Solar Sail, 태양돛.
1. 개요
외우주를 여행하는 데 사용될 추진체계의 하나로써 연구되고 있는 것. 간단히 말해서 우주 범선. 커다란 금속제 돛에 태양광을 받아 광압(복사압)으로 가속한다.일반적으로는 솔라 세일이 태양광이 아닌 태양풍을 이용한다고 알려져 있으나 이는 솔라 세일에 대한 흔한 오개념으로, 하전입자로 이루어진 태양풍의 밀도는 일반적인 우주선이 이용할 수 있을 만큼 충분하지 않다. 태양풍을 이용해 가속하는 우주선은 현재 NASA에서 E(Electric)-Sail이라는 이름으로 연구 중이며, 기본 원리인 뉴턴의 운동법칙을 제외한 구체적인 작동 원리는 솔라 세일과 완전히 다르다.
장점으로는 우주선이 추진체를 지니고 있을 필요가 없어져 가볍고, 속도의 제한이 별로 없다는 것이다. 이론상으로는 광속의 1/4까지는 가능하다고 한다. 태양광은 언제나 한 방향( 태양에서 멀어지는 방향)으로 불고, 광자는 기체처럼 움직이지는 않는데다가 진공에서는 범선에 바닷물이 가하는 것과 같은 저항이 없기에 범선과 똑같은 방식으로 '역풍'을 거스를 수는 없지만 돛에 광압을 가해 각운동량을 줄임으로 태양(의 중력)을 향해 "떨어질" 수는 있다.
하지만 여러 가지 기술적, 물리적 한계 역시 지니고 있다. 가장 많이 꼽히는 것은 태양돛 자체의 안정성. 현재의 로켓기술로 낼 수 있을만한 추진력을 얻기 위해서도 어마어마한 크기의 태양돛이 필요하다(태양광의 물리적 힘은 그만큼 낮다). 그리고 이 어마어마하게 큰 태양돛을 어떻게 구겨지지 않게 우주로 가지고 나가는가, 가지고 나간 뒤에는 어떻게 펴는가, 펴진 뒤에는 어떻게 지킬 것인가, 너무 커서 자체 붕괴되어버리지는 않을까 등등 문제는 산적해 있다.
2. 실제 개발된 솔라 세일
2.1. 미국
솔라 세일을 대중에 처음 알린 사람은 역시 대중친화적인 천문학자 칼 세이건이였다. 1976년에 한 TV쇼에서 핼리 혜성과 조우하는 것을 목표로 하는 솔라 세일을 소개했다. 이후 1980년에 세이건은 솔라 세일을 비롯해 천문학을 연구하고 교육하는 비영리단체 '행성 협회'(The Planetary Society)를 설립했다.
칼 세이건이 1996년 세상을 떠난 후에야 솔라 세일의 첫 실물이 나왔다. 2005년에 세이건의 부인이 설립한 영화사 코스모스와 행성 협회가 공동으로 세계 최초의 우주범선 코스모스 1호를 개발했다. 여기까지는 좋았으나 예산을 아끼겠답시고 상업용 우주로켓이 아닌 러시아 SLBM[1]을 사서 발사했고 이 미사일이 또 고장나면서 실패했다.
2008년, NASA에서 나노세일-D라고 명명된 솔라 세일 실증 위성을 쏘았으나 코스모스 1호와 마찬가지로 스페이스X 팰컨 1 로켓의 추락으로[2] 실패했다. 이에 멘붕한 NASA는 2번째 나노세일을 만들긴 만들었는데 식빵 크기로 만들었고 소형 과학위성에 부착해서 2011년 발사했다. 소형 과학위성에서 성공적으로 분리된 식빵 크기의 나노세일은 10평방미터로 돛을 전개한 뒤 자유비행을 하며 지구궤도를 돌았다. 향후 NASA는 이 물건을 우주쓰레기 청소 등에 활용할 계획이다.
한 번 실패를 맛봤던 행성 협회에서는 2015년 5월 20일에 실험 발사의 성격으로 지구 궤도를 도는 '라이트세일 1'을 아틀라스 V에 싣고 쏘아올렸다. 몇 차례의 통신 불량으로 돛은 6월 7일에나 펼 수 있었고 6월 8일에 첫 사진을 보내오면서 실험에 성공했고 기체는 지구 대기에 재진입하고 소멸했다.
NASA에서 솔라 세일 기술의 소행성 탐사에의 응용을 테스트하는 큐브위성인 NEA 스카우트(Near-Earth Asteroid Scout)를 발사할 예정이다. 여기서는 아예 오리온을 달로 보내는 SLS에 끼워넣어 쏠 예정이며, 이 미션의 성과는 소행성 궤도변경 미션에도 반영될 예정이다.
2019년 6월에 행성 협회에서 개발한 '라이트세일 2'가 팰컨 헤비에 실려 발사됐다. 라이트세일1보다 더 낮은 고도에서 동작하는데 이는 낮은 고도에서 지구대기권을 벗어날수 있는지 확인하기 위해서 그렇게 설계되었다. 내부에 리액션휠이 있는데 이것을 이용하여 지구 자기장을 기반으로 태양쪽으로 자세를 교정하는 기능도 추가되었다. 발사직후 추진제없이 1.7km가량 고도를 올리면서 기능자체는 성공적이었음이 확인되었다. 라이트세일2는 2년이 넘게 활동하다가 2021년 11월 17일 대기권에 재진입해서 소멸되었다.
이후 NASA는 2024년 4월 23일, 솔라세일을 탑재한 큐브샛 Advanced Composite Solar Sail System(ACS3)를 일렉트론 로켓으로 발사해 5월경 궤도에 진입시켰고 이후 8월 29일, 80제곱미터의 솔라 세일을 전개시키는데 성공했다. #
2.2. 일본
2010년, JAXA(일본 우주항공연구개발기구)에서 금성탐사계획의 일환으로 IKAROS[3]라고 명명된 솔라 세일 실증기를 만들었다. 세일의 면적은 160제곱 미터다.
금성 대기탐사선 ' 아카츠키'와 함께 H-2A 로켓에 실려 발사됐는데 아카츠키가 이카로스보다 더 먼저 금성에 도착했으나 아카츠키는 금성궤도 진입에 실패해 태양동기궤도로 튕겨나가버렸고[4] 이카로스는 여유롭게 셀카나 찍으며[5] 이리저리 날면서 위치제어 능력[6]을 실증하다가 2011년 12월 7일, 유유히 금성궤도로 진입해 저공비행 하는 것을 마지막으로 자신의 임무를 마치고 동면모드에 들어갔다. 1년에 한두번 정도 태양과의 각도에 따라 충분한 전기가 공급되는데, 이때 동면 모드에서 깨어나 JAXA와 교신한다. 공식적으로는 임무가 종료되었지만 지금도 태양 주위를 약 10개월 단위로 공전하고 있다.
결국 IKAROS가 세계 최초로 태양광을 동력원으로 한 행성간 우주 항해에 성공한 우주범선이 된 것이다. 더불어 셀카를 찍은 것도 최초다.
이후 JAXA는 실증된 솔라 세일 기술을 기반으로 지구 귀환을 전제로 한 목성/소행성 탐사선 개발을 계획하고 있다.
3. 매체에서의 솔라 세일
- 파피용(소설) - 무대가 되는 세대 우주선이 솔라세일로 추진했다. 우주선의 이름이 파피용(나비)인 것도 두개의 거대한 솔라세일 때문에 나비같은 실루엣을 가지고 있어서.[7] 작가가 뉴턴역학에 대해 무지했는지 돛이 파괴되자 속도가 줄어든다고 묘사된다. 우주공간에서 솔라세일이 파괴되면 가속도가 줄어들지 속도가 줄어들지는 않는다. 속도가 줄어들려면 저항이 있는 매질 속에서 항행해야 한다.
- 기동전사 건담 SEED C.E.73 STARGAZER - 주역기인 스타게이저 건담의 등에 설치된 원형 고리 모양의 '부아튀르 뤼미에르'라는 장비는 양자 돛을 형성하여 태양풍을 받아 이론적으로는 무한히 가속할 수 있는 기기이다.
- 미니스커트 우주해적 - 오데트 2세(백조호): 작중 독립전쟁 이전에 저연비 실험선으로 건조되어 수송선, 조사선으로 쓰이다가 독립전쟁 시절에는 무장상선인 백조호로 가장순양함 취급을 받았던 파란만장한 역사가 있다. 현재는 하쿠오 여학원 요트부 연습범선으로 활동중. 그래도 200년 묵은 짬밥은 어디 안가서 주인공의 첫 연습항해때 돛의 태양광 반사율을 조정해 뒤에서 추격하던 범죄조직을 향해 태양빛을 반사해서 광학조준을 하고있던 범죄조직의 배를 파괴하는 활약을 한다. 이후 각종 활약중.
- 스타트렉: 딥 스페이스 나인 - 시즌 3 22화에서 시스코 부자가 베이조 우주탐사 초기의 솔라 세일을 재현하여 항해여행을 떠남. http://en.memory-alpha.org/wiki/Explorers_(episode)
- 아바타 시리즈 - RDA의 성간 우주선 ISV 벤처 스타, ISV 매니페스트 데스티니가 레이저 빔 경돛 추진 시스템[8]이라고 말하는 솔라세일을 사용한다. 이름답게 레이저(광자)를 돛에 쏘아주고 돛은 그 에너지를 받아 가속하는 것이 특징이며 레이저의 강한 직진성을 이용해 보다 더 먼 거리에서도 더욱 집중된 에너지를 받아 강한 추진력을 얻을 수 있다.[9]
- EVE 온라인 - Zephir급 프리깃.
- 에이리언: 커버넌트의 해당기체인 USCSS 커버넌트.
- 스텔라리스에서는 탐사 이벤트로 잠깐 등장한다. 효과는 공학 연구수치의 버프를 주는 나쁘지 않은 이벤트.
- 포 올 맨카인드 - 드라마 시즌3에 화성탐사를 위한 NASA의 소저너 우주선에 육각형 형태의 솔라 세일이 등장한다. 대항해시대를 연상시키는 연출이 압권.
- Dyson Sphere Program 게임에서는 다이슨 스피어 구조물의 재료 겸 다이슨 스웜의 유닛이기도 하다. 해당 유닛만으로 구성된 다이슨 스웜도 에너지 공급이 되나 수명이 존재하기 때문에, 다이슨 스피어 구조물에 흡수되어야 영구적으로 동작하게 된다.
[1]
칼 세이건의 저서 코스모스의 번역본에 따르면
ICBM이라고 한다.
[2]
당시 스페이스X는 생긴 지 6년밖에 안 되었고, 이전에 팰컨 1을 두 번이나 말아먹은 꼬꼬마 기업이었으며 지금과 같은 대형 기업이 된 것은
팰컨 9이 개발된 2010년의 일이다. 해당 발사에서도 1단 로켓의 추력 조절에 실패하면서 1단과 2단이 충돌해 실패하였고 이로 인해 스페이스X가 파산할 뻔했지만, 해당 결함을 제외하고는 더 이상 문제가 없었기에 마지막 도전인 4차 발사를 기어이 성공시켰다.
[3]
Interplanetary Kite - craft Accelerated by Radiation Of the Sun: 태양 광선으로 가속되는 행성간 연형태 우주선. 동시에 발음 그대로 그리스 신화의 이카로스의 의미도 내포하고 있다.
[4]
아카츠키는 5년여가 지난 후 금성 궤도에 진입을 재시도해 성공했다.
[5]
돛이 제대로 펴졌나 보려고 이카로스에 탑재된 소형 카메라를 탐사선 위로 올려보내 사진을 찍었다. 카메라는 사진을 지구로 전송하고는 심우주미아가 됐다.
사진
[6]
돛 가장자리의 금색부분에는 빛의 반사율을 조정할 수 있는 액정이 붙어 있는데, 이것으로 방향 전환을 할 수 있다.
[7]
작중 묘사로는 1천만 제곱킬로미터, 오스트레일리아와 비슷한 크기라고 나온다.
[8]
작중 설정에서는 레이저 세일, 광자 세일이라 부르기도 한다.
[9]
광속의 70%까지 가속할 수 있다.