일본의 우주 공간의 평화적 이용 기술 개발 추진

일본의 우주 공간의 평화적 이용 기술 개발 추진

다물어 | 2015-06-04 20:36:16

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일본이 우주 공간의 평화적 이용을 위한 우주 쓰레기 제거 계획을 진행하고 있어 발표 내용 갈무리해 드려요...

 

 

 

 

 

 

이화학 연구소

 

에콜 폴리 테크니크

 

원자핵 연구소 천체 물리학 센터 / 파리 제 7 대학

 

토리노 대학

 

캘리포니아 대학 어바인교

 

 

 

고강도 레이저 우주 파편 제거 기술

 

- 깨끗하고 안전한 우주를 차세대에 -

 

 

 

※ 요  지

 

이화학 연구소 (이연, (리켄)) 에비스자키 (戎崎) 계산 천체 물리학 연구소의 에비스자키 토시토즈 주임 연구원

 

광양자 공학 연구 영역 광자 기술 기반 개발 그룹의 와다 사토시 (和田智之) 그룹 디렉터들의 공동 연구 구룹은

 

스페이스 데브리 (우주 쓰레기) 제거 기술을 고안했습니다.

 

수 센티미터 (cm) 크기의 작은 우주 파편을 제거하는 방법에 대한 제안은 처음입니다. 이것은 에콜 폴리 테크니

 

크와 원자핵 연구소 천체 물리학 센터 / 파리 제 7 대학 (프랑스), 토리노 대학 (이탈리아), 캘리포니아 대학 어

 

바인교 (미국)와의 공동 연구에 의한 성과입니다.

 

스페이스 데브리는 지구 위성 궤도에서 불필요한 인공 물체입니다. 최근 우주 개발의 활성화에 따라 계속 증가

 

하고 있습니다. 2000년에서 2014년 사이에 우주 파편의 양은 약 2배로 증가하고 있는 것으로 알려져 우주 개

 

발에 큰 걸림돌이 되고 있습니다. 사고나 고장으로 통제 불능이 된 인공위성, 로켓 본체나 부품으로부터 우주 파

 

편끼리의 충돌로 생겨난 미세한 것까지 약 3,000톤의 스페이스 데브리가 우주를 떠돌고 있으며, 그들이 서로

 

다른 궤도를 갖는 탓에 회수가 어려워지고 있습니다.

 

활동중인 인공위성이나 우주 정거장 등에 충돌하면 시설 파괴뿐만 아니라 인명과도 관련되기 때문에 효율적이

 

고 실현 가능한 제거 기술의 개발이 요구되고 있습니다.

 

공동 연구 그룹은 궤도상에서 고강도 레이저를 우주 파편에 조사하고, 그 결과 생기는 "플라즈마의 반력"를 사

 

용하여 감속시켜 지구 대기에 재진입시켜 제거하는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다.

 

"광섬유 레이저"를 병렬로 이용하면 고강도 · 고효율 · 고 빈도의 펄스 레이저 시스템을 우주선에 탑재 할 수 있

 

습니다. 또한 EUSO형 초광각 망원경를 사용하여 다가오는 우주 파편을 발견하고 그 궤도를 판별합니다.

 

프로토 타입 망원경 시스템을 이용하여 기술 실증을 실시해, 최종적으로는 우주 파편의 밀도가 가장 높은 고도

 

약 800㎞의 극 궤도에 발사하면 5년 정도면 대부분의 스페이스 데브리를 제거할 수 있다는 것을 알 수 있었습

 

니다 .

 

본 연구는 이탈리아 외무부의 지원을 받아 우주 공학 국제 전문지인 "Acta Astronautica" 잡지에 게재되는데 앞서

온라인판 (3월 13일자)에 게재되었습니다.

 

 

※ 공동 연구 그룹

 

이화학 연구소

 

에비스자키 계산 천체 물리학 연구소

 

: 주임 연구원 戎崎俊一 (에비스자키 토시카즈)

 

: 선임 연구원 滝澤慶之 (타키자와 요시유키)

 

 

광양자 공학 연구 영역 광양자 기술 기반 개발 그룹

 

: 그룹 리더 和田智之 (와다 사토시)

 

 

EUSO 팀

 

: 팀 리더 Marco Casolino (마르코 카솔리노)

 

: 특별 연구원 Lech Wiktor Piotrowski (레크 빅토르 삐오토로부스키)

 

 

프랑스 에콜 폴리 테크니크

 

: 연구원 Mark N. Quinn (마크 퀸)

 

: 연구원 Remi Soulard (레미 소라도)

 

: 연구원 Gerard Mourou (제럴드 무르)

 

 

프랑스 원자핵 연구소 천체 물리학 센터 / 파리 제 7 대학

 

: 연구원 Philippe Gorodetzky (필립 고로데쯔키)

 

: 교수 Etienne Parizot (에티엔 느 빠리조)

 

 

이탈리아 토리노 대학

 

: 조교수 Mario Bertaina (마리오 베루타이나)

 

 

캘리포니아 대학 어바인교

 

: 교수 田島俊樹 (타지마 토시키)

 

 

※ 배  경

 

스페리스 데브리는 지구 위성 궤도에 불필요한 인공 물체입니다. 최근 우주 개발의 활성화에 따라 계속 증가하

 

고 있으며, 약 3,000t의 스페이스 데브리가 지구 주회 저궤도에 존재하는 것으로 알려져 있습니다.

 

그 상대 속도는 총알보다 빠른 초속 10km 이상에 달해, 작은 스페이스 데브리라도 인공위성이나 우주 정거장

 

에 충돌하면 치명적인 손상을 줄 수 있습니다.

 

2009년 2월 12일에 사용이 중단중이었던 러시아의 군사 통신 위성 코스모스 2251호와 미국의 이리듐사가 당

 

시 운용 중이던 저궤도 통신 위성 이리듐 33호가 충돌해 다량의 스페이스 데브리가 발생했습니다.

 

이렇게 증가된 스페이스 데브리가 다른 스페이스 데브리나 위성에 충돌하면 급격한 우주 파편의 증가로 이어질

 

것으로 우려되고 있습니다. 실제로 2000년부터 2014년 사이 스페이스 데브리의 수는 2배 가까이 증가하고 있

 

다는 보고도 있습니다

 

스페이스 데브리 중에서도 특히 0.3~10cm 크기의 스페이스 데브리는 매우 많은 수(약 70만개 이상)가 존재하

 

고, 크기 또한 작아서 발견이 어렵기 때문에 가장 위험한 것으로 간주되고 있습니다.

 

그러나 이러한 수 cm 크기의 스페이스 데브리를 제거하는 방법은 제시되지 않았고, 큰 스페이스 데브리의 수를

 

줄임으로써 자연스럽게 작은 스페이스 데브리가 감소하는 것을 기다릴 수 밖에 없었습니다.

 

 

※ 연구 방법 및 성과

 

공동 연구팀은 스페이스 데브리의 제거에 고강도 레이저에 의한 어블레이션 (고체의 표면이 증발 침식에 의해

 

분해되는 현상)의 이용을 생각했습니다.

 

고강도 레이저를 표적이 되는 스페이스 데브리에 조사하면 스페이스 데브리의 고체 표면에서 플라즈마가 분출

 

되는 현상 (플라즈마 절제)이 일어납니다. 이 플라즈마의 분출 반응 (반력)을 사용하면, 스페이스 데브리에 상당

 

히 큰 힘을 줄 수 있습니다 (그림 1)

 

평균 전력이 500kW인 레이저 빔 (펄스 폭은 약 1 나노초)을 스페이스 데브리에 조사하면 100㎞ 이상 떨어진

 

위치에서 10초 정도의 조사로 10cm 크기의 스페이스 데브리를 감속하고 지구 대기에 재진입시킬 수있는 것을

 

알 수 있었습니다 (그림 2)

 

한편, 10cm 이하의 스페이스 데브리는 지상에서 탐지가 어렵고, 그 대부분은 비교적 큰

 

스페이스 데브리를 감시하는 목적으로 만들어진 북미 항공 우주 방위 사령부의 카탈로그에도 등록되어 있지 않

 

습니다.

 

작은 스페이스 데브리를 발견하고, 궤도를 결정하기 위해 구경 약 2.5m의 EUSO형 초광각 망원경을 사용하는

 

것을 제안했습니다. EUSO형 초광각 망원경은 ± 30도의 넓은 시야를 가지는 동시에 100km 거리에 있는 0.5

 

㎝ 크기의 스페이스 데브리로부터 반사되는 태양광을 감지하기에 충분한 감도를 가지고 있습니다.

 

EUSO형 초광각 망원경으로 스페이스 데브리의 대략적인 위치와 겉보기 속도를 결정합니다. 그런 다음 방향을

 

향해 레이저 탐색 빔을 조사하고, 스페이스 데브리의 정확한 위치와 거리를 Lidar [5] 라는 방법을 사용하여 계

 

산합니다. 마지막으로 스페이스 데브리를 향해 고강도 레이저를 조사하여 궤도를 제어합니다.

 

이렇게 EUSO형 초광각 망원경을 사용하면 10cm 이하의 작은 스페이스 데브리라도 감지하고 제거할 수 있음

 

을 공동 연구팀은 설명했습니다.

 

EUSO형 초광각 망원경은 지구 대기에 입사하는 초고 에너지 우주선 (宇宙線)을 검출하기 위한 우주 망원경 (E

 

USO) 계획을 위해 이화학 연구소가 중심이 된 국제팀이 개발을 진행하고 있는 것입니다.

 

이번 공동 연구 그룹은 cm 크기의 스페이스 데브리를 지구 궤도에서 제거 가능한 방법을 처음으로 고안했습니

 

다. 그러나 그 실현에는 많은 기술적인 문제를 해결해야 합니다.

 

첫번째 과제는 평균 전력이 500kW에 달하는 우주용 고강도 레이저를 만드는 것입니다. 고강도 레이저는 정밀

 

한 조정이 필요하기 때문에 발사 로켓의 진동에 견딜 수 없습니다.

 

그러나 최근 광섬유 레이저 기술이 발달한 덕분에 정확한 재조정을 필요로 하지 않는 고강도 레이저를 만드는

 

것이 가능하게 되었습니다. (그림 3) 에콜 폴리 테크니크 그룹은 광섬유를 다수 병렬로 사용하면 정밀한 조정이

 

불필요한 고강도의 고빈도 레이저를 만드는 것이 충분히 가능하다는 것을 보여줍니다.

 

두번째 과제는 고속으로 움직이는 스페이스 데브리의 발견부터 레이저 빔 조사에 의한 궤도 제어까지의 일련의

 

작업을 1초 이내에 마쳐야 한다는 것입니다.

 

(레이저 조사로 스페이스 데브리의 궤도를 변경시킬 수 있는) 궤도 제어의 한계 거리를 100km 전후라고 할때,

 

스페이스 데브리가 한계 거리를 통과하는 시간은 10초 정도 밖에 없습니다.

 

한정된 시간안에 스페이스 데브리의 발견에서 시작 제어까지 할 수 있도록 하기 위해서는 모든 제어를 자동으로

 

빠르게 수행할 수 있는 망원경을 개발해야 합니다.

 

또한, 100㎞ 앞에 있는 수 cm 크기의 대상에 레이저를 집중시켜 10초 동안 추적을 계속할 수 있는 레이저 광학

 

계가 필요합니다. 이 레이저 광학계는 높은 정밀도와 강성이 요구됩니다. 광학계의 정확도는 허블 우주 망원경

 

등에서 이미 달성되어 있습니다.

 

500kW의 에너지 밀도와 1초에 여러번의 빠른 추적을 견딜 수 있는 망원경의 개발은 현재 최신 광학 설계 기술

 

을 사용하면 충분히 가능합니다. (그림 4)

 

 

※ 향후의 기대

 

공동 연구 그룹은 수 cm 크기의 스페이스 데브리를지구 궤도에서 제거 가능한 방법을 처음 고안했습니다. 향후

 

국제 우주 정거장 등을 활용하여 단계적으로 기술을 실증하고, 궁극적으로는 지구 관측용 인공위성이 밀집해 있

 

는 고도 약 700~900㎞의 극 궤도 부근에 스페이스 데브리 제거 전용 우주선을 근시일내 발사할 것을 제안하

 

고 있습니다.

 

우주선에 구경 2.5m의 EUSO형 망원경과 평균 출력 500kW의 레이저를 탑재하면 몇분에 한번씩 다가오는 우

 

주 파편을 약 100㎞의 거리에서 감지해 운동 방향으로 레이저 빔을 조사하고 그 반력으로 재돌입 시키는 것이

 

이론적으로는 가능합니다. 이 우주선을 5년 정도 운용함으로써 수 cm 크기의 스페이스 데브리의 대부분은 제거

 

할 수 있다고 생각합니다.

 

이 기술은 더 큰 스페이스 데브리의 제거에도 도움이 될 수 있습니다. 큰 스페이스 데브리를 사냥하기 위해서는

 

그 회전을 충분히 늦춰 둘 필요가 있습니다. 절제에 의한 반력을 사용함으로써 스페이스 데브리의 회전을 멈추

 

는 것이 가능하다고 생각합니다.

 

공동 연구 그룹은 미국, 러시아, 유럽, 아시아 국가들과의 국제 협력으로 스페이스 데브리의 제거를 20년 이내

 

에 실행하고 싶다고 생각하고 있습니다.

 

1950년대에 시작된 우주 개발 경쟁의 결과 우주 쓰레기 투성이가 되어 버렸습니다. 다음 세대 인류에게 깨끗하

 

고 안전한 우주를 전달하기 위해 노력하는 것이 지금 세대의 책임이라고 생각하고, 앞으로도 연구 개발을 진행

 

해 나가겠습니다.

 

※ 원논문 정보

 

Toshikazu Ebisuzaki, Mark N. Quinn, Satoshi Wada, Lech Wiktor Piotrowski, Yoshiyuki Takizaw

 

a, Marco Casolino, Mario E. Bertaina, Philippe Gorodetzky, Etienne Parizot, Toshiki Tajima, Remi

 

Soulard, and Gerard Mourou, Demonstration designs for the remediation of space debris from

 

the International Space Station, Acta Astronautica, doi : 10.1016 / j.actaastro.2015.03.004

 

※ 발표자

 

이화학 연구소

 

주임 연구원 연구실 에비스자키 계산 천체 물리학 연구소 주임 연구원 戎崎俊一 (에비스자키 토시카즈)

 

광양자 공학 연구 영역 광양자 기술 기반 개발 그룹

 

그룹 디렉터 和田智之 (와다 사토시)

  

 

※ 보충 설명

 

1. 플라즈마의 반력

 

: 강한 밝기의 빛을 물질 표면에 조사하면 표면의 물질이 플라즈마화되어 분출된다. 이 현상을 어블레이션이라

 

고 부른다. 이때 물질이 분출하는 반작용(반력)을 스페이스 데브리가 받는다.

 

2. 광섬유 레이저

 

: 증폭 매질로 광섬유를 이용한 레이저. 정밀 조정이 필요 없기 때문에 진동에 강하고, 병렬화에 의해 고휘도화

 

도 가능하기 때문에 우주용 레이저에 적합하다.

 

3. 펄스 레이저 시스템

 

: 빛을 짧은 펄스 형태로 사출하는 레이저 시스템. 빛의 에너지가 펄스에 집중되기 때문에 휘도가 높아져, 플라

 

즈마 박리를 일으키기 쉬워진다.

 

4. EUSO형 초광각 망원경

 

: 우주에서 날아 오는 우주선을 검출하기 위해 개발된 초광각 망원경. ± 30도의 넓은 시야를 가지고 우주에서

 

지구의 밤을 볼때 1020eV의 에너지를 가진 초고 에너지 우주선이 만드는 공기 샤워를 관측하기 위한 "Extre

 

me Universe Space Observatory (EUSO)" 계획을 위해 이화학 연구소를 중심으로 한 국제팀이 개발을 진

 

행하고 있다. 시야가 넓고, 높은 감도, 높은 시간 분해능을 가지고 있기 때문에 지상에서 찾을 수 없는 작은 우주

 

파편도 발견할 수 있다.

 

5. Lidar Light Detection and ranging의 약어.

 

: 레이저 광선을 사출해 대상 물체에서 반사되어 돌아온 빛이 닿는 시간 차이로 물체까지의 거리를 측정하는 관

 

측 방법.

  

 

그림 1 레이저 빔에 의한 플라즈마 어블레이션

 

 

강한 밝기의 빛 (여기에서는 레이저)이 물질 표면에 조사되면 표면의 물질이 플라즈마화 되어 분출된다.

 

이 현상을 플라즈마 어블레이션이라고 부른다. 이때 물질의 분출 반작용 (반력)을 스페이스 데브리가 받는다.

 

 

그림 2 레이저 빔에 의한 스페이스 데브리의 진로 변경

 

 

레이저 빔이 일으킨 어블레이션에 의한 반력을 스페이스 데브리의 진행 방향과는 반대 방향으로 주면, 그 고도

 

가 낮아져 결국은 지구 대기에 다시 돌입한다.

 

 

그림 3 우주용 고휘도 레이저 시스템을 가능하게 하는 CAN 레이저 시스템

 

 

레이저는 다수 (1000 개 이상)의 광섬유에 병렬로 증폭되어 약 1.5m의 광학계를 사용해 스페이스 데브리를

 

향해 사출된다. CAN은 Coherent Amplification Network의 약자.

 

 

그림 4 검출용 EUSO형 초광각 망원경과 레이저 사출용 광학계

 

 

 

다가오는 스페이스 데브리는 EUSO형 초광각 망원경으로 위치와 운동 방향을 식별하게 된다. 스페이스 데브리

 

방향으로 우선 탐색 빔을 발광하고 귀환한 광자 신호로 그 위치와 거리와 운동 방향을 정확하게 구하고, 마지막

 

으로 플라즈마 어블레이션용 펄스 레이저가 조사된다.

 

 

※※ 클라우드에 올려두고 잊고 지내던 글 중 하나 시간내어 정리해서 올려 드렸어요... ...

 

전 인류를 위해 우주 공간의 평화적 이용을 위해 노력하는 것이라고는 하는데요...

 

어디선가 많이 본 느낌이 들어요... 레이건 대통령이 추진하던 스타워즈 탄도탄 방어 계획이라던가...

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