별과 별 사이를 여행하는 우주선에 필요한 돛을 개발한다?!

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Ultrathin lightsails propelled by laser radiation pressure to relativistic speeds are currently the most promising route for flyby-based exoplanet exploration.

레이저 복사 압력에 의해 상대론적 속도로 추진되는 초박형 라이트세일은 현재 플라이바이 기반 외계 행성 탐사에서 가장 유망한 경로입니다.

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사진출처) Gemini 2.0 Flash AI로 만든 이미지

 

초박형 돛(Sail)으로 움직이는 우주선을 이용해 별과 별사이를 우주 여행한다는 아이디어는 공상과학 소설에나 나올 법한 이야기처럼 들릴 수 있습니다. 하지만 실제로 2016년에 스티븐 호킹과 유리 밀너가 시작한 사람이 생명체를 태우고 다른 행성을 탐사할 수 있는 우주선을 개발하는 프로그램인 '브레이크스루 스타샷 이니셔티브(Breakthrough Starshot Initiative)'에서 이 아이디어를 연구하고 있습니다.

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이 개념은 레이저를 사용하여 '라이트세일(Light Sails)'에 부착된 소형 우주 탐사선을 초고속으로 추진하여 궁극적으로 가장 가까운 별자리인 센타우루스자리 알파(알파 센타우리, Alpha Centauri)에 도달하는 것입니다.

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칼텍(California Institute of Technology, 캘리포니아 공과대학교의 줄임말)은 이러한 목표를 달성하기 위해 노력하는 전 세계 커뮤니티를 이끌고 있습니다.

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“라이트세일은 이전의 어떤 우주선보다 빠르게 여행할 것이며, 궁극적으로 지금은 원격 관측으로만 접근 가능한 성간 거리를 직접 우주선 탐사할 수 있는 가능성을 열 것입니다.” 칼텍의 공학 및 응용과학부 오티스 부스 리더십 위원장 겸 하워드 휴즈 응용물리학 및 재료과학 해리 앳워터(Harry Atwater) 교수의 설명입니다.

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현재 앳워터와 칼텍의 연구원들은 언젠가 이러한 라이트세일을 만드는 데 사용될 수 있는 초박막의 특성을 분석할 수 있는 플랫폼을 개발했습니다. 이 테스트 플랫폼에는 레이저가 돛에 가하는 힘을 측정하는 방법이 포함되어 있어 우주선을 우주로 날려 보내는 데 사용될 것입니다. 연구팀의 실험은 라이트세일의 이론적 제안과 설계에서 핵심 개념과 잠재적 재료에 대한 실제 관찰과 측정으로 나아가는 첫 번째 단계입니다.

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“궁극적으로 라이트세일로 사용될 수 있는 멤브레인(Membranes)을 개발하는 데에는 수많은 과제가 있습니다. 열을 견뎌야 하고, 압력 하에서 모양을 유지해야 하며, 레이저 빔의 축을 따라 안정적으로 움직여야 합니다."라고 앳워터는 이야기합니다. “하지만 이러한 돛을 제작하기 전에 재료가 레이저의 방사 압력에 어떻게 반응하는지 이해해야 합니다. 멤브레인의 움직임을 측정하는 것만으로 멤브레인에 가해지는 힘을 파악할 수 있는지 알고 싶었으며, 실험 결과 가능하다는 것이 밝혀졌습니다.”

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이 연구에 대한 논문은 네이처 포토닉스(Nature Photonics) 학술지에 게재되었습니다. 저자는 칼텍의 응용 물리학 박사후 연구원 리오르 마이클리(Lior Michaeli)와 응용 물리학 대학원생 라몬 가오(Ramon Gao) 입니다.

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이 연구의 목표는 자유롭게 움직이는 라이트세일의 동작을 특성화하는 것입니다. 첫 번째 단계로 연구팀은 실험실에서 재료와 추진력을 연구하기 위해 더 큰 막의 모서리에 묶여 있는 미니어처 라이트세일을 만들었습니다. 연구진은 칼텍의 카블리 나노과학 연구소(Kavli Nanoscience Institute)의 장비와 전자빔 리소그래피(Electron Beam Lithography)라는 기술을 사용하여 50나노미터 두께의 질화규소(Si3N4) 멤브레인을 조심스럽게 패턴화하여 미니 트램펄린(Trampoline)을 만들었습니다.

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가로 40마이크론, 세로 40마이크론의 정사각형인 이 미니 트램펄린은 질화규소 스프링으로 모서리에 매달려 있습니다. 그런 다음 연구팀은 가시광선 파장의 아르곤 레이저 광선을 멤브레인에 쏘았습니다. 목표는 위아래로 움직이는 트램펄린의 움직임을 측정하여 미니어처 라이트세일이 받는 방사선 압력을 측정하는 것이었습니다.

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하지만 돛을 묶으면 물리학 관점에서의 그림이 달라진다고 논문의 저자 마이클리(Michaeli)는 이야기합니다. “이 경우 역학이 매우 복잡해집니다.”

 

사진출처) Nature Photonics 2025

 

돛은 빛에 닿으면 트램펄린처럼 진동하는 기계적 공진기 역할을 합니다. 핵심 과제는 이러한 진동이 주로 레이저 빔의 열에 의해 발생하기 때문에 방사 압력의 직접적인 효과를 가릴 수 있다는 것입니다. 마이클리는 “우리는 원치 않는 가열 효과를 피했을 뿐만 아니라 장치의 동작에 대해 배운 것을 사용하여 빛의 힘을 측정하는 새로운 방법을 만들었습니다.”라고 말하며 이 문제를 장점으로 전환했다고 설명합니다.

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새로운 방법을 통해 이 장치는 레이저 빔의 힘과 출력을 모두 측정하는 파워 미터 역할을 추가로 수행할 수 있습니다. 공동 저자인 가오(Gao)는 “이 장치는 작은 라이트세일이지만 장거리 빛의 힘에 의해 유도되는 움직임을 정밀하게 측정하는 방식을 고안하고 실현하는 것이 대부분을 차지했습니다.”라고 말합니다.

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이를 위해 연구팀은 공통 경로 간섭계(Common-Path Interferometer)라는 것을 만들었습니다. 일반적으로 움직임은 두 개의 레이저 빔의 간섭을 통해 감지할 수 있는데, 하나는 진동하는 샘플에 부딪히고 다른 하나는 단단한 위치를 추적합니다. 그러나 공통 경로 간섭계에서는 두 빔이 거의 동일한 경로를 이동하기 때문에 근처에서 작동하는 장비나 심지어 사람이 말하는 것과 같은 동일한 환경에서 노이즈 소스(Noise Source, 잡음)를 만나게 되고 이러한 잡음 신호는 제거됩니다. 남은 것은 샘플의 움직임에서 나오는 아주 작은 신호뿐입니다.

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엔지니어들은 간섭계를 소형 돛을 연구하는 데 사용한 현미경에 통합하고 이 장치를 맞춤형 진공 챔버 안에 넣었습니다. 그런 다음 피코미터(picometer, 1조 분의 1미터)만큼 작은 돛의 움직임과 기계적 강성, 즉 돛이 레이저의 방사 압력에 의해 밀릴 때 스프링이 얼마나 변형되는지를 측정할 수 있었습니다.

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연구진은 우주에 있는 라이트세일이 지구의 레이저 광원에 항상 수직을 유지하는 것은 아니라는 것을 알고 있었기 때문에 이를 모방하기 위해 레이저 빔의 각도를 조정하고 레이저가 미니 돛을 밀어내는 힘을 다시 측정했습니다.

 

사진출처) Nature Photonics 2025

 

중요한 것은 연구진이 레이저 빔이 비스듬히 퍼져 일부 영역에서 샘플이 누락되는 것을 장치 자체에서 측정한 레이저 출력으로 결과를 보정하여 설명했다는 점입니다. 하지만 이러한 상황에서의 힘은 예상보다 낮았습니다. 이 논문에서 연구진은 비스듬히 향하는 빔의 일부가 돛의 가장자리에 부딪혀 빛의 일부가 산란되어 다른 방향으로 보내진다는 가설을 세웠습니다.

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앞으로 연구팀은 나노과학과 메타물질(빛-물질 상호작용을 인공적으로 제어할 수 있는 물질)을 사용하여 소형 라이트세일의 좌우 움직임과 회전을 제어할 수 있기를 바랍니다.

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“목표는 이러한 나노 구조 표면을 사용하여 예를 들어 라이트세일에 복원력이나 토크를 부여할 수 있는지 알아보는 것입니다."라고 가오는 말합니다. “만약 라이트세일이 레이저 빔에서 벗어나 움직이거나 회전하면 스스로 움직이거나 다시 회전할 수 있기를 바랍니다.”

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연구진은 논문에 설명된 플랫폼으로 좌우 움직임과 회전을 측정할 수 있다고 말합니다.

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“이것은 자유롭게 가속하는 라이트세일이 레이저 빔의 영향을 받도록 설계된 광학적 힘과 토크를 관찰하는 데 중요한 디딤돌입니다."라고 연구진은 이야기합니다.

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※ 기사 내용 참조

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[phys.org] First steps taken toward developing interstellar lightsails | by California Institute of Technology | January 30, 2025 | https://phys.org/news/2025-01-interstellar-lightsails.html

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[Nature] Direct radiation pressure measurements for lightsail membranes | Lior Michaeli et.al | Nature Photonics 2025 | 30 January 2025 | https://www.nature.com/articles/s41566-024-01605-w

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