레이저를 돛에 쏘아 가속되는 초소형 우주범선 나노크래프트의 개념도. 출처 : 브레이크스루 이니셔티브스

태양과 가장 가까운 별은 센타우리 프록시마다. 이 별의 행성이 프록시마b인데, 생명체가 살기 좋은 조건을 갖춘 이른바 골디락스 행성이라고 한다. 그러니 제2의 지구로 안성맞춤인 셈이다.

그런데 프록시마b가 가장 가까운 외계행성이긴 하지만 거리가 자그마치 빛으로 4.24년 가야할 거리다. 현재 우주선 속도로는 30만 년이 걸린다. 그렇다면 어떻게 프록시마b를 탐사할 것인가?

최근 세계적인 학술지 Nature에 프록시마b로 날아갈 초소형 우주선인 나노크래프(nanocraft)의 디자인과 소재, 추진 장치에 관한 미국 캘리포니아 공과대학(칼텍, 파사데나) 연구팀의 논문이 실려 관심을 끈다.

연구팀은 고속으로 우주를 항해해야 하는 나노크래프트의 주요 설계 기준을 다음과 같이 밝혔다.

“라이트세일(돛)은 1그램(g) 정도로 초경량이어야 하며, 규모는 수 평방미터(㎡) 이내여야 한다. 신소재인 그라펜은 1g으로 최소 10㎡의 돛을 만들 수 있음을 확인했다. 그리고 돛은 추진에 사용되는 빛을 모두 반사해야 한다. 빛을 조금이라도 흡수한다면 돛이 증발해버릴 것이기 때문이다.”

연구팀은 또 집적회로용 박막 생산 기술은 나노크래프트 돛을 만드는 데 사용될 수 있으며, 추진체인 레이저를 받는 조명장치는 기존 나노기술로 제작할 수 있다고 제안했다.

프록시마 탐사계획은 2016년 러시아의 투자자 및 과학 기부가인 유리 밀너와 천체물리학자 스티븐 호킹이 발표한 ‘브레이크스루 이니셔티브(Breakthrough Initiative)’의 하나인 ‘브레이크스루 스타샷(Breakthrough Starshot)’ 프로젝트이다.

‘브레이크스루 스타샷’ 프로젝트가 제시한 프록시마b 탐사선이 바로 나노크래프(nanocraft)라는 초소형 우주선이다. 이것은 몸체인 스타칩(starchip)과 빛을 추진력으로 이용하는 라이트세일(lightsail, 돛) 등 2개 부분으로 구성된다.

스타칩은 카메라, 광자 추진체, 전원공급 장치, 운항 및 통신장비를 장착한 우주탐사체이다. 라이트세일은 바다의 범선이 바람을 받는 돛을 사용하듯이 빛을 추진력으로 이용하기 위한 ‘빛의 돛’이다. 흔히 라이트세일은 돛의 의미를 넘어 ‘우주범선’ 혹은 ‘태양광 돛단배’로 쓰이기도 한다.

나노크래프트는 로켓에 의해 우주공간에 올려진 뒤 돛(라이트세일)을 펼치면 지상에서 쏜 레이저로 추진력을 얻고 가속하게 된다. 우주공간에는 공기저항이 없기 때문에 레이저를 돛에 계속 쏘면 그만큼 나노크래프트는 가속된다.

브레이크스루 스타샷 프로젝트는 나노크래프트의 속도를 광속의 20%를 목표로 잡았다. 이 속도라면 프록시마b까지 20년이면 갈 수 있다. 일본의 우주범선 이카로스(IKAROS)의 속도가 초당 400m인데 비해 나노크래프트의 속도는 그보다 15만 배 빠른 초당 6만㎞이다.

나노크래프트가 이 같은 속도를 내기 위해서는 탐사선의 경량화가 절대조건이었고, 이를 위해 나노기술과 초경량 물질을 개발해야만 했다.

이번 라이트세일(돛)의 재료와 설계 기준에 관한 연구는 브레이크스루 스타샷 프로젝트의 현실화를 향한 제1차 연구결과인 셈이다.

나노크래프트의 돛(라이트세일) 제작 기술이 실현되더라도 여전히 극복해야 할 장애물이 남아 았다. 예를 들어, 우주 먼지 등 성간물질과의 충돌이다. 초고속으로 항해하는 우주선은 작은 먼지와 충돌하더라고 엄청난 피해를 당할 수 있기 때문이다.

불확실성과 어려움은 많다. 하지만 연구팀은 성공을 확신하고 있다. 실패의 위험은 항상 존재하지만 새로운 발견을 추구하는 사람은 결코 멈추지 않는다. 이것이 연구의 본질이다.

한편 소설 '개미'로 유명한 프랑스 작가 베르나르 베르베르가 2002년 펴낸 ‘파피용’에는 새로운 지구를 찾아 우주여행을 떠나는 우주범선이 등장한다. 이것은 태양빛을 돛(라이트세일)에 받아 추진력을 얻는데, 레이저를 돛에 받아 가속하는 나노크래프트와 원리적으로 같다. 파피용은 프랑스어로 나비라는 뜻인데, 우주범선의 모양에서 따온 제목이다.

그런데 소설 속의 우주범선 파피용은 나노크래프트와 달리 엄청 큰데, 돛의 길이가 자그마치 100만㎞나 된다. 지구인 14만4000명을 태웠으니 그만큼 큰 추진력이 필요하기 때문이다.

나노크래프트 프로젝트가 성공하면 그 다음은 인간을 태울 수 있는 거대한 우주범선 ‘파피용’이 소설 속에서 튀어나올지 모르겠다.

# 기사 출처 : Science Alert, These Are The Crazy Challenges Scientists Are Working On, So We                    Can Touch an Alien Star Cosmos,   Laser-powered travel to nearby stars a step closer