1. 개요
Breakthrough Starshot2016년에 발표된 인류 최초의 성간 탐사 계획으로, 러시아의 벤처사업가 유리 밀너가 제안하였고 스티븐 호킹과 마크 저커버그 등이 참가하였으며, 연구개발을 시작하기 위해 100만 달러가 투자되었다. 2036년 발사 예정이며, 태양을 제외한 가장 가까운 별인 프록시마를 탐사하는 것을 목표로 하고 있다.
탐사선의 이름은 스타칩(StarChip)으로 불린다.
2. 상세
프록시마까지 4광년이 넘는 먼 거리를 어느 세월에 가냐 반문할 수 있지만, 탐사선은 겨우 수 g(그램) 정도의 작은 질량에 가로x세로 4m 크기의 솔라 세일을 달아 고출력 레이저로 가속시킬 계획이다. 이 방법으로 탐사선은 단 10분 만에 광속의 약 20%(초속 6만 km 또는 시속 2억 1600만 km)까지 가속이 가능하다고 하며 약 20여년 후에 프록시마 센타우리 계에 도착하게 된다. 이는 총알보다 대략 6만 6000 배 빠른 속도이다.[1]
탐사선의 가속을 위한 레이저는 지상에 배열 형태로 설치되며, 무려 100GW의 합계 출력을 가질 예정이다. 비록 순간적(약 10분)이긴 하지만 국내 전력 총생산량과 맞먹는 수준이다.
2016년에 공개된 프로토타입에서는 태양전지를 사용했으나, 탐사선의 동력은 플루토늄-238 또는 아메리슘-241[2]을 활용한 초소형 원자력 전지를 대신 이용할 것이라고 한다. 성간 공간에서는 태양전지를 활용할 수 없기 때문이다. 또한 프로토타입과 달리 실제 탐사선의 크기는 완두콩 정도일 것이라고 한다. 물론 항성계에 도착하면 태양전지를 다시 사용 가능하므로 보조 동력으로 탑재할 가능성도 있다. 출처
성간 공간에 희박하지만 존재하는 우주 먼지 및 입자와의 충돌로 인해 고장날 가능성이 있으므로 1000대 가량을 하나씩 차례대로 발사할 계획이다.[3][4] 탐사선이 프록시마까지 비행하는 도중에 제곱센티미터 면적당 수천개의 미립자와 충돌할 것으로 예측된다.
탐사선은 적색왜성 프록시마 센타우리와 그 주변을 도는 외계행성들에 관한 자료를 수집한 뒤 전파 또는 레이저 펄스 신호에 담아 지구로 전송할 것이며, 이 신호는 약 4년 뒤 지구에 도착할 것이다. 발사는 2036년으로 예정되어 있으므로 계획대로만 진행된다면 인류는 2060년대 초~중반쯤에 최초로 외계 항성과 외계 행성의 근접 촬영 사진을 얻게 될 것이다. 만일 이들 행성에 외계 위성이 있을 경우 이 또한 발견 가능하다.
안전을 위해 레이저 배열 상공은 비행금지구역으로 지정할 예정이다. 제곱미터당 100kW에 달하는[5] 광선의 에너지로 인해 상공을 지나는 물체는 피해를 입을 수 있기 때문이다. 사전 경고 체계를 갖추는 동시에 레이저 배열로 날아오는 물체가 감지되면 비상정지하는 시스템을 구축한다고 한다. #
성간 공간에서 생명체가 생존할 수 있을지, 또는 어떤 영향을 받을지 알아내기 위해 탐사선에 미생물이나 곰벌레를 실어보내자는 제안도 있다. 그러나 탐사선이 외계 행성과 충돌하여 해당 행성을 지구 미생물로 오염시킬 가능성으로 인해 나사는 이에 부정적이라고 한다.
3. 해결해야 할 난제들
탐사선의 솔라 세일은 무게를 줄이기 위해 원자 수백 개 수준의 두께를 가져야 하며, 동시에 지상에서 발사되는 레이저 광선을 거의 다 반사시킬 수 있어야 한다. 그렇지 않으면 탐사선이 레이저의 열에 의해 파괴될 수 있기 때문이다. 이를 위해서 그래핀을 활용한 소재를 연구중에 있다.100GW의 동력을 레이저 배열에 공급하려면 원자력 발전소 100기 급의 전력이 필요하다는 난제도 있다. 그러나 탐사선의 추진을 위한 레이저 광선은 10분 정도만 발사하면 충분하므로 100GW 규모의 발전소를 건설하는 대신 이차 전지나 슈퍼 커패시터를 이용한 에너지 저장 체계를 이용할 것으로 예상된다. 기존 기술만으로도 비교적 저렴한 비용으로 충분히 구현 가능하다고 한다. #
레이저 광선은 지구의 공전 및 자전, 대기 간섭 등의 변수들을 극복하고 탐사선의 솔라 세일을 정확히 명중시킬 수 있어야 한다. 대기 간섭을 최소화하기 위해 고도가 높고 습도가 낮은 사막 지역이 건설 예정지로 채택될 것으로 예상된다. 또한 프록시마는 적도와 남반구에서만 보이는 천체인 만큼 시설을 남반구에 설치해야 하는데, 아타카마 사막이 이러한 조건을 모두 가지고 있다. 레이저 자체를 지상 대신 궤도상에 설치하여 대기 간섭을 피하자는 제안도 있으나 비싼 발사 비용과 정치적인 문제[6]의 발생 우려 등 걸림돌이 있다.
카메라, 컴퓨터, 탐사 장비, 원자력 전지 등 탐사선에 탑재되는 각종 부품들의 무게도 최소화하여 수 그램 내외로 줄여야 하는 난제도 존재한다. 컴퓨터 부품은 무어의 법칙으로 인한 부품의 집적도 향상이 지속적으로 이루어져 현재도 몇 그램 정도 무게로 그럭저럭 명령을 수행할 수 있는 성능의 컴퓨터를 탑재 가능하긴 하지만 카메라나 탐사 장비는 여전히 몇 그램짜리 부품을 사용하기에는 성능이 절망적이다.[7] 동력 공급도 문제인데, 그램 단위의 무게를 가진 원자력 전지는 출력이 매우 약하다. 따라서 슈퍼 커패시터를 같이 사용할 것으로 보인다.
광년 단위의 먼 거리로 인해 지구에서 명령을 내리기 어렵다는 문제도 있다. 예컨대 1광년 떨어진 거리에서 탐사선에 문제가 생겼다면 지구에 데이터가 도착하기까지 1년이 걸리며, 명령을 내려도 그 신호가 다시 탐사선에 도착하는 데에는 1년이 훨씬 넘는 시간이 소요된다. 대안으로는 탐사선에 간단한 인공지능을 탑재하는 방법이 있다.
탐사선과 지구간 통신 자체도 난제이다. 탐사선의 제한된 동력으로 인해 신호를 세게 출력할 수 없을뿐더러 통신 거리도 광년 단위이기 때문이다. 탐사선 여러 대를 차례로 보내 후속 탐사선들이 중계기 역할을 하는 방법이 있다.
이외에도 정부와 국제기구의 승인을 받는 등 정책적인 과제들도 있다. #
어떻게 탐사선을 감속할 것인가도 문제이다. 스타샷 프로젝트는 도달이 목표가 아니라 탐사가 목적이다. 따라서 속력을 줄여서 항성 주변의 행성들을 돌면서 관찰하고 사진까지 찍어야 한다. 광속의 20%로 계속 직진했다가는 그냥 지나쳐버리게 될 것이다. 더욱이 광속에 가까워지면 우주선의 질량 또한 매우 증가하기 때문에 감속하는 것이 훨씬 더 어려워진다. 일단 브레이크스루의 계획으로는 감속을 포기하는 대신 탐사선이 항성계를 통과하는 도중에 최대한 많은 데이터를 수집하여 지구로 전송할 계획이다. 탐사선이 스쳐지나가며 찍은 개별 사진이나 데이터는 흐릿하거나 부정확하더라도 후속 탐사선들이 이어서 데이터를 보내면 보정이 가능할 것이다.
감속 방법으로 여러 연구들이 진행되고 있지만 어떤 것이 가장 적합한지 예측하기 어렵다. 그 중 하나로는 광속의 20%보다 느린 속도로 프록시마에 접근하고, 프록시마와 알파 센타우리 A/B의 중력 도움과 항성풍으로 감속하는 방법이 제안된 바 있다. 그러나 이 방법을 사용할 경우 항행 및 탐사 기간이 100년으로 증가하는 단점이 있다.
4. 추가 목표 가능성
프록시마로 탐사선을 보낸 이후에도 장기 목표로 2040년대~2060년대 사이에 5파섹 이내의 가까운 항성계들을 향해 추가적인 탐사선을 발사할 가능성이 있다.태양계 내에서도 멀리 떨어진 천체를 빠르게 탐사하는 목적으로도 이용할 수 있다. 제9행성이 있을 경우 이를 발견 또는 탐사하는 목적이나, 오우무아무아와 같이 태양계를 빠르게 통과하는 외계 천체를 조사하는 용도로도 활용할 수 있다.
5. 여담
- 발사된 후 약 6일만에 보이저 1호 탐사선이 진행한 거리[8]를 앞지를 것으로 예상된다.
- 다큐멘터리 코스모스: 가능한 세계들에서도 다뤄졌다. 다만 극적인 효과를 위해 작중에서는 실제 계획과 다르게 묘사한 부분들이 있다.
- 만일 탐사선이 행성에 충돌하게 되면 TNT 500톤의 파괴력이 발생한다고 한다. 대기가 있다면 대기중에서 소멸하겠지만 지구의 달과 같이 대기가 없는 천체에 충돌한다면 10m 크기의 분화구가 생긴다고 한다. 출처
[1] 탄속을 900m/s로 가정하고 계산한 수치이다. 발사 속도는 기종에 따라 다르다.[2] 플루토늄-238의 부족으로 인해 차세대 동력원으로 고려되고 있는 동위원소이다.[3] 다큐멘터리 코스모스에 묘사된 것과 같이 한 번의 광선으로 여러 대를 동시에 날릴 경우 에너지가 분산되어 가속이 느려지고 정확한 조준도 어려워진다.[4] 또한 탐사선의 자료 전송에도 필수적이다. 고작 수 g(그램)의 탐사선에 4광년 거리에서도 수신 가능한 강력한 전파(또는 레이저 펄스)를 쏘는 송신기를 탑재하는 것은 불가능하다. 차례대로 발사해서 신호를 릴레이하는 것으로 이 문제를 해결하는 것.[5] 이는 맑은 날 제곱미터 면적에 내리쬐는 태양광선보다 100배 강한 수치이다.[6] 만일 레이저의 방향을 돌려 지구에 발사하면 궤도폭격이 된다. 도시에 발사할 경우 도시 전체를 불태울 수 있는 위력이라고 한다.# 물론 평화적인 목적으로 우주에 설치하는 구조물이지만 오작동이나 해킹, 테러 등의 영향을 받으면 대형 사고로 이어질 수 있다.[7] 카메라는 전기적인 프로세싱 능력과 별개로 광학적인 성능을 따져야 하는데, 결국 빛을 받아들이는 렌즈와 센서의 크기를 키우는 방향으로만 성능을 키울 수 밖에 없다. 반도체 집약의 힘으로 많이 발전은 했다지만 아무리 그래도 스마트폰 카메라가 품질에서 미러리스 같은 렌즈교환식 디지털 카메라를 이길 수 없는 이유다. 스마트폰 업계의 경우 오히려 그런 격차를 줄이려 센서와 렌즈의 크기가 점점 키워 세대가 더해질수록 카메라 크기만 커지는 현상을 보여주고 있다.[8] 스타샷이 발사될 2036년까지 보이저 1호가 날아간 거리는 태양으로 부터 약 310억 km이며 이는 보이저 1호가 발사된 날로 부터 약 59년 동안 항해한 거리이다.