면 우주선 전체가 파괴될 수 있다.(그림 1)

 

□  연구결과를 바탕으로 티엠 황 박사팀은 초소형 우주선을 보호하기 위한 방법들을 제안했다. 하나는 원통형이나 직육면체 등과 같이 우주선 진행 방향의 단면을 작게 만드는 것이다. 우주선의 표면적이 작을수록 우주 먼지로부터 피해를 덜 받게 된다. 두 번째 방법은 그래핀과 같이 녹는점이 높고 강한 소재로 얇은 차폐막을 이중으로 만들어 우주선을 보호하는 것이다.(그림 2)


□  연구를 이끈 티엠 황 박사는 “이 연구는 광속으로 우주여행을 할 때 고려해야 할 사항을 천문학적인 관점으로 분석한 것”이라고 설명하며, “이러한 연구 결과가 가까운 미래 우주선을 설계하는 데 기여할 수 있기를 기대한다.”고 전했다. 본 연구는 천체물리학저널(The Astrophysical Journal) 3월 1일자에 게재됐다.


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그림 1. 초소형 우주선이 고속으로 먼지입자와 충돌했을 때 예상되는 표면의 현상.

우주선이 상대적인 속도로 먼지입자에 닿으면 충돌 지점이 가열돼 증발하고 우주선 표면이 녹아 용융물이 되며 크레이터가 생성된다.

 

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그림 2. 먼지로 인한 손상을 줄이기 위해 연구팀이 제안하는 우주선 디자인.

먼지와 충돌할 수 있는 우주선 진행 방향의 단면적을 줄일 수 있도록 설계하고, 1mm 정도 두께의 그래핀 소재로 차폐막을 만든다.

그 뒤 0.1mm 이하의 2차 차폐막은 추가 충돌을 대비할 수 있다.


 

[문의]

☎ 042-865-3343,  이론천문연구센터 Thiem Hoang 선임연구원

☎ 042-865-2005, 글로벌협력실 이서구

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