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고강도 레이저에 의한 우주쓰레기 제거기술
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15-12-28 14:57
 고강도 레이저에 의한 우주쓰레기 제거기술 |
| 이화학연구소 에자키계산우주물리연구실,
광양자공학연구영역 광양자기수기발개발그룹의 공동연구그룹은 우주쓰레기의 제거기술을 고안하였다. 수 센티미터 크기의 작은 우주쓰레기를 제거하는 방법의
제안은 처음이다. 공동연구그룹은 우주쓰레기의 제거에 고강도 레이저에 의한 융제(ablation, 고체의 표면이 증발, 침식에 의해 분해되는 현상)의 이용을 생각하였다. 고강도 레이저를 표적이 되는 우주쓰레기에 조사하면 우주쓰레기의 고체표면에서 플라즈마가 분출되는 현상이 발생한다. 그 플라즈마가 분출되는 반작용을 사용하면, 우주쓰레기에 대해 상당히 큰 힘을 부여할 수 있다. 평균 파워가 500kW인 레이저 빔(펄스폭은 약 1나노초)을 우주쓰레기에 조사하면 100km 이상 떨어진 장소로부터 10초 정도의 조사로 10cm 크기의 우주쓰레기를 감속시켜 지구 대기로 재돌입시킬 수 있다는 것을 알았다. 한편 10cm 이하의 우주쓰레기는 지상에서의 검출이 어렵고, 그 대부분이 비교적 큰 우주쓰레기를 감시하는 목적으로 만들어진 북아메리카 항공우주방위사령부의 카탈로그에도 등록되어 있지 않다. 작은 우주쓰레기를 검출하여 궤도를 정하기 위해 구경 약 2.5cm의 EUSO형 초광각 망원경을 이용하는 것을 제안하였다. EUSO형 초광각 망원경은 ±30도의 넓은 시야를 가지고 있으며, 동시에 100km의 거리에 있는 0.5cm 크기의 우주쓰레기로부터 반사하는 태양광을 검출하는데 충분한 감도를 가지고 있다. EUSO형 초광각 망원경으로 우주쓰레기의 대략적인 위치와 겉보기 속도를 결정한다. 다음에 그 방향을 향해 레이저 탐색 빔을 조사하여 우주쓰레기의 정확한 위치와 거리를 Lidar라는 방법을 사용하여 구한다. 마지막으로 우주쓰레기를 향해 고강도 레이저를 조사하여 궤도제어를 실시한다. 이러한 EUSO형 초광각 망원경을 사용함으로써 10cm 이하의 작은 우주쓰레기를 검출하여 제거할 수 있다는 것을 공동연구팀은 제시하였다. EUSO형 초광각 망원경은 지구대기에 입사하는 초고에너지 우주선을 검출하기 위한 우주 망원경 계획을 위해 이화학연구소가 중심이 된 국제팀이 개발을 추진하고 있다. 이번에 공동연구그룹은 cm 크기의 우주쓰레기를 지구 주회궤도에서 제거하는 실현 가능한 방법을 처음으로 고안하였다. 그러나 그것을 실현시키기 위해서는 많은 기술적인 문제를 해결해야 한다. 첫 번째 과제는 평균 파워가 500kW에 이르는 우주용 고강도 레이저를 만드는 것이다. 고강도 레이저는 정밀한 조정이 필요하기 때문에 발사한 로켓의 진동을 견딜 수 없다. 그러나 최근 광섬유레이저 기술이 발달함으로써 정밀한 재조정이 필요하지 않은 고강도 레이저를 만들 수 있게 되었다. 광섬유를 다수 병렬로 사용함으로써 정밀한 조정이 불필요한 고강도, 고빈도 레이저를 만드는 것이 충분히 가능하다는 것을 나타내었다. 두 번째 과제는 고속으로 움직이는 우주쓰레기의 검출에서 레이저빔 조사에 의한 궤도제어까지의 작업을 1초 정도 이하로 수행해야 한다는 것이다. 궤도제어의 한계거리를 100km 전후로 하면 우주쓰레기가 한계 거리를 통과하는 시간은 10초 정도이다. 한정된 시간에 우주쓰레기의 검출에서 기동제어까지 수행하기 위해서는 모든 제어를 자동 및 고속으로 수행하는 망원경을 개발할 필요가 있다. 추가로 100km 앞의 cm 크기의 목표에 레이저를 집중시켜 10초간에 걸쳐 추적할 수 있는 레이저의 광학계가 필요하다. 이 레이저의 광학계에는 높은 정도와 강성이 요구된다. 광학계의 정도는 허블 우주망원경 등에 이미 달성되었다. 500kW의 에너지밀도와 1초에 몇 번의 고속추적에 견딜 수 있는 망원경의 개발은 현재 최신 광학설계기술을 사용하면 충분히 가능하다. |