태양광만을 동력으로 사용하는 새로운 종류의 자가 부상 장치가 지구 상층 대기의 미개척 영역에 전례 없는 접근을 제공함으로써 대기 과학에 혁명을 일으킬 태세입니다. 포토포레시스라는 미묘한 현상을 활용하는 이 경량 멤브레인 장치는 준진공 상태에서 비행하는 데 성공하여 기후 모델링, 우주 기상 예측 및 대기 구성 이해에 필수적인 데이터 수집을 위한 새로운 길을 열었습니다.
- 태양광을 이용한 혁신적인 자가 부상 기술입니다.
- 포토포레시스 현상을 핵심 작동 원리로 활용합니다.
- 지구 상층 대기의 미탐사 영역인 ‘이그노로스피어’ 접근이 가능합니다.
- 기후 모델링, 우주 기상 예측 등 대기 과학 발전에 기여합니다.
- 준진공 환경에서의 비행 능력을 성공적으로 입증했습니다.
포토포레시스: 기술의 작동 원리 및 검증
이 혁신적인 장치의 작동 원리는 포토포레시스(Photophoresis)입니다. 이는 얇은 물질의 양면에 온도 차이가 발생하여 움직임이 유발되는 물리적 현상입니다. 산화알루미늄과 크롬 층으로 구성된 멤브레인의 한쪽 면이 빛을 흡수하여 따뜻해지면, 해당 표면에 충돌하는 기체 분자들이 더 큰 에너지로 반발하게 되어 미묘한 상향 추진력이 발생합니다. 이 효과는 미약하지만, 극도로 낮은 압력 환경에서는 의미 있는 수준이 되며, 이는 우주 경계에서 발견되는 조건과 유사합니다.
최근 실험 및 기술 검증
8월 13일 ‘네이처(Nature)’ 학술지에 게재된 논문에 자세히 설명된 최근 실험을 통해 이 기술의 실현 가능성이 입증되었습니다. 연구진은 진공 챔버 내에서 자연 태양광의 약 55% 강도의 빛에 노출했을 때, 0.4인치(1센티미터) 너비의 작은 조각들을 성공적으로 띄웠습니다. 주 저자이자 하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용과학 대학(SEAS)의 연구원인 벤 셰이퍼(Ben Schafer)는 Space.com과의 인터뷰에서 이 결과가 상층 대기 조건에서 기술의 효율성을 입증한다는 점에서 중요하다고 강조했습니다.
‘이그노로스피어’ 탐사의 중요성
이 장치들은 특히 약 30~100마일(50~160킬로미터) 고도에 걸쳐 중간권과 하부 열권을 포함하는 중요한 대기층인 ‘이그노로스피어(ignorosphere)’를 탐사하도록 설계되었습니다. 이 지역은 기존 항공기로는 너무 높고 저궤도 위성에 탑재된 장비로는 너무 낮아서 대부분 탐사되지 않은 채 남아 있습니다. 이그노로스피어는 지구의 가스 외피와 외우주 사이의 경계 역할을 하며, 코로나 질량 방출과 같은 태양 활동으로부터 에너지를 가장 먼저 받는 곳입니다. 오로라 현상과 전력망 및 위성 궤도를 교란할 수 있는 지자기 폭풍으로 이어지는 에너지 교환과 같은 현상이 이 구역 내에서 발생합니다. 또한, 위성이 재진입 시 소각되는 곳이기도 하여 대기 오염 축적에 대한 우려를 제기합니다. 이 지역의 바람, 온도 및 압력에 대한 정밀한 데이터를 얻는 것은 기존의 전 지구적 기후 모델의 정확성을 크게 향상시킬 것으로 예상됩니다.
상용화 및 실제 적용 계획
이 기술의 상용화를 추진하기 위해 셰이퍼와 동료 안젤라 펠드하우스(Angela Feldhaus)는 하버드 SEAS에서 분사된 스타트업인 ‘레어러파이드 테크놀로지스(Rarefied Technologies)’를 설립했습니다. 소형 센서와 안테나를 이그노로스피어로 올리는 것과 같은 실제 적용을 위해서는 멤브레인의 폭을 약 2.4인치(6cm)로 확장하여 약 10밀리그램의 페이로드를 올릴 수 있도록 해야 합니다. 작동 개념은 약 30마일(50km) 고도의 성층권 풍선에서 이 장치들을 방출하는 것입니다. 거기에서 이들은 최대 60마일(100km) 높이까지 자가 추진하여 낮 동안에는 고도를 유지하다가 밤에는 하강하게 됩니다. 충분히 가볍다면 완전히 지구로 떨어지지 않고 다음날 아침 햇살과 함께 다시 상승할 것입니다.
기술 개발의 배경과 영감
포토포레시스 현상은 19세기에 확인되었지만, 재료 과학 및 나노 제작 분야의 최근 발전이 있기 전까지는 그 실용적인 적용이 거의 다루어지지 않았습니다. 셰이퍼의 연구는 이전 SEAS 교수이자 현재 시카고 대학에 재직 중인 데이비드 키스(David Keith)에게서 영감을 받았습니다. 키스는 기후 변화 완화 전략으로 지구 공학을 위해 반사형 포토포레시스 멤브레인을 사용하는 것을 이론적으로 제안했습니다. 2023년까지 셰이퍼의 연구를 감독했던 키스는 이 개발의 참신함을 강조하며, “누군가가 더 큰 포토포레시스 구조를 만들고 실제로 대기 중에서 비행하도록 보여준 것은 이번이 처음”이라고 말하고, 상층 대기 탐사를 위한 완전히 새로운 종류의 수동형, 태양광 구동 장치를 여는 잠재력을 강조했습니다.
미래 잠재력 및 확장 가능성
이 기술의 잠재적 적용은 지구 대기를 넘어 화성의 희박한 대기 연구를 포함합니다. 셰이퍼는 또한 이 장치들이 소형 통신 패키지를 중간권으로 운반함으로써 스페이스X의 스타링크와 같은 저궤도 위성 군집의 데이터 전송 속도와 경쟁할 가능성도 시사합니다. 그러나 그는 이를 달성하려면 특정 지상 지점 위에 안정적인 위치를 유지하기 위해 적절한 통신 페이로드와 항법 장치를 수용할 수 있도록 훨씬 가볍고 더 큰 장치가 필요할 것이라고 인정했습니다.