음료수 캔이 인공위성이 된다?! 큐브샛

 

1. 큐브샛, 우주 실험실이 되다!

큐브샛은 인간이 우주에 올려 보낼 수 있는 가장 작은 인공위성을 말해요. 지난 1999년 미국 캘리포니아 공과대학교와 스탠포드대학교 연구진이 학생교육 프로젝트를 하면서 처음 만들었지요.

학생들이 인공위성을 이해하기 위해서는 직접 만들어 보는 실습이 필요했지만, 실제 크기로 만들기엔 비용이 너무 비쌌어요. 그래서 두 대학교 연구진들은 가로, 세로, 높이가 10cm인 초소형 위성을 학생들이 직접 만들어 보게 했어요. 이 초소형 위성이 지금의 '큐브샛'이랍니다.

이후 큐브샛은 우주 탐사에 필요한 기술을 검증하는 데에 쓰였어요. 진짜 위성을 쏘기 전에 위성의 배터리나 카메라 등을 큐브샛에 담아 우주로 쏘아올린 뒤, 우주 환경에서 제대로 작동하는지 확인하는 거예요. 큐브샛은 만드는 비용이 다목적 위성보다 약 1000분의 1 정도로 적게 들어요. 따라서 실험을 여러 번 하거나 도중에 실패하더라도 큰 부담이 되지 않는답니다. 최근에는 큐브샛의 역할이 더 다양해지고 있어요. 지난 2014년부터는 기술 검즈응ㄹ 위해 만들어지는 비율이 20% 정도로 줄었고, 지구 관측이나 우주 생물학 실험에 사용되고 있지요.

실제로 미국항공우주국(NASA)은 2020년 화성에서 식물을 재배하는 실험실로 큐브샛을 사용할 예정이에요. 탐사선에 큐브샛을 실어 화성에 보낸 뒤, 지구에서 챙겨간 공기와 물을 이용해 2주 동안 애기장대 씨앗을 키워 볼 예정이랍니다.

2. 50대가 넓은 지역을 동시에!

일반적으로 다목적 위성은 지구를 한 번 관측할 때마다 폭 15km 정도되는 지역을 촬영할 수 있어요. 그래서 넓은 지역을 관측하기 위해선 지구를 여러 번 지나야 하기 때문에 시간이 오래 걸린다는 단점이 있지요. 반면 큐브샛은 여러 대가 줄을 맞춰 움직이는 '군집비행'을 하면 훨씬 넓은 지역을 동시에 관측할 수 있어요. 또 다목적 위성 한 대를 만들어 운영할 때보다 비용도 적게 들지요. 따라서 최근에는 다목적 위성 대신 큐브샛 여러 대를 쏘아올려 동시에 지구를 관측하는 프로젝트가 늘고 있어요.

대표적인 예는 "QB50 프로젝트'예요. 21개국의 대학교와 연구소에서 개발한 큐브샛 50개를 우주로 쏘아 올려 지구 저고도의 이온층과 열권의 대기를 관측하는 국제공동연구 프로젝트지요. 우리나라에서는 한국과학기술원(KAIST)의 'LINK'와 서울대학교의 "SUNSAT-1', 'SUNSAT-1b'가 참여했답니다. 이중 LINK는 2019년 4월 발사되어 국제우주정거장(ISS)에 한 달 정도 머물렀다가 5월 18일쯤에 궤도에 진입했어요. 이후 1시간 만에 호주에 있는 지상국과 교신하는 데 성공했지요.

이 프로젝트에 참여한 50기 중 우주로 발사된 큐브샛은 총 35기예요. 이중 지상국과 교신이 된 건 LINK를 포함해 총 29기에 불과하답니다.

3. 추력기로 이동 거리를 높여라

최근 큐브샛은 지구 관측은 물론 다른 행성을 관측하는 영역에서도 활약하고 있어요. 달이나 화성을 탐사하는 탐사선에 실려 함께 이동한 뒤, 분리되어 나와 큐브샛만의 임무를 수행하는 거지요. 큐브샛의 임무는 점점 더 먼 우주를 향해 나아가고 있어요. 하지만 탐사선을 타거나, 닻을 펴는 방법으로는 먼 우주를 가기에 한계가 있지요. 과학자들은 이 한계를 넘어서기 위해 추력기를 쓰는 방법을 고안하고 있어요. 추력기는 현재 큐브샛이 군집비행을 할 때 주로 사용되고 있어요. 큐브샛 여러 대가 줄을 맞춰 움직이기 위해서는 큐브샛의 위치와 간격이 일정해야 하거든요. 그런데 우주 공간에서는 지구의 중력과 대기 저항력 때문에 큐브샛의 위치가 쉽게 흩어져요. 그럼 한쪽으로 몰리거나 간격이 멀어져 원하는 정보를 관측하기가 어려워요. 이때 추력기로 살짝만 힘을 주면, 반작용의 힘으로 큐브샛을 원하는 위치로 움직이게 할 수 있지요.

추력기로 큐브샛의 이동 거리를 늘릴 수도 있어요. 추력기는 크게 두 가지로 구분이 돼요. 산화제와 연료를 태워서 '팡' 하는 큰 힘을 만들어 한 번에 멀리 가는 '고출력 출력기'와 플라즈마 이온을 조금씩 내보내서 천천히 이동시키는 '저출력 추력기'가 있지요. 저출력 추력기는 같은 거리를 가더라도 고출력 추력기보다 연료를 적게 써요. 그래서 과학자들은 저출력 추력기를 사용하면 시간은 오래 걸리지만 훨씬 먼 우주까지 갈 수 있을 것으로 보고 있답니다.