초박형 광선 돛: 가장 가까운 별까지 작은 우주선을 견인할 수 있으며 태양계 너머의 세계를 처음으로 볼 수 있게 된다.

1977년에 발사된 보이저 1호 탐사선은 우리 태양계를 벗어난 최초의 인공물이었다. 하지만 현재 속도로는 우리 태양계에서 가장 가까운 별계인 알파 센타우리에 도달하는 데 70,000년 이상 걸릴 것이다.

하지만 속도를 크게 높일 수 있는 추진 기술이 하나 있다. 광선 돛은 우주선 앞에 배치된 대형 반사 표면으로, 태양광이나 지구 기반 레이저의 빛을 활용하여 우주선을 지속적으로 가속할 수 있다. 이론적으로는 이를 통해 광속의 10~20% 속도를 달성할 수 있다.

하지만 이를 가능하게 할 만큼 반사성과 경량성을 겸비한 건축 자재를 만드는 것은 엄청난 과제였다. 이제 연구자들은 "신경 토폴로지 최적화"라는 AI 기술을 사용하여 나노미터 두께의 질화규소 시트를 만들어 아이디어를 실현했다.

"이 임무에는 나노기술의 기본에 도전하는 광선 돛 재료가 필요하며, 광학, 재료 과학 및 구조 공학의 혁신이 필요하다."라고 연구팀은 arXiv에 게시된 사전 인쇄본에 썼다.

"이 연구는 차세대 우주 탐사에 필수적인 혁신적이고 경제적으로 실행 가능한 광선 돛 설계를 달성하기 위한 신경 토폴로지 최적화의 잠재력을 강조한다."

연구자들의 기술은 2016년 돌파구 이니셔티브(Breakthrough Initiatives)에서 시작한 프로젝트인 돌파구 스타샷(Breakthrough Starshot)에서 영감을 받았다. Starshot은 광선 돛과 지구 기반 레이저를 사용하여 20~30년 내에 알파 센타우리에 도달하는 약 1,000대의 소형 우주선을 설계하고자 한다. 이 탐사선은 도착 시 데이터를 다시 보내기 위해 카메라와 기타 센서를 탑재한다.

필요한 속도에 도달하려면 우주선이 엄청나게 가벼워야 한다. 프로브 자체의 너비는 몇 센티미터에 불과하고 무게는 몇 그램이다. 하지만 충분한 빛을 모으려면 돛의 면적이 약 100제곱피트여야 하므로 무게를 줄이기 위해 새로운 초경량 소재가 필요하다.

유망한 방법 중 하나는 작은 구멍의 반복되는 그리드로 구성된 "광자 결정"이라는 광학 나노구조를 만드는 것이다. 재료에 수백만 또는 수십억 개의 구멍을 뚫으면 무게가 상당히 줄어들지만, 이러한 반복적인 구조는 실제로 재료의 반사율을 향상시킬 수 있는 특이한 광학 효과도 생성한다.

하지만 이러한 구멍을 정확히 어떻게 배열해야 하는지 알아내는 것은 복잡한 과정이므로 네덜란드 델프트 대학교와 미국 브라운 대학교의 그룹은 AI를 사용하여 도움을 받았다. 그들은 신경망과 보다 전통적인 계산 물리학 프로그램을 결합하여 질량을 최소화하고 반사율을 높이기 위해 구멍의 가장 최적의 구성과 모양을 찾았다.

그 결과 두께가 200나노미터 미만인 콩 모양의 구멍 격자가 만들어졌다. 예상대로 디자인이 작동하는지 보여주기 위해, 그들은 플러드 리소그래피라는 접근 방식을 사용했는데, 이는 레이저가 매우 자세한 스텐실을 사용하여 질화규소 웨이퍼에 구멍을 만드는 방식이다. 이 접근 방식을 사용하여 팀은 몇 마이크로그램에 불과한 5.5제곱인치 샘플을 만들었다.

리소그래피는 회사에서 컴퓨터 칩을 만드는 데 사용하는 기술과 동일하므로 연구자들은 이 접근 방식을 쉽게 확장할 수 있다고 생각한다. 팀은 전체 크기의 돛을 만드는 데 약 하루가 걸리고 약 2,700달러가 들 것으로 예측한다. 하지만 델프트의 팀 리더인 리차드 노르테는 뉴 사이언티스트(New Scientist)에 전담 시설을 건설해야 한다고 말했다. 칩 제조에 사용되는 시설은 길이가 약 15인치인 웨이퍼에서만 작동하기 때문이다.

리버풀 대학교의 스테파니아 솔디니는 뉴사이언티스트에 돌파구 스타샷 미션을 완성하기 위해 해결해야 할 다른 엔지니어링 과제가 아직 많이 있지만, 저렴하고 빠르게 빛돛을 생산하는 방법이 중요할 것이라고 말했다.

NASA도 이 접근 방식을 적극적으로 추진하고 있다. 지난주에 이 기관은 올해 초에 발사한 첨단 복합 태양열 돛 시스템(Advanced Composite Solar Sail System)이 처음으로 돛을 들어올릴 준비가 되었다고 발표했다.

이 프로젝트가 성공적이라면, 우리는 많은 사람들의 일생 동안 태양계 너머의 세계를 처음으로 가까이서 볼 수 있을 것이다.

이미지 출처: 이 4.5제곱인치 샘플은 작은 우주선을 다른 항성계로 견인할 수 있을 만큼 가벼운 실물 크기의 광선 돛으로 이어질 수 있다. / L. Norder, et al via arXiv