오늘날 여러 우주 기관에서 태양계의 다른 물체로 빠르게 이동할 수 있는 최첨단 추진 아이디어를 조사하고 있다. 여기에는 100일(또는 45일)안에 화성까지 이동할 수 있는 NASA의 NTP/NEP(핵열 또는 핵전기 추진) 개념과 해왕성과 가장 큰 달인 트리톤을 탐사할 수 있는 중국의 원자력 우주선이 포함된다. 이러한 아이디어와 다른 아이디어는 행성 간 탐사를 허용할 수 있지만 태양계를 넘어서는 데는 몇 가지 주요 과제가 있다.

가장 가까운 별인 프록시마 센타우리(지구에서 4.25광년)에 도달하려면 19,000년에서 81,000년 사이의 재래식 추진력을 사용하는 우주선이 필요하다. 이를 위해 엔지니어들은 가벼운 돛을 빛의 속도의 일부로 가속하기 위해 지향성 에너지 빔(레이저)에 의존하는 무인 우주선에 대한 제안을 연구해 왔다. UCLA의 연구원들이 제안한 새로운 아이디어는 20년 이내에 태양계 가장자리까지 1톤 우주선을 가속할 수 있는 펠릿 빔 개념인 빔 세일 아이디어에 대한 트위스트를 구상한다.

UCLA(캘리포니아 대학교, 로스앤젤레스)의 기계 및 항공우주 공학 조교수인 Artur Davoyan이 제안한 "획기적인 우주 탐사를 위한 펠렛 빔 추진"이라는 개념이다. 이 제안은 2023년 선정의 일환으로 NIAC(NASA 혁신적인 고급 개념) 프로그램에서 선택한 14개 제안 중 하나였으며, 기술을 더욱 발전시키기 위해 총 175,000달러의 보조금을 수여했다. Davoyan의 제안은 태양 중력 렌즈를 구현하기 위한 DEP(방향성 에너지 추진) 및 라이트 세일(light sail) 기술을 사용한 최근 작업을 기반으로 한다.

Davoyan 교수가 이메일을 통해 Universe Today에 말했듯이, 우주선의 문제는 우주선이 여전히 로켓 방정식에 신세를 지고 있다는 것이다.

“현재의 모든 우주선과 로켓은 연료를 팽창시켜 비행한다. 연료를 더 빨리 버릴수록 로켓의 효율성이 높아진다. 그러나 기내에 반입할 수 있는 연료는 한정되어 있다. 결과적으로 우주선이 가속할 수 있는 속도는 제한된다. 이 근본적인 한계는 로켓 방정식에 의해 결정된다. 로켓 방정식의 한계는 상대적으로 느리고 비용이 많이 드는 우주 탐사로 이어진다. 태양 중력 렌즈와 같은 임무는 현재 우주선으로는 불가능하다.”

SGL(태양 중력 렌즈)은 역사상 가장 강력한 망원경이 될 혁신적인 제안이다. 예를 들면 2020년 NIAC Phase III 개발을 위해 선정된 Solar Gravity Lens가 있다. 이 개념은 중력 렌즈로 알려진 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 예측한 현상에 의존한다. 이 현상은 거대한 물체가 시공간 곡률을 변경하여 배경 물체의 빛을 증폭시킨다. 이 기술을 통해 천문학자들은 더 높은 해상도와 정밀도로 멀리 있는 물체를 연구할 수 있다.

천문학자들은 헬리오포즈(태양에서 ~500 AU)에 우주선을 배치함으로써 직경이 약 100km(62마일)인 주경의 해상도로 외계 행성과 먼 물체를 연구할 수 있었다. 도전 과제는 합리적인 시간 내에 우주선을 이 거리까지 도달할 수 있는 추진 시스템을 개발하는 것이다. 지금까지 성간 공간에 도달한 유일한 우주선은 1977년에 발사된 보이저 1호와 2호이며 현재 태양에서 약 159AU와 132AU 떨어져 있다.

태양계를 떠날 때 보이저 1호 탐사선은 약 17km/s(38,028mph) 또는 연간 3.6AU의 기록적인 속도로 이동하고 있었다. 그럼에도 불구하고 이 탐사선은 태양의 태양풍과 성간 매질(태양권계면) 사이의 경계에 도달하는 데 여전히 35년이 걸렸다. 현재 속도로 보이저 1호가 작은곰자리에 있는 흐릿한 별인 AC+79 3888이라는 또 다른 항성계를 통과하려면 40,000년 이상이 걸릴 것이다. 이러한 이유로 과학자들은 수십 년 안에 다른 항성계에 도달할 수 있는 가벼운 돛을 가속하기 위해 방향성 에너지(DE) 추진을 조사하고 있다.

Breakthrough Foundation이 후원하는 이니셔티브인 Project Starshot은 인류 최초의 성간 항해를 목표로 한다. 출처: breakinitiatives.org

Davoyan 교수가 설명했듯이 이 방법은 몇 가지 뚜렷한 장점이 있지만 단점도 있다.

“레이저 세일링은 기존의 우주선이나 로켓과 달리 가속을 위해 선상에 연료가 필요하지 않다. 여기서 가속은 복사압으로 우주선을 밀어내는 레이저에서 나온다. 원칙적으로 이 방법을 사용하면 광속에 가까운 속도에 도달할 수 있다. 그러나 레이저 빔은 먼 거리에서 발산하므로 우주선이 가속할 수 있는 거리 범위가 제한되어 있다. 레이저 항해의 이러한 제한으로 인해 엄청나게 높은 레이저 출력, 기가와트, 일부 제안에서는 테라와트가 필요하거나 우주선 질량에 제약이 가해진다.”

레이저 빔 개념의 예로는 성간 연구 연구소(i4is)가 100년 이내에 가까운 항성계에 도달할 수 있는 임무를 위한 타당성 조사인 Project Dragonfly가 있다. 그리고 그램 규모의 나노크래프트(Starchip)를 가속화할 100기가와트(Gw) 레이저 어레이를 제안하는 Breakthrough Starshot이 있다. 최대 속도 1억 6100만 km(1억 마일) 또는 광속의 20%로 스타샷은 약 20년 안에 알파 센타우리에 도달할 수 있다. 이러한 개념에서 영감을 얻은 Davoyan 교수와 그의 동료들은 펠릿 빔 개념이라는 새로운 아이디어를 제안한다.

이 임무 개념은 Starshot 및 Dragonfly와 같은 고속 이동 성간 선구자 임무의 역할을 할 수 있다. 그러나 그들의 목적을 위해 Davoyan과 그의 팀은 20년 이내에 ~900kg(1U.S. 톤) 페이로드를 500AU의 거리로 추진할 수 있는 펠릿 빔 시스템을 조사한다. Davoyan은 이렇게 말했다.

“우리의 경우 우주선을 밀어내는 빔은 작은 펠릿으로 만들어졌기 때문에 펠릿 빔이라고 부른다. 각 펠릿은 레이저 제거에 의해 매우 높은 속도로 가속되고 펠릿은 우주선을 밀기 위해 운동량을 전달한다. 레이저 빔과 달리 펠릿은 빠르게 발산하지 않으므로 더 무거운 우주선을 가속할 수 있다. 광자보다 훨씬 무거운 펠릿은 더 많은 운동량을 전달하고 우주선에 더 높은 힘을 전달할 수 있다.”

SGL이 태양으로부터 650 AU에 있는 이미지 평면에 투영한 대로 프록시마 센타우리 거리에 있는 시뮬레이션된 지구 이미지.  출처: Toth H. & Turyshev, S.G.

또한 펠릿의 작은 크기와 낮은 질량은 상대적으로 저전력 레이저 빔으로 추진할 수 있음을 의미한다. 전반적으로 Davoyan과 그의 동료들은 1톤 우주선이 10메가와트(Mw) 레이저 빔을 사용하여 연간 최대 30AU의 속도로 가속될 수 있다고 추정한다. 1단계 노력을 위해 다양한 하위 시스템의 세부 모델링과 개념 증명 실험을 통해 펠릿 빔 개념의 타당성을 입증할 것이다. 그들은 또한 우리 생애 동안 이웃 별을 탐사할 수 있는 성간 임무를 위한 펠릿 빔 시스템의 유용성을 탐구할 것이다.

"펠릿 빔은 멀리 떨어진 목적지로의 빠른 이동 임무를 가능하게 함으로써 깊은 우주를 탐험하는 방식을 변화시키는 것을 목표로 한다."라고 Davoyan은 말했다. “펠릿 빔을 사용하면 1년 이내에 외부 행성에 도달할 수 있고 약 3년 안에 100AU에 도달할 수 있으며 태양 중력 렌즈는 약 15년 안에 500AU에 도달할 수 있다. 중요한 것은 다른 개념과 달리 펠릿 빔은 무거운 우주선(~1톤)을 추진할 수 있어 가능한 임무의 범위를 크게 늘린다는 것이다.”

실현된다면 SGL 우주선은 천문학자들이 멀티픽셀 해상도로 인접한 외계 행성(Proxima b와 같은)을 직접 이미지화하고 대기에서 스펙트럼을 얻을 수 있게 할 것이다. 이러한 관찰은 대기, 생체 서명 및 아마도 기술 서명에 대한 직접적인 증거를 제공할 것이다. 이런 식으로 천문학자들이 외계 행성을 직접 이미지화하고 광범위하게 자세히 연구할 수 있게 해주는 동일한 기술은 성간 임무에서도 직접 외계 행성을 탐사할 수 있게 한다.

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