1. 수학
첫 5개인 3, 5, 17, 257, 65537은 소수라는 게 1600년대 사람인 페르마에 의해 밝혀졌다. 하지만 컴퓨터가 없던 시절이니, 그 뒤의 큰 수들도 모두 소수일지는 떡밥의 영역이었다. (17세기)

천문학
수 금 화 목 토성까지는 육안만으로 밤 하늘에서 관측 가능했기 때문에 아주 오래 전부터 알려져 있었다. 1600년대 사람인 갈릴레이 갈릴레오는 목성의 위성을 추가로 발견한 정도였다. (17세기)

2. 수학
65537 다음으로 4294967297 (약 43억ㅋ)은 641 * 6700417인 합성수임이 밝혀져서 페르마의 추측은 반증이 나와 버렸다. 컴퓨터가 없던 시절에 레온하르트 오일러라는 수학자가 무려 1732년에 겨우 20대 중반의 나이로 이걸 찾아냈다. (18세기)

천문학
천왕성은 1781년, 망원경 우주 관측 덕후이던 윌리엄 허셜에 의해 발견됐다. 태양계에서 발견자의 이름이 과학사에 기록돼 있는 가장 가까운 행성이 천왕성이다. 참고로 태양-토성 거리와 토성-천왕성 거리가 서로 비슷하다!
천왕성의 발견은 인류의 오랜 우주 식견을 확장시킨 위대한 발견이었다. 저 43억짜리 수를 소인수분해 한 것처럼 말이다. (18세기) 이건 답이 제안된 걸 검산하는 것만으로도 사람 손으로는 시간이 얼마나 걸릴까..?? ㄲㄲㄲ

3. 수학
2^32 +1 다음으로 2^64 +1은 이제 형언하기 어려울 정도로 큰 수이다. 오일러 이후로 100년이나 더 지난 1855년에야 얘 역시 합성수임이 밝혀졌다. (19세기)
발견자는 토머스 클라우센이라는 수학자인데, 아무래도 오일러보다야 훨씬 덜 유명한 사람이다.

천문학
천왕성 다음으로 해왕성은 1845~46년에 걸쳐서 마치 남침 땅굴 찾듯이 여러 학자들의 계산과 추적, 관측이라는 공동 기여를 통해 발견되었다. 천왕성처럼 근성가이가 망원경으로 하늘을 끈질기게 수색하다가 혼자 발견한 게 아니라는 뜻이다. (이쪽은 숨겨진 공동 기여라고 해 봤자 주변 가족 지인이나..)
그렇기 때문에 해왕성의 발견자는 천왕성의 발견자보다야 훨씬 덜 유명하다. (19세기)

4. 수학
페르마의 수 2^32 +1과 2^64 +1은 각각 F5와 F6에 대응한다. 얘는 2의 거듭제곱과 관련이 있다.

천문학
천왕성과 해왕성은 티티우스-보데의 경험 법칙에서 각각 6과 7에 대응한다. 이 법칙에서 제안하는 수식도 2의 거듭제곱이 들어있다.

5. 수학
F6은 컴퓨터가 발명되기 전에 인간의 수작업만으로 완전히 소인수분해를 해낸 가장 큰 마지막 수이다. 컴퓨터의 도움 없이 더 큰 페르마 수 몇 개가 합성수임이 증명된 사례가 있긴 하지만, 소인수분해를 몽땅 다 해서 증명한 건 아니었다.
F6 다음의 F7만 해도 전체 소인수분해가 완료된 때는 무려 1970년이었다! (20세기)

천문학
해왕성은 현재까지 태양계에서 알려진 마지막 행성이며, 티티우스-보데의 경험 법칙의 적중률도 한계에 도달하는 시점이다.
해왕성 다음으로 명왕성은 무려 1930년에야 발견됐다. (20세기)

6. 수학
페르마 수를 20번대 이후까지 찾아봐도 그 수들은 prime이 전혀 없이 모두 합성수였다. 페르마의 추측은 65537을 끝으로 더 적중하지 않았다.
그러니 후대의 수학자들의 견해도 점점 부정적 회의적으로 바뀌었지만.. 그렇다고 소수가 전혀 존재하지 않는다고 증명이 된 건 또 아니다. 난감한 지경이다.

천문학
명왕성은 2006년에 왜행성으로 강등 재분류됐다.
여기보다 더 먼 곳은 궤도가 너무 방대하고 태양의 인력도 너무 약하니, 뭔가 자기 궤도를 독차지하는 행성이 존재하기가 현실적으로 굉장히 어렵다. 관측하기도 난감하니 제9, 제10의 행성 떡밥은 가능성이 매우 낮다.

Posted by 사무엘

2022/06/25 08:35 2022/06/25 08:35
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지구와 타 소행성의 충돌

우리가 사는 지구에 있었던 다음 굵직한 사건들을 생각해 보자.

  • 천문: 40억 년 이상 전, 달의 생성
  • 지질: 약 6500만 년 전, 중생대 백악기 말기의 대멸종 (K-Pg 멸종, 쉽게 말해 공룡 멸종)
  • 역사: 서기 1908년, 의문의 퉁구스카 대폭발

이들은 발생 시기와 규모가 서로 order of magnitude 급으로 큰 차이가 있다.
하지만 이들의 발생 원인은 모두.. "소행성과의 충돌"이 가장 유력한 정설로 여겨진다는 공통점이 있다! 신기하지 않은가? 단순 돌덩어리급을 넘어선 꽤 큰놈으로 말이다.

달이야 다른 별개의 천체가 우연히 지구로 끌려온 거라는 부부설이 유력했고, 공룡 멸종은 화산 폭발 같은 다른 이변의 가능성도 제기됐었다. 퉁구스카는 아예 외계인이나 혜성 충돌설까지 제기됐던 이변이고..
하지만, 여러 가설들 중 어느 것도 다른 가설들을 확실하게 부정시킬 수 있을 정도로 설득력이 높지 못했다. 그러니 모든 후보들이 제각각 여러 가능성 중 하나일 뿐이었다.

허나, 20세기 후반 이래로 현재는 지질 관찰을 통해 세 경우 모두 소행성 충돌설이 힘을 얻게 됐다. 소행성의 충돌을 가정해야만 설명 가능한 증거들이 발견됐기 때문이다. 그런 증거 중에는 굉장히 가까운 2010년대에 와서야 발견된 것도 있다고 한다.

1. 달

달은 지구의 크기에 비해 이례적으로 굉장히 크고 무거운 위성이다. 이렇게 부담스럽고 버거운 천체가 처음엔 따로 놀다가 나중에 지구의 중력에 쓱 끌려와서 위성이 되기란 굉장히 어렵다. 부부설· 형제설 따위는 이런 점에서 설득력을 잃게 됐다. 달은 화성의 포보스· 데이모스 같은 돌덩어리와는 성격과 위상이 근본적으로 다른 물건임이 주지의 사실이다~!

더구나 아폴로 미션 때 얻어진 월석을 분석해 보니, 얘들도 지구 지각의 성분과 굉장히 비슷했다고 한다. 그런 성분에다가 충돌로 인한 고열 때문에 변성된 흔적만 있을 뿐..!!
여러 정황상 달은 기존 지구의 성분이 떨어져 나가서 만들어졌을 가능성이 높다는 게 입증됐다.

그래서 현재는 '가이아'도 아니고 '테이아(Theia)'라는.. 화성과 얼추 비슷한 질량/무게의 소행성이 지구와 정면은 아니고 비스듬한 각도로 충돌했다는 가설이 그럭저럭 인정받고 있다.
그런 거대한 천체와 부딪혔으니 지구도 맨틀까지 드러날 정도로 충돌 지점이 깊게 파이고, 충돌 파편은 우주까지 치솟을 정도로 난리가 났다. 그걸로도 모자라서 자전 주기와 자전축까지 달라지게 됐다.

그 파편이 지구를 돌다가 차차 뭉쳐서 달이 되었을 거라는 게 이 시나리오이다. big bang이 아니라 big splash..
심지어는 이때 달이 2개 생겼다가 달끼리도 비스듬하게 충돌했다~! 현재의 달 뒷면의 울퉁불퉁한 표면이 그때의 충돌 흔적과 관계가 있을 거라고 한다.

2. 중생대 말 대멸종

평균 지름이 최소 10km 이상인 거대한 소행성이 지구와 충돌했다. 이로 인해 충격파는 말할 것도 없고 어지간한 화산 폭발 이상의 먼지가 지구 전체를 덮으면서 기후가 바뀌었으며, 이를 못 버틴 육상 동물들 상당수가 멸종해 버렸다고 여겨진다. 중생대 백악기와 신생대 팔레오기 사이의 지층에 이상할 정도로 이리듐이 많이 분포하며, 이는 강한 충격 때문에 암석이 순식간에 녹은 흔적이라는 것이 그 증거이다.

사용자 삽입 이미지

이 학설도 거의 1980년대부터 떡밥으로 던져지긴 해 왔지만, "그렇다면 그 소행성은 정확하게 지구 어디에 떨어졌을까? 그 흔적을 지금 찾을 수 있을까?"에 오랫동안 말문이 막혀 있었다.
그러다가 멕시코, 아이티 같은 나라가 접해 있는 카리브 해 일대의 유카탄 반도에 거대한 크레이터가 발견되었고, 이건 단순 화산 활동이 아니라 외계 천체와의 충돌에 의한 흔적이라는 것이 입증되었다.

소행성이 깔끔하게 넓은 태평양· 대서양 바다 중심부에 떨어졌으면 거대한 쓰나미가 발생하고 해양 동물들이 몰살을 면치 못했겠지만 하늘이 먼지로 뒤덮이는 일은 발생하지 않았을 것이다. 허나, 소행성이 땅을 건드리는 바람에 간발의 차이로 여파가 더 커졌다.

달이 "처음부터 따로 생성됐다가 끌려왔느냐, 아니면 지구의 부위가 떨어져 나갔느냐"가 핵심 논점이라면, 이 대멸종은 "지구 내부의 화성이냐, 지구 외부로부터의 소행성 충돌이냐"가 논점이었던 셈이다.
그러고 보니 이런 대멸종뿐만 아니라 빙하기에 대해서도 구체적인 원리나 원인이 현재까지 명확하게 밝혀져 있지 않다. 전부 다 화산재인지 먼지인지가 하늘을 덮어서 햇볕이 못 들어왔기 때문인지..?? 그것밖에 가능성이 없어 보인다.

3. 퉁구스카 대폭발

얘는 위의 두 사건과는 비교조차 할 수 없는 근현대에 벌어진 사건이다. 애초에 인간의 목격담 증언까지 존재한다~! 하늘에서 커다란 불덩이가 떨어지다가 공중 폭발을 일으킨 게 빼박 명백했지만.. 그 당시에는 사건을 분석할 기술과 여력이 인류에게 부족했다.
더구나 관할 국가이던 제정 러시아도 상황이 메롱이었기 때문에 자기 영토 안에서 벌어진 사건의 진상을 제대로 규명하지 못했다. 이 때문에 사건의 기괴함이 좀 더 과장 포장되었고, 음모론과 미스터리의 영역에 잠시 들어갔던 것이다.

사용자 삽입 이미지

이 사건은 매우 매우 다행스럽게도 사람이 전혀 살지 않는 시베리아 깊은 숲 오지에서 발생했다. 덕분에 2150㎢ 면적에서 아름드리 나무가 8천만 그루 가까이 쓰러지고, 15km 남짓 떨어진 곳의 순록 1500여 마리가 열기에 폐사하고, 진동 때문에 수백 km 이상 떨어진 곳에서 열차가 뒤집히고 집 유리창이 깨진 와중에도.. 사상자는 전혀 발생하지 않았고 인명 피해가 전무했다.

퉁구스카 대폭발이 소행성과의 충돌이라고 깔끔하게 결론이 신속하게 나지 못했던 건 역시 증거 수집 능력 부족 때문이었다. 뭔가가 떨어지거나 폭발했으면 폭심지에 구덩이 크레이터가 생겨야 하고 운석 파편 같은 게 있어야 하는데, 그게 발견되지 않았던 것이다.
그래서 평범한 소행성이 아니라 혜성이나 소형 블랙홀이 떨어졌다느니, 그냥 지표면의 메탄 가스가 대규모로 폭발했다느니.. 외계인이 탄 UFO가 폭발했다느니.. 의식의 흐름에 따라 온갖 희한한 떡밥들이 무려 1970년대까지도 던져졌었다.

그러나 지금은 지름 30~40m가량의 소행성이 지구의 중력에 이끌려서 떨어지다가 대기와의 마찰열로 인해 공중 폭발한 것으로 결론이 났으며, 파편도 발견되었다.
중생대 대멸종을 야기한 소행성에 비해서는 넘사벽 급으로 작지만, 그래도 이것만으로도 폭발 위력은 히로시마 원폭의 최소 수백 배는 됐을 것이라고 추측된다. 이런 게 대도시 한복판에 떨어졌으면.. 그야말로 도시나 국가가 깡그리 삭제되는 피바다 참극이 벌어졌을 것이다.

이상이다.
지질 차원에서의 대재앙이 화산이나 지진이라면, 천문 차원에서의 재앙은 태양풍이나 소행성 충돌 같은 부류이지 싶다. 각각 무슨 내란과 외환 정도에 대응하는 듯하다. 앞으로 지구와 소행성이 또 충돌할 일이 있을지 모르겠다..;;

원자력 사고에 대해 1~7인지 8인지 등급을 매기듯이, 천문학계에서도 '지구 접근 천체'들을 예의주시하면서 이들의 위험성을 나름 여러 단계로 분류하고 있다. 그 중 유명한 척도는 '토리노 척도'라는 것이다.

Posted by 사무엘

2022/02/11 08:35 2022/02/11 08:35
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천문학자들의 잉여질

* 오~ 굉장히 오랜만에 천문 분야에 짤막한 글을 하나 올리게 됐다.

1. 지구의 자전을 따라가며 관측한 최장시간 개기 일식 (콩코드)

사용자 삽입 이미지

1973년 6월 30일, 로스 앨러모스 국립 연구소 소속의 과학자들은 그 당시 최첨단 기술의 산물이요, 운임도 상상을 초월하게 비쌌던 콩코드 초음속 여객기를 전세 냈다. 그리고 그걸 타고 공중에서 개기 일식을 관측했다. (공교롭게도 과학자들의 국적이 미· 영· 프여서 콩코드 개발사의 국적과도 일치했었음)

콩코드는 극심한 공기 저항을 뚫고 무리하게 고속을 추구하느라 연료 소모가 너무 심했으며, 비행 후에 기체의 유지보수 비용도 많이 들었다. 그런 주제에 승객은 100여 명 남짓밖에 못 태웠으니, 1인당 운임은 기존 아음속 여객기의 1등석 이상으로 비싸질 수밖에 없었다.

낮은 연비로 인해 항속거리도 짧은지라, 콩코드는 대서양은 건너도 태평양은 직항으로 횡단할 수 없었다. 우리나라에서 콩코드가 취항했다면, 1990년대 이전처럼 끽해야 괌 내지 앵커리지 정도나 가지, 뉴욕이나 LA까지 곧장 갈 수 없었다. (콩코드 여객기가 마케팅 홍보 차원에서 지난 1976년 11월 9~10일엔 우리나라도 방문해서 김포 공항에 착륙한 적이 있었음.. ㄲㄲ)

허나, 마하 2라는 속도는 압도적인 매력이기도 했다. 전투기의 속도로 비행하는 여객기라니.. 얘는 적도에서의 지구 자전 속도보다도 더 빠르게 날 수 있었다. 자전 방향을 거슬러서 동쪽에서 서쪽으로 날아가면, 서쪽으로 넘어가던 해가 도로 거슬러 올라오는 광경을 볼 수 있었다.

그러니 천문학자들이 이런 생각을 하게 됐다. 지표면에서는 지구의 자전 때문에 개기일식을 겨우 몇 분 동안밖에 볼 수 없는 반면, 저 콩코드 여객기 안에서 우리도 지구의 자전을 거슬러서 계속 같은(?) 지점에 있으면 일식을 더 오래 관측할 수 있을 거라고 말이다.

그래서 이 사람들은 콩코드 여객기를 빌려서 각종 관측 장비들을 실었다. 이 콩코드는 무슨 관광버스.. 아니, 관광기 노릇을 하면서 평소에 여객용으로 전혀 다니지 않던 적도 부근의 인도양-아프리카-대서양 구간을 날았다. 과학자들은 콩코드 특유의 그 자그마한 창문을 통해 개기일식을 무려 74분 동안 관측할 수 있었다고 한다.
이때는 석유 파동이 아직 발생하기 전이고 기름값이 아주 쌌기 때문에 이런 덕질 돈지랄도 할 수 있었다.

2. 태양계 밖에서 지구를 바라본 모습 (보이저 1호)

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이건 태양계 외행성 탐사선인 보이저 1호가 무려 해왕성을 통과하고도 1년이 더 지났던 1990년 2월 14일에 찍은 사진이다.
인류가 만든 물건 중에서 지구에서 가장 멀리 떨어져 있는 놈이 바로 보이저 1호인데, 얘는 그에 걸맞게 세상 만물 중에 지구를 가장 멀리서 보고 찍은 사진을 전해 준 것이다.

1969년, 아폴로 8호가 지구를 찍은 “Earthrise(지구돋이)”라는 사진이 매우 유명하듯, 보이저 1호가 찍은 저 사진은 “The Pale Blue Dot(희미하고 푸르스름한 점)”이라는 이름으로 유명세를 탔다.
우리가 사는 지구라는 터전도 우주라는 거시세계에서는 얼마나 작고 보잘것없는 존재에 불과한지를 일깨우는 매우 의미심장한 작품이다.

이 사진은 NASA의 보이저 프로젝트에 관여하고 있던 유명 천문학자 겸 과학 저술가인 ‘칼 세이건’의 적극적인 제안 덕분에 찍힐 수 있었다고 한다.
그 당시에 지구와 보이저 호는 이미 60억 km가량이나 떨어져 있었으며, 신호를 보내는 데만 5시간이 넘는 상태였다. 지상 기지에서 실시간으로 카메라 영상을 확인하고 렌즈의 위치를 바꾸는 기동 따위는 가능하지 않았다. 사용 가능한 자원이 극도로 제한되어 있으니, 그 어떤 지시를 내리더라도 절대적으로 신중해야 했다.

그 와중에 미지의 세계인 태양계의 바깥을 하나라도 더 촬영해도 모자랄 판에, 반대로 지구가 있는 뒤쪽을 촬영하는 건 리스크가 컸다. 태양 쪽을 향해서 카메라를 잘못 구동하다가 기기를 망가뜨릴 수도 있었다. 이건 한가로운 덕질 잉여질처럼 비쳐질 수도 있었다.

그러나 다행히 저 사진은 별 문제 없이 찍힐 수 있었다. 칼 세이건의 제안 덕분에 인류는 지구를 저렇게 멀리서 찍은 진귀한 사진을 얻을 수 있게 되었다. 이것도 보이저 2호가 전해 준 천왕성이나 해왕성 사진 만만찮게 의미심장하지 않은가?

그리고 칼 세이건은 마냥 비현실 감상적 낭만적인 과학 덕후인 건 아니었다. 과학 분야의 행정가로서 국민 세금 아까운 줄도 알았으며, 무리한 유인 달 탐사의 반복에 대해서는 오히려 반대 소신이었다. 유인 달 탐사를 한 번 할 비용으로 무인 달 탐사는 n번씩 하면서 더 많은 발견을 할 수 있기 때문이라고..

보이저 1호에 장착되었던 카메라는 저 사진의 촬영을 끝으로 영구봉인되었다고 한다.
사실, 얘는 발사된 지 무려 40년이 넘었고, 이제 언제 교신이 끊기더라도 이상할 게 없는 노인학대 상태이긴 하다. 그나마 이렇게 오래 교신이 가능한 건 태양광이 아니라 물질 그 자체로부터 초월적인 에너지를 내는 원자력 전지 덕분이다.

3. 텅 빈 우주 공간에 찍힌 은하들의 모습 (허블 우주 망원경)

사용자 삽입 이미지
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‘허블 우주 망원경’이라고.. 인공위성 형태인데 여느 첩보· 통신 위성들처럼 지구 쪽을 촬영하는 게 아니라, 우주를 촬영해서 영상을 보내 주는 ‘이동식 천문대’가 있다.
얘는 1990년 4월 말에야 발사돼서 활동을 시작했으니, 아까 그 보이저의 지구 사진과 등장 시기가 비슷하다.

지구에서 우주를 관측하는 건 낮과 밤, 구름과 날씨, 대기에 의한 산란, 주변의 각종 불빛 때문에 애로사항이 매우 많다. 오죽하면 도시에서는 이제 별도 거의 볼 수 없는 지경이 됐을 정도이다. 천문대를 도심과 최대한 떨어진 오지의 산꼭대기에다 건설해 보지만, 이것도 사진의 품질을 올리는 데 한계가 있다.

보통 이공계에서 공기가 방해물로 작용하는 건 십중팔구 운동하는 물체에 대한 ‘공기의 저항’이다. 극한의 고속을 다루는 항공 우주 공학에서는 열까지 걱정해야 할 정도로 저항이 극심해진다. 그런데 천체 관측은 물체의 운동과는 전혀 무관하면서 지구 대기의 방해를 받는 영역이라는 것이 참 흥미롭다.

하긴, 물은 아무리 티없이 맑고 투명하더라도 일정 깊이 이상이 되면 빛조차 전혀 들어오지 않게 되니.. 유체는 빛의 진행 속도를 느리게 하고 진행 방향을 바꾸고, 더 나아가 빛을 차단하는 효과가 있긴 해 보인다.

그런데 아예 지구 대기권의 밖에서.. 우주에서 우주를 관측하면 저런 한계를 전혀 받지 않으면서 지구에서는 감히 상상도 할 수 없는 고품질의 관측 사진을 얻을 수 있다.
그 반면, 단점은??? 그야말로 상상을 초월하는 비용...

이거 뭐 일반 야구장과 ‘돔 구장’의 차이가 문득 떠오른다. 후자도 날씨에 구애받지 않고 언제나 야구 경기가 안정적으로 열리게 해 주지만, 건설과 유지보수 비용이 정말 살인적이라는 점에서 약간 비슷한 관계인 것 같다.

허블 우주 망원경은 우리 돈으로 환산하면 수천억~조 단위의 예산이 투입되어 개발되고 발사됐다. 하지만 얘는 만들어 내는 결과물이 워낙 압도적이고 탁월하기 때문에 전세계의 천문학자들이 한 번쯤 사용해 보고 싶어하는 로망의 대상이 됐다. NASA에서는 세계로부터 들어온 관측 신청서들을 검토한 뒤, 1년 단위로 망원경 운영 스케줄을 짠다고 한다.

그런데 그 와중에.. 1995년에 ‘로버트 윌리엄스’라는 천문학자는 예약이 꽉 찬 그 비싸고 귀한 허블 우주 망원경을 이용해서 특정 천체나 은하가 아니라 아무것도 없는 텅 빈 우주 공간을 쭉 zoom 당겨서 찍어 보면 어떨지 제안했다.

이건 아무 성과 없이 망원경의 막대한 운영 비용만 날리는 돈지랄로 끝날 수도 있는 도박 모험이었다. 더구나 극도로 어두운 우주에서의 촬영은 무슨 지구에서 셀카 찍듯이 찰칵 한 번으로 금방 끝나는 것도 아니었다. 최하 며칠 이상씩 노출을 하며 기다려야 했다.

그래서 이 제안은 가성비가 거센 찬반 논쟁의 대상이 됐지만.. 그래도 끝내는 승인되어 촬영이 시행되었다. 그런데 결과물을 들여다보니, 성경에 나오는 “깊은 데로 그물을 던져라” 같은 이변이 벌어졌다.
사진에는 무려 3천 개에 달하는 은하들의 모습이 담겼다~! 이 사진은 “Hubble Deep Field”라는 이름이 붙어서 세계의 천문학계를 발칵 뒤집어 놓았다.

우주라는 건 저기뿐만 아니라 아무 데나 대고 촬영해도 별, 아니 은하들이 우리가 차마 상상도 하기 어려울 정도로 많이 깔린 거시세계였던 것이다.
저 사진은 인류가 까마득히 가장 먼 지점을 관측한 결과물이라는 기록을 수립했다.

참고로..
(1) 지구도 쉴 새 없이 자전과 공전을 하지만 허블 우주 망원경은 지구를 도느라 지표면보다 더 빠르게 움직인다. 얘는 이 상태로도 카메라가 같은 목표물을 꾸준히 관측할 수 있도록 렌즈의 시선을 시시각각 수정하는 시스템이 갖춰져 있다.

(2) 그리고 허블 우주 망원경은 엄청 먼 거리에서 엄청 크고 빛도 내는 별이나 은하를 촬영하는 것에 맞춰져 있다. 그럼 지구에서 관측하기 몹시 힘든 천왕성, 명왕성, 해왕성 같은 걸 이 망원경으로 볼 수는 없을까? 더구나 천왕성은 보이저 2호가 다녀가던 당시에 사진을 굉장히 흐릿하게밖에 못 찍었는데 말이다.
답을 말하자면, 그건 못 하라는 법은 없지만 가성비가 맞지 않기 때문에 안 한다.

목성의 흐릿한 고리 정도는 지구에서는 제대로 관측하기 매우 어렵지만 허블 우주 망원경을 동원하면 더 선명히 볼 수 있다. 그러나 지구의 천문대보다만 나은 결과가 나올 뿐, 천왕성· 해왕성· 명왕성 같은 건 어차피 보이저 2호나 뉴 호라이즌스의 근접 촬영을 능가하는 작품이 나오지는 못한다고 한다.
결국 탐사선과 우주 망원경은 서로 용도와 임무가 다른 셈이다. 저격 소총과 자주포가 용도가 다른 것만큼이나 다르다.

Posted by 사무엘

2021/12/31 08:36 2021/12/31 08:36
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독일의 V1, V2 로켓

V1, V2..;;
안 철수가 지금으로부터 30년 가까이 전에 만들었던 안티바이러스 유틸 V3의 전신(백신 1, 백신 2)의 명칭이었고,
비행기 파일럿에게는 이륙 결심 속도, 이륙 안전 속도라고 더 익숙한 용어일 것이다.

그런데 이건 나치 독일이 2차 세계 대전 말, 패색이 짙어져 갈 때 영국을 한방 먹이기 위해 거의 발악을 하며 개발했던.. 초창기 순항/탄도 미사일의 상품명(?) 코드명이기도 했다. 거기서 V는 승리가 아니라 보복 무기(Vergeltungswaffe)라는 뜻의 단어의 이니셜이다.;;

V1은 구조적으로 볼 때 날개 달린 비행기이고 무인 비행 폭탄이었다. 길고 복잡한 전용 발사대에서 양력을 이용해서 이륙하는 방식으로 발사됐다. 비행 속도는 600~700km 정도밖에 안 됐기 때문에 당시의 유인 전투기로 접근해서 날개를 툭 건드리는 것만으로도 떨굴 수 있었다.

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그러나 V2는 날개 없이 추력만으로 수직 발사되고, 마하 5에 달하는 속도로 우주까지 날아갈 수 있는 로켓이었다. 얘는 당시 연합군의 기술로도 요격할 방법이 없었다. 그러니 날아오면 그냥 맞아야 했다..;;

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V1과 V2 모두 1944년부터 45년 초까지 몇천 발씩 발사됐다. 하지만 그 당시 기술로는 비행체를 목표물을 향해 정밀 정확하게 무인 조종하고 유도하는 기술이 심하게 메롱이었기 때문에 적에게(=연합군) 유의미한 타격은 별로 못 줬다고 여겨진다.

오죽했으면 그때는 정말 위험천만한 급강하 폭격기까지 있었다는 걸 생각해 보자. 귀한 조종사를 써서 적함을 향해 그렇게까지 무모하고 위험한 기동을 해야만 폭탄을 정확하게 명중시킬 수 있었기 때문이다.

그리고 아직 유인 초음속기 같은 게 없고 전투기조차 프로펠러 왕복 엔진이던 시절에, V1은 나름 초보적인 수준의 제트 엔진(펄스 제트)을 내장하고 있었다. 쌔애액~ 피융 하고 날아갔지, 붕붕붕 털털거리지는 않았다는 뜻이다.

나치 독일은 패망했지만, V1/V2의 연구 개발을 담당했던 폰 브라운은 미국으로 스카웃 돼 갔다. V2의 구조는 훗날 인류를 달로 보낸 새턴 V 로켓에까지 계승됐다. (이때 V는 그냥 5의 로마 숫자 표기.. 맥OS X처럼.)

전후인 1946년 10월 24일, 브라운 박사 연구팀은 미국에서 V2 로켓을 다시 생산 후, 폭탄이 아니라 카메라를 장착해서 쏴 올렸다.
로켓은 성층권과 중간권을 벗어난 열권이며, 여객기 순항 고도의 10배에 달하는 105km 부근까지 올라갔다. 그리고 이 로켓은 인류 역사상 최초로 우주에서 지구의 둥근 윤곽을 찍은 흑백 사진을 남겨 줬다.

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로켓이야 연료가 고갈된 뒤엔 다시 땅으로 자유 낙하했기 때문에 기체고 카메라고 뭐고 다 박살 났다. 허나, 철제 케이스에 담긴 필름은 다행히 손상 없이 무사히 지상에서 회수되어서 현상됐다. 그 덕분에 사진이 찍힌 게 전해질 수 있었다~! 한 장만 찍은 것도 당연히 아니고, 수 초 간격으로 수십, 수백 장을 찍었다.

이렇게 부분적인 모습 말고, 동그란 지구 전체가 한 화면에 담긴 최초의 사진은.. 지구의 대기권뿐만 아니라 중력까지 벗어난 먼 우주로 나간 뒤에야 찍을 수 있었다. 1968년 12월 말, 아폴로 8호에서 찍은 게 최초이다.
이렇듯, 우주 발사체와 군사 무기 미사일은 정말 발효와 부패의 차이만큼이나 본질이 완전히 동일하고 종이 끗발 하나 차이에 지나지 않는다.

그리고 나치 독일은 2차 대전 당시에 미사일 비스무리한 거 만들었지, 잠수함 만들었지, 야전용으로 세계에서 가장 큰 탱크도 만들고 세계에서 가장 거대한 열차포도 만들었다.
독일의 과학 기술은 정말 대단하다. 단지, 그게 미국 같은 풍부한 자원과 체계적인 품질 관리 및 제품 양산 시스템으로 이어지지 못했을 뿐이다.

그 동안 일제는 해전용으로 세계에서 가장 큰 전함을 만들었다(야마토). 일제는 독일 같은 미사일까지는 미처 못 만들고, 소박하게 폭탄 풍선을 띄워서 미국 서부의 상공까지 날려 보내고 터뜨리려 한 적은 있다.;;;

그때 일본이 대형 전함과 항공모함, 함재기를 만든 것은 임팩트가 굉장히 크지만, 잠수함을 만들고 이걸로 미국 군함을 격침시키기도 했다는 것은 존재감이 상대적으로 작게 느껴진다. 같은 시기에 잠수함은 아무래도 일본이 아니라 독일의 유보트가 본좌였기 때문이기도 했을 것이다.

여담: 머피의 법칙

머피의 법칙이라고 "하필 내가 관람을 하는 경기는 꼭 지더라, 세차를 하고 나면 반드시 비가 오더라"처럼.. 세상 만사가 꼭 재수없는(?) 쪽으로만 골라서 일어난다는 징크스를 표현한 경험 법칙이 있다.
그런데 자기 이름을 따서 이 법칙을 최초로 제안한 미국의 에드워드 머피(1918-1990)라는 사람은 심리학자나 사회학자가 아니었다. 군 소속의 항공우주 공학자였다~!

그는 1949년, 비행기가 왕복 엔진에서 제트 엔진으로 넘어가던 그 시절에 최첨단 기술의 산물이던 초음속기를 연구 개발하는 팀에 소속돼 있었다. 레일 위에서 로켓 엔진이 달린 수레 열차를 굴리면서 인체가 강한 중력가속도를 얼마까지 견딜 수 있는지를 측정했는데, 결과값이 제대로 나오지 않았다.
그 원인을 조사해 보니.. 대수롭지 않게 여기고 별 통제 없이 넘겼던 조건들이 "그런데 그것이 실제로 일어났습니다" 수준으로 몽땅 다 엉망진창 상태이기 때문이었다.

그래서 머피의 법칙은 "항상 최악의 경우를 고려해야 한다, 방심하면 일이 꼬이고 사고가 반드시 난다" 6-sigma라든가 하인리히 1:29:300 법칙처럼 공동 작업을 하는 현장에서 품질 내지 산업 안전 쪽으로 적용 가능한 건전한(?) 법칙이다.
그저 자조적인 "재수 없는 놈은 뒤로 넘어져도 코가 깨지더라 / 우린 안 될 거야 아마" 같은 염세 허무주의 메시지를 의도한 게 아니다. 전해지는 말에 따르면 머피 아재는 자기 법칙이 자기가 전혀 의도하지 않은 의미로 주변에서 너무 오남용되는 걸 보고 안타까워했다고 한다.

본인은 DJ DOC 노래를 통해서 저런 법칙이란 게 있다는 걸 처음으로 접했다.;; ㅋㅋ

Posted by 사무엘

2020/10/13 08:35 2020/10/13 08:35
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비행기와 우주발사체의 관계

1. 비행기와 우주선의 하이브리드 가능성

본인은 예전에 자동차 겸 열차, 자동차 겸 비행기, 비행기 겸 선박처럼 하이브리드 교통수단에 대해 열거해 본 적이 있다. 심지어 같은 열차라도 가변 궤간이 가능한 놈, 같은 비행기라도 고정익과 회전익이 같이 가능한 놈이 있으니 이 분야도 창의적인 활용 가능성이 생각보다 넓다.
그런데 그때 본인이 미처 고려하지 못했던 조합이 있다. 바로 비행기와 우주선의 하이브리드이다.

잠시 이런 상상을 해 보자.
인천 공항에서 대한 항공 비행기(+ 겸 우주선)를 타고, 발사대가 아닌 활주로에서 사뿐히 이륙한다. 며칠 동안의 비행(??) 끝에 비행기는 아폴로 11호의 착륙을 기념하는 달 "고요의 바다 공항"에 우아하게 착륙한다. 비행하는 동안 객실에는 바깥 온도나 현지 시각뿐만 아니라 주변의 G값도 표시된다.

귀환할 때는 "승객 여러분, 우리 비행기는 잠시 후 지구 대기권에 재진입하게 됩니다. 약 5분간 지구와의 통신이 두절되며 진동이 발생할 수 있으니 안전벨트를 착용해 주셈.." 방송도 응당 나온다.
안개가 너무 짙으면 비행기가 결항되는 것처럼, 지구 밖에 태양풍 같은 게 너무 강해져 있으면 위험하기 때문에 우주 행 비행기는 결항된다.

이건 참 낭만적으로 들리는 이야기이지만 이렇게 간편하게 우주에 다녀오는 건 현실 내지 가까운 미래에는 요원한 일이다.
우주 발사체 내지 비행체를 단 분리 없이 일반 비행기의 역할까지 겸할 수 있게 만드는 건 현재의 인간의 기술로는 가능하지 않다. 둘은 엔진 구조가 엄청나게 다르고 비행 원리도 완전히 다르기 때문이다.

우주선을 비행기처럼 운용했다간 연료를 감당할 수가 없다. 핵 미사일을 쏠 때 무슨 활주로 이륙을 시켜서 띄우던가? 우주선의 기술은 대륙간 탄도 미사일 기술과 본질적으로 완전히 동일하다. 미사일 기술과 동일하기 때문에 냉전 시절에 우주 기술이 획기적으로 발전할 수 있었다.
우주선은 미사일을 쏘는 기술에다가 발사체와 엔진 크기를 더 키우고 연료를 출력 조절이 용이한 액체 기반으로 바꾸고, 안에 사람이 타는 공간과 각종 안전 장치를 넣었을 뿐이다.

그에 비해 항공역학적인 기체 설계는 어차피 공기가 없는 우주 공간에서는 전혀 유용하지 않다. 한쪽에 특화된 기술이 다른 한쪽에서는 전혀 쓸모가 없다.
사실은 지구처럼 양력을 이용한 대기권 비행이 가능한 행성 자체도 태양계에서 지구 말고는 없다.

전쟁이 스타크래프트 인게임이 아닌 것만큼이나 우주 비행 역시 스타크래프트 시네마틱 같은 게 아니다.
터보 팬/제트부터 램 제트, 로켓까지 다양한 엔진의 종류와 구분이 괜히 존재하는 게 아니다.

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(게임에서는 종이비행기 레이쓰조차 대기권과 우주를 모두 잘만 드나들지만, 현실은.. -_-)

그렇게 SF물을 너무 많이 본 사람들은 실제 아폴로 우주선 사령선과 달 착륙선이 통상적인 비행기와 너무 동떨어지게 생긴 것을 보고 이질감을 느기께 된다. 날개 따위 없는 그냥 지상 구조물 캡슐처럼 생겼을 뿐..

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그나마 역대 우주선 중에 비행기와 가장 비슷하게 생겼고, 지구 귀환 후에 바다가 아닌 육지 활주로 착륙이 가능했던 유일한 물건은 우주왕복선인데.. 얘도 지구 대기권만 벗어난 우주에 가는 용도이지, 지구 중력을 벗어난 우주까지 간 건 아니었다.

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이렇듯, 비행기나 심지어 비행선처럼 우아하게 우주로 나가는 건 현재로서는 불가능하다.
1980년대에 나돌던 공상 과학 아이디어 중에서 정보 통신 분야는 오늘날 예상을 초월하여 달성되었지만 항공 우주 분야는 대부분 빗나갔다. 달과 화성에 기지는커녕, 이미 있던 우주왕복선과 초음속 여객기마저 대가 끊겼지 않은가?

1969년 7월 20일, 아폴로 11호 달 착륙은 가히 충격 그 자체였다. 우리나라에서는 이 날을 임시공휴일로 지정했으며, 공교롭게도 이 날에 맞춰 개통했던 경인 고속도로 연장 구간은 '아폴로 고속도로'라는 이름이 붙었다. 사람들도 개나 소나 아폴로라는 이름을 붙이면서 "미래의 과학 꿈나무 똑똑한 우리 아이는 아폴로 학원에 보내세요" 그랬다.

그랬는데 지금은 아폴로는 눈병 이름으로나 기억되고 있고.. 2010~20년대에 사람들에게 그만 한 충격을 주며 각인된 이름은 아폴로가 아니라 인공지능 '알파고'인 게 참 흥미롭다.
사실은 저 눈병(급성 출혈성 결막염)의 별명조차도 발견된 시기가 아폴로 11호의 달 착륙 타이밍과 일치하여 붙은 것이었다.

2. 철도 차량과 비행기의 국내 생산 업체

테란의 레이쓰, 발키리, 배틀크루저를 생산하는 미래의 업체는 기술력이 얼마나 될지 모르겠다만.. 다음으로 현실 얘기를 잠깐 해 보겠다.

1999년 7월 1일, 현대· 대우· 한진 중공업의 철도 차량 생산 부문을 통합해서 '한국 철도차량'이라는 합작업체가 출범하고 그게 훗날 '현대로템'으로 이름이 바뀌었다.
그런데 철도 차량뿐만 아니라 비행기를 만드는 업계도 비슷한 사정을 겪었나 보다. 1999년 10월 1일 국군의 날을 기해 현대 우주항공, 대우 중공업, 삼성 항공우주산업(업종 분리 이후 현재의 삼성/한화 테크윈)을 합병하여 '한국 항공우주산업'이라는 합작업체가 출범했다.

물론 보잉 같은 급의 대형 민항기까지 만드는 건 아니지만 경비행기, 훈련기, 헬리콥터, 무인기 정도는 뚝딱 만들고, 메이커급 전투기도 조립 면허생산 정도는 한다.

로템의 경우 본사는 철도 허브 도시인 의왕에 있고 공장 중 하나가 경남 창원에 있다.
항우산? KAI?는 본사와 공장 모두 경남 사천에 있다. 사천 공항이며, 인근의 공군 기지며, KAI 모두 비슷한 동네인 것 같다. 민간 지도에는 다 가려져서 나오지 않는다.
저기가 나름 우리나라의 항공 허브라고 봐도 될 듯하다. 철도 박물관이 의왕에 있다면, 우리나라 항공우주 박물관은 사천에 있다.

3. 지구 외의 행성에서의 비행 가능성

행성과 행성을 오가는 우주 비행이라는 건 로켓을 이용해 지구 대기권을 탈출하여 공전 궤도에 진입한 뒤, 그 다음에는 다른 천체의 중력에 끌려가거나 튕겨 나가는 고전역학을 예술적으로 조절하는 절차에 지나지 않는다. 잠깐씩 몇 분 동안 또 연료를 분사해서 가속하는 것도 있지만 나머지 대부분의 시간은 연료 없이 그냥 관성 비행이다.
이것 말고 그냥 한 천체 안에서 비행기를 띄우고 날아다니는 건 사정이 어떨까? 엔진 가동을 위해 필요한 산소 문제는 일단 빼고 생각하기로 한다.

  • 일단 진행 속도가 왕창 빨라야 양력이 생긴다. 그런데 한편으로 고속 주행과는 상극인 공기의 저항도 날개로(받음각) 잘 받아야 된다.
  • 날개의 받음각이 커지면 양력이 커진다. 그런데 그렇다고 그걸 무작정 키워 버리면 항력도 도로 걷잡을 수 없이 커지며, 기체는 실속에 빠져서 추락의 위험에 빠진다.

비행기 조종이란 건 이렇듯 서로 모순되는 듯한 여러 변수들을 적당히 조절해서 최적의 값이 나오는 지점을 찾아가는 과정이다. 그러니 날개에 달린 플랩이라는 물건도 비행기를 빨리 뜨게 할 때 쓰이지만(양력 증가), 착륙 후에 비행기를 빨리 감속시켜서 세울 때도 쓰이는 것이다(항력 증가). 그런데 플랩을 잘못 쓰면 착륙 직후에 비행기를 못 세우고 도로 띄워 버려서(양력 증가..) 기체에 대한 제동· 제어력을 상실하기도 한다. 이런 양날의 검 같은 면모는 열차나 선박 같은 타 교통수단의 운전에는 존재하지 않는 것 같다.

흔히 지구가 여러 복잡한 조건을 기적적으로 만족하여 생명이 탄생 가능했던 유일한 행성이라고 여겨지는데.. 이와 비슷한 급으로 지구만이 유체· 항공역학적으로 우리가 생각하는 비행기를 띄우고 날리는 게 가능한 유일한 행성으로 여겨진다. 적어도 태양계에서는 말이다.

달이나 수성은 대기가 없으니 날개고 양력이고 활강이고가 아무 의미가 없다. 굳이 공중으로 이동하려면 언제나 달 착륙선 같은 로켓을 띄워야 하며, 착륙할 때는 역시나 연료 역분사로 낙하 속도를 줄여서 내려앉아야 한다. 그리고 로켓은 연료 소모가 너무 극심해서 경제성이 떨어진다.

그 다음으로 금성과 지구와 화성은 공교롭게도 뒤의 행성이 앞의 행성보다 공기압이 거의 95~100배 더 옅다.
화성은 대기가 너무 옅기 때문에, 계산에 따르면 지상에서 초음속 자동차 급으로 달리며 공기를 받아야 양력이 생길까 말까라고 한다. 물론 고속 주행 자체에 공기 저항으로 인한 어려움은 지구보다 덜하겠지만, 그래도 어마어마하게 긴 직선 활주로가 필요하고 그만큼 사고 위험도 클 것이다.

반대로 금성은 공기가 워낙 뻑뻑한 덕분에 그냥 자전거 속도 정도로 달리면서 날개로 바람을 받으면 곧장 하늘로 뜰 수 있을 정도라고 한다. 양력이 아주 잘 생긴다. 다만, 어지간한 잠수함도 못 버틸 엄청난 압력인 95기압(거의 해저 수심 800m가량) 하에서 자전거 속도만치라도 달리는 게 선뜻 가능하겠는지는 별도로 생각할 문제다.;;
거기에다 고열 문제는 덤이다. 금성의 그 온도에서는 비행기 엔진이 전부 과열돼서 타 버릴 것이다.

참고로 금성은 중력가속도는 지구(9.8m/s^2)의 90% 정도이니(8.87m/s^2) 그렇게 큰 차이가 없다.
그리고 화성은 대기의 '비율'만 따지자면 거의 96%가 이산화탄소이며, 이는 의외로 금성과 동일하다. 농도만 훨씬 옅을 뿐..

목성 이후의 행성들은 그냥 설명을 생략하겠다.
목성은 중력가속도가 지구의 2배를 넘기 때문에(거의 22m/s^2) 거기서는 사람들이 자기 몸 가누기도 힘들 것이고 비행기가 뜨기도 그만치 더 힘들다. 물론, 거기는 아예 땅이 없고 거기 근접만 해도 그냥 초고압 유독가스와 방사선에 다 끔살 당할 것이다. (Quake 3의 fog of death 실사판)

나머지 행성들은 중력가속도가 그렇게 강하지는 않지만 극도의 저온과 악천후 때문에 여전히 지구 같은 낭만적인 비행이 불가능하기는 마찬가지이다.
공기가 적절한 배합과 양으로 구성돼 있고 순항 고도에 '제트 기류'라는 것까지 존재하는 지구가 그야말로 인류에게 축복이 아닐 수 없다.

Posted by 사무엘

2020/08/08 08:35 2020/08/08 08:35
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인공위성 이모저모

철도는 빼박 육상 교통수단이지만, 우리말 한정으로 천문 우주와도 일말의 접점이 있다. 바로.. ‘궤도 軌道’가 railway도 되고 orbit도 되기 때문이다.
용어 복습을 하자면, rail 궤조 ⊂ railway 궤도 ⊂ track 선로이다.

  • 모노레일은 궤도가 단 하나의 궤조로만 구성된 교통수단이고, 전차선이 바닥의 양 궤조 사이에 같이 깔려 있으면 그 선을 제3궤조라고 부른다.
  • 궤도가 상하행별로 2개로 구성된 철길은 복선 선로 double track이라고 부른다.
  • 끝으로, 시설에 구애받지 않은 통합 집합적인 명칭이 the railroad 철도이다.

물론 천체의 궤도는 지상 열차의 궤도와는 비교가 불가능할 정도로, 0의 개수가 차이가 날 정도로 길고 방대하다.
우리나라 철도의 커브는 극악의 급커브인 서울 지하철 1호선 시청-종각이 반경 140m짜리이고 최상의 퀄리티인 경부고속선의 급커브가 7000m인 반면..
우주로 가면, 지구의 인공위성만 해도 지구의 평균 반지름 6400km에다가 저궤도 300~500km를 더하면 얼추 7000km가 나온다. 7000m가 아니라 그 1000배인 7000km가 된다~!

하물며 지구가 아닌 태양을 공전하는 궤도는 뭐.. 반경이 수억~수십억 km에 달하니, 이건 그냥 직선이나 마찬가지이다. 철길이 이런 경로대로 깔려 있다면 열차는 그냥 엔진이 과열돼서 터질 때까지 밟아도 될 것이다.;;

이 시점에서 문득 테이큰 영화 대사가 떠오른다. "Do you have any idea what it costs just to change the angle of the lens on a satellite orbiting 200 miles above the Earth?" 테이큰은 악당들 때려잡는 액션만 있는 게 아니라 work out, personal 같은 성경 용어도 나오고, 더 나아가 우주에 대한 통찰까지 제공하는 영화인 셈이다~!

그래서 본인은 인공위성에 대해서 문득 관심이 생겼다. 철도, 항공 다음으로는 우주이구나.. ㅎㅎ
인공위성은 지구가 둥글다는 것을 인류의 역사상 최초로 "실물 사진"으로 입증해 준 존재이다. 더 나아가 지구 반대편에서 벌어지는 사건의 생중계, 유선 전화선이 연결되지 않은 곳에서의 국제 전화(남극이나 망망대해 선박..), 그리고 지구 어디서든지 현재 위치를 파악하는 GPS까지.. 다 인공위성 덕분에 가능해진 것들이다. 우리가 매일 너무 당연하게 얻는 일기예보와 각종 구름 사진, 미세먼지 사진도 인공위성을 통해 얻는 정보이다. 대단하지 않은가?

또한, 인공위성 중에는 지구 관측뿐만 아니라 천문 관측용도 있다. 지구에서도 천문대는 산꼭대기 같은 최대한 높은 곳에 만들려고 애쓰는 편인데, 대기의 영향을 전혀 받지 않고 우주를 우주에서 관측 가능한 것은 치트키 급의 엄청난 혁신을 천문학계에 선사했다. 허블 우주 망원경이 대표적인 예이다.

이런 엄청난 인공위성에 대해서.. 스푸트니크부터 시작해서 미주알고주알 모든 것까지는 다루자면 시간과 지면이 부족할 것이다. 내가 저 분야를 전공한 것도 아니니.. 이 글에서는 (1) 궤도 그리고 (2) 우리나라의 인공위성 개발 내력 정도만 얘기하도록 하겠다.

1. 궤도

일반적인 비행기야 대류권과 성층권 사이 보통 10km대의 고도에서 날며, 전투기 같은 특수한 고성능 비행기도 20km대를 벗어나지 못한다. 걔네들은 주변 공기를 이용해서 엔진을 상시 가동해야 하는 물건이다.

그러나 인공위성은 공기가 없는 곳에서 한번 왕창 빠르게 주어진 속도만으로 지구를 뱅글뱅글 반영구적으로 돌아야 하기 때문에.. 아무리 못해도 160km 이상의 열권~외기권 영역에서 활동한다.
여기부터 2000km 정도까지는 그냥 '저궤도'라고 불린다. 고도가 낮아야 위성이 지표면을 더 자세히 관찰할 수 있겠지만, 고도가 너무 낮으면 그만치 빠르게 돌아야 할 뿐만 아니라 공기와의 마찰도 커져서 고도의 유지가 어렵다.

아폴로 우주선은 약 190km대의 일명 parking orbit에서 지구를 1시간 28분 16초 만에 한 바퀴 도는 속도로 두세 시간 남짓 있다가 3단 엔진을 켜서 달로 갔다. 그 정도로 아주 잠깐만 있다가 자리를 뜬 것이니 그런 낮은 고도만 유지해도 괜찮은 것이었다.

인공위성들 중 유일하게 '유인'인 국제 우주 정거장은 320~345km대의 고도를 유지하는 중이라고 한다. 사람이 수시로 드나들기도 해야 하니 막 한없이 높은 곳에 있지는 않다.
테이큰에서 브라이언이 200마일 고도 드립과 함께 뻥카를 쳤던 첩보 위성도 당연히 이와 비슷한 저궤도인 셈이다.
허블 우주 망원경의 공식 고도는 559km로, 지구 관측용 위성보다야 당연히 더 높다.

지구에서 서울-부산 거리가 채 되지 않는 짧은 거리를 수평이 아니라 정확하게 수직 이동만 해도 우주가 나온다는 게 흥미롭지만.. 그 거리를 수평 이동하는 것과 수직 이동하는 것은 난이도가 말 그대로 하늘과 땅 차이이다.
1500km대의 고도는 저궤도의 끝물 정도에 해당한다. 이쯤 되면 공기와의 마찰 걱정은 덜하지만, 자기장이 강한 밴 앨런 대에 속해 있어서 전자기기들이 교란 받고 제대로 동작하지 못할 수 있다.

그러다가 대략 2000km 이상부터 36000km까지는 중궤도라고 일컬어진다. 여기는 지표면을 세부적으로 관찰하고 촬영하는 것보다는, 넓은 영역으로부터 신호를 주고받는 게 더 중요한 통신 위성이 들어가는 편이다.
대표적으로 그 이름도 유명한 GPS 위성이 약 20000km대 고도에 있다. 마치 지도가 대축척(좁은 영역, 많은 디테일)과 소축척(넓은 영역, 적은 디테일) 버전이 모두 쓰이듯, 인공위성도 용도별로 궤도의 고도가 차이가 나는 셈이다.

중고도의 한계치인 대략 36000km를 정지 궤도라고 한다. 여기는 인공위성이 지구의 자전 속도와 동일한 속도로 도는 게 가능한 지점으로, 지표면에서는 계속해서 동일 지점 상공에 있는 것처럼 보이기 때문에 정지 궤도라고 불린다.
왜 저 지점이냐 하면.. GMm/r = 1/2 * mv^2 이라는 식에서 만유인력 상수 G (6.673*10^-11 …), 지구의 질량 M (5.9*10^24 kg), 적도 지점에서 지구의 자전 속도 v (초속 463m/s)를 집어넣으면 나오는 r 값이기 때문이다.

위성의 질량 m은 서로 약분되기 때문에 계산 결과에 영향을 주지 않는다. 그리고 만유인력 상수의 단위 차원은 길이^3, 질량^-1, 시간^-2. 다시 말해 속력의 제곱에다가 길이/질량을 추가로 곱한 것과 같다. 고등학교 물리를 다시 복습하게 되네..;; 까마득한 그 옛날에 생각보다 심오하고 대단한 걸 배웠었다.

정지궤도 위성의 자전 속도는 지구의 자전 속도보다야 훨씬 빠른 초속 2.6 ~ 3km대이지만, 아무래도 저궤도 위성보다는 대략 1/3에 가까운 느린 속도이다. 그리고 그 특성상 아무 지점이 아니라 적도의 상공에서만 정지해 있을 수 있는지라, 극지방에 가까운 고위도 지방에서는 정지궤도 위성의 서비스를 받기 어렵다.

이건 한없이 추락하면서 정지하는 것처럼 보이는 것이다. 정말 가만히 있기만 해도(= 지표면에서 보기에 정지가 아닌) 지구의 인력, 달의 인력, 태양의 인력 등등이 모두 평형을 이뤄서 추락하지 않을 수 있는 지점은 거기보다 훨씬 더 멀리 나가야 도달할 수 있다. 지구와 달만 생각하면 거의 9:1에 가까운 지점인데, 지구 정지 궤도는 그 반대인 1:9에 가까운 지점이다(라그랑주 점). 이건 애초에 인공위성의 능력을 벗어난 영역일 것이다.

저궤도와 중궤도를 넘어 고궤도는.. 이런 게 있다는 것 정도만 알면 될 것 같다. 그 정도로 멀고 높은 곳에서 돌고 있는 위성이 있긴 한지 모르겠다.

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인공위성 중에는 타원 궤도를 도는 놈도 있다. 한 초점인 지구에 근접했을 때는 거의 중-저궤도 급이지만 다른 먼 초점으로 갔을 때는 지구에서 4만 km 가까이 떨어지기도 하니, 이건 저궤도와 고궤도의 특성을 모두 갖춰다고도 볼 수 있겠다.
요런 타원 궤도를 잘 설계하면 인공위성이 집중적으로 탐사해야 하는 지점에서는 천천히 돌다가, 별 필요가 없는 곳에서는 빨리 통과하게 할 수도 있다. 요건 소련-러시아가 연구를 많이 해서 '몰니야 궤도'라고 불린다.

달은 지구의 자연위성이며, 모행성에 비해 이례적으로 비정상적으로 큰 천체임이 주지의 사실이다. 지구로부터의 거리도 38만 km가 넘으니 고궤도의 갑이라 하겠다. 1년에 수 cm 남짓 지구로부터 점점 멀어진다는 것도 관측을 통해 알려져 있다.
하지만 위성은 일반적으로는 속도를 잃고 모행성과 가까워지는 게 자연스러운데, 관성 이상으로 자체적인 운동 에너지라도 있는지 모행성과 점점 멀어지는 건 역학적으로 어떻게 가능한 현상인지 모르겠다.

저에서 고까지 고도의 크기를 살펴봤으니 그럼 저궤도 위성 얘기를 좀 더 하고 이 주제를 맺도록 하겠다.
저궤도 위성은 지표면을 관찰하기 위한 용도가 대부분이기 때문에 가능한 한 지구의 모든 지점을 두루 다닐 수 있는 궤도가 바람직하다. 그래서 적도만 수평으로 도는 게 아니라 남북극 수직으로, 아니면 하다못해 비스듬한 궤도를 선택한다.

아폴로 같은 우주선이야 지구의 자전 원심력과 공전 속도로부터 뽕을 최대한 뽑는 게 목적이다. "내가 parking orbit에서 잠시 머무른 것은 추진력을 얻기 위함이었다"이니 닥치고 적도 수평 궤도만 잠깐 타고 말 것이다. 하지만 인공위성은 지구만 두루 살펴보는 게 목적이기 때문에 운용 방식이 살짝 달라지는 셈이다.

이런 저궤도의 바리에이션으로 '태양 동기 궤도'라는 것도 있다. 지구의 태양 공전면을 위에서 아래로(북극 쪽을) 내려다봤을 때, 인공위성의 공전 궤적이 지구-태양의 직선 경로와 늘 일직선이 되게 하는 궤도를 말한다.
계산이 까다롭겠지만 궤도를 이렇게 잘 동기화 시키면 위성이 매일 같은 지점을 지날 수 있으며, 인공위성이 태양열에 노출되는 빈도도 1년 내내 균형이 잡히기 때문에 기계의 수명 관리에 도움이 된다. 말이 나왔으니 말인데, 인간이 만든 기계들 중에 태양광 발전의 덕을 진작부터 제일 많이 보고 있는 물건이 바로 인공위성이기도 하다.

2. 우리나라의 인공위성 개발 이력

자국 인공위성이 없는 나라에서는 인공위성으로부터 얻는 정보나 서비스를 인공위성 보유국으로부터 매번 구입해서 사용할 수밖에 없다. 중계방송 같은 것뿐만 아니라 일기예보 데이터도 말이다. 물론 당장은 그렇게 구입하는 게 원천기술 개발보다 비용이 저렴하겠지만, 고급 서비스를 기반 기술 없이 무작정 다 수입에만 의존할 수는 없는 노릇이다.

우리나라는 1992년 8월에 발사된 '우리별 1호'가 일단 최초의 자국 국적 인공위성이다. 하지만 발사체는 말할 것도 없고 위성의 실질적인 설계와 제작까지 사실상 외국 업체였다(특히 위성의 제작은 영국). 우리나라는 아직 어깨 너머로 보고 기술을 배워야 하는 처지였다.
그러다가 1993년 9월의 우리별 2호가 국내에서 개발· 제작되어 인공위성계의 포니와 비슷한 물건이 되었다. 아직까지는 뭔가 통신· 방송 기능을 하는 위성이 아니라, 기술 습득 자체가 목적인 프로토타입 수준이었다.

자동차, 컴퓨터, 원자력에 이어 인공위성은 1990년대는 돼서야 국산이 나온 것이다.
우리별 브랜드는 1999년 5월에 발사된 3호를 끝으로 더 쓰이지 않게 되었다. 2003년 9월에 발사된 우리별 4호부터는 '과학기술위성'이라는 평범한 브랜드가 붙었기 때문이다.

인공위성을 맨땅에서 만들어 내기 위해서는 한동안 이윤 없이 기초 연구 투자를 많이 해야 하며, 결과물도 무슨 자동차처럼 엔드 유저가 바로 사용 가능한 형태가 아니다. 이거 연구 개발을 사기업이 몽땅 담당하는 건 곤란하니 국방 과학 연구소 같은 국책 연구소가 따로 만들어졌다. 그게 바로 '인공위성 연구 센터'이다. 요즘은 '항공 우주 연구원'(KARI 항우연)도 인공위성의 개발에 관여하긴 하지만, 발사체 로켓이랑 인공위성은 아무래도 목적과 성격이 다르니 연구소를 분리하는 게 이치에 맞겠다.

인공위성 연구 센터는 무려 카이스트 대전 캠퍼스의 내부에 있다~!
어이쿠, 대강당과 동문 사이의 길목에 자리잡고 있었구나.. 정말 까맣게 몰랐다. 사실, 난 항우연도 카이스트 북서쪽의 학부 기숙사 철조망 너머 바로 근처에 있다는 걸 모르는 채로 학창 시절을 보냈다. 항우연이 거기에 있다는 것도 나로 호 때문에 유명세를 타니까 따로 찾아봐서 알게 된 것이다.

우리별 시리즈 이후로 이 인공위성 센터에서 만든 위성은 과학기술위성 시리즈이다.
얘의 2호가 바로 우리나라 역사상 유일하게 자국 우주 센터의 나로 로켓으로 발사된 덕분에 '나로 과학위성'이라고 따로 명명되었다. 다만, 발사 실패로 멀쩡한 위성을 두 번이나 깨먹었던지라.. 같은 위성을 수차례 다시 만들어야 했다.
그 뒤 과학기술위성 3호는 2013년 11월에 발사됐으며, 현재까지도 관측용으로 운용 중이다.

우리별 말고 '아리랑' 위성 시리즈는 인공위성 센터가 아니라 항우연에서 개발한 저궤도 관측 위성이다. 1호가 1999년 12월에 발사됐다. 이 바닥도 마치 서울 메트로와 도철 같은 양대 산맥 계보가 있는 것 같다.

'무궁화' 위성 시리즈는 국산 기술 개발이 아니라, 그냥 자국 방송과 통신 서비스 목적으로 KT에서 외국 기업에 외주를 줘서 제작하고 발사한 위성이다. 궤도도 정지궤도로 훨씬 더 높다. 1995년 8월에 1호가 첫 발사됐으며, 얘가 우리나라 최초의 자국 국적 통신 위성이다.

한편, 지난 2010년 6월에는 '천리안'이라고 항우연에서 개발한 최초의 국산 정지궤도 위성이 성공적으로 발사되었다. 얘는 우리나라의 일기예보에도 쓰인다. 1호의 수명이 다하는 것에 대비하여 후속 2호도 이미 개발되었으며 발사를 앞두고 있다.

이런 식으로 우리나라의 인공위성 기술이 발전하고, 인공위성 서비스가 국산화돼 왔다.
다만, 우리나라는 인공위성에 비해 그걸 지구 궤도에 얹어 주는 발사체 기술이 취약하고 부실하다. 뭐, 발사체 기술은 핵무기를 쏘는 대륙간 탄도 미사일과 거의 똑같기 때문에..;; 국제적으로 규제를 받아서 개발을 못 한 것도 있다. 나로 호 한번 쏜 지도 벌써 5년이 넘게 훌쩍 지났구나..

이런 남한에 비해, 북괴는 뭐 국제 협약이고 뭐고 다 무시하고 한방 크게 해먹는 비대칭 무기에 목숨 걸면서 발사체에 나름 노하우를 갖춘 것 같다.
남한의 종북 빨갱이 정권에서는 기를 쓰고 정체를 은폐하면서 미상의 바르사체, 불쌍의 발사체라고 둘러 말하는데.. 뭐긴 뭐야 그냥 미사일이지..

솔직히 일본의 어느 또라이 극우가 독도는 일본땅이라고 헛소리 갈긴다고 해서 지금 멀쩡한 독도가 일본땅으로 넘어가는 것도 아니고, 만에 하나 일본이 평화헌법을 개정한다고 해서 무슨 1940년대 같은 태평양 전쟁 시즌 2를 일으키는 것은 불가능에 가까우며 그럴 필요도 없다.
일본이 저 뻘짓을 하는 것보다 바로 윗동네에서 계속해서 군사 훈련을 하고 바르사체를 쏘는 게 훨씬 더 위협인데.. 친중종북을 조장하기 위한 반일 반미 선동을 나는 도저히 그냥 봐 줄 수 없다.

아이고, 정치 얘기가 나와 버렸구나. 아무튼 이런 내력으로 인해 남한은 인공위성, 북괴는 발사체가 발달했다. 두 기술이 사이 좋게 융합이 됐으면 좋겠지만 그건 희망사항이고 현재로서는 가능하지 않다.

3. 우주 쓰레기, 우주 공간에서의 충돌 문제

나로 호의 발사 실패 사례를 통해 알 수 있듯, 로켓을 발사시켜서 인공위성을 띄우는 건 쉬운 일이 아니다.
또한, 고도가 충분히 높지 않은 인공위성은 공기와의 마찰이 누적되면서 속도를 잃기 때문에 아주 조금씩 지구로 도로 끌려와서 떨어지게 된다. 이 때문에 그런 위성들은 기계류의 수명과는 별개로 반영구적으로 운용될 수 없으며, 궤도 유지를 위한 연료가 고갈되면 그걸로 끝이다.

그런데, 궤도 수명보다 기계 기능 수명이 먼저 끝나서 지구와 교신도 안 되고 고철덩어리가 된 인공위성은.. 딱 곱게 곧장 끌어내릴 수도 없고 굉장한 골칫거리이다. 이런 것들을 일명 우주 쓰레기라고 한다.
우주 쓰레기들은 자신을 실은 채 지구에서 발사되었던 그 로켓의 운동 에너지를 저렇게 그대로 간직해 있다. 태평양 한복판에 플라스틱 쓰레기가 쌓여 가듯, 지구 저궤도에는 우주 쓰레기 조각들이 쌓여서 주변의 우주 발사체들의 안전에 큰 위협이 되고 있다.

먼저 우주가 아닌 비행기 얘기를 잠시 꺼내도록 하겠다.
지난 2001년 1월 31일에는 일본 스루가 만 상공에서 같은 일본항공 소속 여객기(907, 958편) 2대가 관제 착오로 인해 고작 10~20미터 남짓한 거리까지 근접한 채로 교차 통과한 '니어미스' 사고가 났었다.

승객을 몇백 명이나 태운 MD-10 및 보잉 747급 대형 여객기가 3만 피트가 넘는 순항 고도에서 시속 900~1000km로 공중충돌을 할 뻔한 것이다.
그렇게 됐으면 일본은 JAL123 추락 사고(1985)와 테네리페 활주로 참사(1979)를 능가하는 초대형 항공 사고 기록을 보유하게 됐을 것이고 일본항공의 파산은 수 년 이상 당겨졌을 것이다.;;

천만다행으로 그렇게 되지는 않았다. 하지만 양 여객기는 엄청난 후폭풍에 휘말려서 들썩이고 요동쳤으며, 특히 음료 서빙 중이던 907편은 회피 급기동을 하느라 기내가 뒤엎어지고 완전히 난장판이 돼서 100여 명에 달하는 부상자가 발생하고 회항하게 됐다. 거의 자유 낙하에 가까운 급강하라도 했는지, 서빙 카트가 붕 떠서 여객기의 위로 천장을 뚫고 내팽개쳐졌을 정도였다.
이건 준사고가 아닌 사고로 기록됐다. 정신없는 격무에 시달리다가 관제를 잘못한 관제사는 유죄 판결을 받고 해고됐다.

그런데 이와 비슷한 해프닝 내지 사고가 인공위성끼리도 있었다.
지난 2008년 9월 25일에는 한국에서 2003년에 발사했던 과학기술위성 1호(구 명칭 우리별 4호)가 거의 650km 상공에서 미국의 모 군사위성과 431m 거리를 두고 간신히 비껴간 적이 있었다. 뭐 10m보다는 넉넉한 거리이고 인공위성이 여객기보다는 훨씬 작고 가볍겠지만.. 문제는 속도다.

순항 중인 아음속 여객기가 초속 300m 정도라면 쟤는 초속 7~8km... 수십 배의 차이가 나며 쨉이 안 된다. 초속 7~8km짜리한테 430m 거리는.. 정말 옷깃이 닿은 거나 마찬가지인 초근접인데 다행히 이때는 충돌 사고까지는 안 났다고 한다. 공기가 없다시피하니 후폭풍도 없었을 테고..

하지만 2009년 2월 10일에는 실제로 외국 국적의 인공위성끼리 충돌한 사고도 있었다(미국 이리듐 통신위성 vs 러시아 퇴물 인공위성). 산산조각난 두 인공위성의 파편이 널부러지면서 우주 쓰레기의 양은 더욱 늘어나고 무질서도가 올라가게 되었다..;;

물론 지구 위의 하늘은 매우 광활하고 넓으며, 저런 극단적인 일이 자주 발생하는 건 아니지만.. 가능성이 확실한 0은 아니라는 것이다. 더구나 인공위성 하나 띄우기 위해 돈이 한두 푼 드는 것도 아닌데, 비행기의 조류 충돌도 아니고 우주 쓰레기 충돌 때문에 애써 만든 인공위성이 박살이 난다면.. 이는 매우 비극적인 일이 될 것이다. 하지만 이에 대한 뾰족한 해결책은 비용 문제 때문에 딱히 없는 걸로 난 알고 있다.

이런 비행체에 비해 고속철은 최고 초속이 겨우 8~90m가량인데.. 상하행 열차가 서로 후폭풍 없이 안전하게 교행하기 위해서 양 선로의 간격을 얼마로 두는지, 그 공기역학적 근거가 무엇인지도 문득 궁금해진다.

Posted by 사무엘

2020/03/24 08:35 2020/03/24 08:35
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우주를 여행하는 원리

1. 달

우주 발사체를 달에다가 보내는 원리는 개념적으로 이해하기 어렵지 않다. 큰 로켓을 쏴서 발사체를 일단 지구를 도는 상태로 만든 뒤, 살짝 더 가속해서 그 궤도를 원이 아니라 달 근처까지 가는 길쭉한 타원으로 만든다. 그러면 발사체는 달에 근접했을 때 달을 도는 궤도로 끌려가게 된다.

사용자 삽입 이미지

이 경로는 고안자의 이름을 따서 ‘Hohmann transfer orbit (호만 전이 궤도)’이라고 부른다.
그런데 거기까지만 하면 걔는 달을 한 바퀴 뱅 돌면서 8자 궤도만 그렸다가 다시 지구로 돌아와 버린다. 그렇기 때문에 달 근처에서는 또 연료를 분사하여 속도를 줄여서 달의 인력에 끌려가게 해야 한다.

일례로 아폴로 13호 우주선도 아직 달 착륙선을 내리지 않았고 아무 감속을 하지 않은 상태에서 사고가 났으니, 가만히 있기만 하면 지구로 자동 귀환 자체는 가능했다.
단지 그렇게 자연스러운 유턴이 금방 이뤄지는 일이 아니고, 2명분의 보급밖에 없는 달 착륙선 안에서 승무원 3명이 대피한 채로 며칠 동안 무사히 버틸 수 있겠는지가 최대의 문제였던 것이다.

새턴 V 로켓과 그 안의 아폴로 우주선이 발사될 때와 귀환할 때의 크기 차이를 생각해 보면, 지구에서 우주로 나가는 게 우주에서 달로 가는 것보다 더 어렵고 힘들다는 것을 쉽게 유추할 수 있다. 그래도 이게 인간이 지금까지 생각해 낸 가장 ‘경제적인’ 우주 여행 방법이다.

2. 화성

그럼 달보다 더 먼 행성으로 가는 원리는 어떻게 될까?
가령, 달 다음으로 주로 거론되는 곳이 화성인데, 별 차이 없다. 역시 두 행성 사이의 호만 전이 궤도를 이용한다. 지구의 자전 속도와(적도..) 공전 속도를 최대한 얻어서 우주로 날아간 뒤, 지구의 인력을 탈출할 만치만 가속했다가 화성의 공전 속도에 맞추기 위한 최소한의 감속만 한다.

사용자 삽입 이미지

우주 발사체가 이렇게 최적의 기동을 할 수 있게 지구와 화성이 배치되는 때는 대략 780일(2년 2개월)마다 한 번 주기로 찾아온다고 한다.
물론 이때는 달에만 갈 때보다 더 많은 에너지를 분사해서 더 빡세게 가속을 해야 할 것이다. 3~4일이면 가는 달이랑, 최단 거리를 잡아도 7~8개월은 걸리는 화성이 스케일이 같지 않으니 말이다. 구체적으로 필요한 엔진 크기와 연료량은 천체물리학자와 로켓 공학자들이 머리 싸매서 치밀하게 계산해 놓는다.

뭐, 그렇다고 화성 정도를 가기 위해서 로켓 크기가 터무니없이 비현실적으로 커져야 하는 건 아니다. 이동하는 건 다 관성으로 하는 것이니, 거리나 기간보다는 도달해야 하는 속도가 아무래도 화성이 더 높다는 점이 중요하다.

새턴 V 로켓만 해도 달을 넘어 화성까지 염두에 두고 굉장히 크게 만들어지기도 했었다. 지구 저궤도까지 payload 130톤, 달까지 약 43톤, 그 뒤 금성이나 화성까지 32톤이니.. 그리 나쁘지 않은 성능이다.
뭐, 이렇게 경로를 짜고 동선을 정했다 하더라도 화성으로 실제로 가는 건 말처럼 쉬운 일이 아니었기 때문에 미국과 소련 모두 중간에 통신이 두절되어 실패한 미션이 여럿 있었다. 특히 소련은 징크스 급으로 몽땅 실패해 버렸기 때문에 그 뒤로 금성이라는 내행성 담당으로 전업(?)하고, 미국이 화성 담당처럼 역할이 나뉘었다.

말이 나왔으니 말인데, 옛날 Doom 게임의 스토리에서 내가 지금까지도 굉장히 의아하게 생각하는 점은.. 화성으로도 모자라서 왜 하필 "그 작은 포보스와 데이모스라는 화성의 위성에 군사 기지가 있다는 설정을 넣었을까?"이다. 거기는 반지름이 겨우 10km대에 불과하고 동그랗게 형체도 제대로 갖추지 못한 그냥 돌덩어리인데..??

거기 표면은 그냥 무중력 상태나 마찬가지이며 탈출 속도도 엄청나게 낮다. 야구공 하나만 힘껏 던져도 우주로 날아가 버리고 다시 떨어지지 못할 텐데.. 이런 장소에서 Doom 게임 같은 거대한 던전을 만드는 것도 당연히 절대 불가능하다.
그 시절에 존 카맥 아재가 게임에서 스토리는 별로 중요한 요소가 아니라고 딱 잘라 말하긴 했지만.. 저 정도면 너무 노골적이고 성의 없는(?) 고증 무시인 것 같다..;;

3. 더 먼 외행성

그런데 이런 식으로 연료 소모를 최소화하고 나머지는 몽땅 타 행성의 중력과 관성만 이용해서 움직인다 하더라도 화성을 넘어 더 먼 행성으로 가는 것엔 한계가 있었다.
우주 속도(혹은 탈출 속도)에는 지구의 중력을 벗어나기 위해 필요한 속도만 있는 게 아니다. 태양계에서 중력의 끝판왕은 당연히 태양이며, 이는 우주 발사체도 예외가 아니다.

지구의 지표면에서 하늘로 공을 던지면 공이 얼마 못 가 땅으로 떨어지듯, 태양으로부터 멀어지라고 외행성을 향해 한번 가속을 한 것이 영원히 지속되지는 못한다. 우주 공간이니 마찰이나 공기 저항 따위는 없지만, 중력의 끝판왕 태양이 뒤에 버티고 있기 때문이다. 발사체의 속도는 아주 서서히 감소하며, 결국은 태양으로 끌려오게 된다.

지표면에서 지구를 벗어나기 위해 필요한 탈출 속도는 11.2km/s이지만 태양까지 벗어나기 위해 얻어야 하는 탈출 속도는 42.1km/s나 된다.
이런 식으로 계산을 해 보니, 현재 인간의 현실적인 로켓 기술력으로(엔진 출력, 연료 탑재량) 호만 전이 궤도 방식으로만 발사체를 쏘면.. 정말 끽해야 목성 정도까지밖에 못 간다는 결론이 도출되었다. 태양계는 우리가 책에서 보는 것보다 훨씬 더, 상상하기 어려울 정도로 광대 광활 방대 공허한 공간이다.

저 탈출 속도라는 건 공을 던지거나 대포를 쏠 때처럼 추가적인 동력 공급이 없이 원큐로만 속도를 낼 때 그 정도가 돼야 탈출 가능하다는 뜻이다. 저건 당연히 현실에서 낼 수 없는 속도이기 때문에 현실에서는 저것보다 훨씬 느린 대신에 지속적인 동력 공급이 되는 로켓을 쏘는 것이다.
그리고 그렇게 느린 로켓도 발사 직후에는 가속도가 거의 4G에 달해서 전투기 조종사 급의 훈련을 받지 않은 일반인은 견디기 어렵다. 그리고 발사된 우주선은 일단 지구를 벗어나는 것에 진을 대부분 빼 버린 뒤이기 때문에 또 큰 힘을 쓸 여력이 그리 남아 있지 않게 된다.. ㅡ,.ㅡ;;

물론 목성은 자체적인 중력이 지구보다도 훨씬 더 크고 태양으로부터도 충분히 멀기 때문에, 자기 표면에서 자기 자신에 대한 탈출 속도가 태양에 대한 탈출 속도보다 더 크게 된다. (전자 59.6km/s, 후자 18.5km/h) 스포츠에다 비유하자면 마치 자국 국가대표로 뽑히는 게 올림픽에서 메달을 따는 것보다 더 어려운 일처럼 되는 셈이다.

아무튼, 이 와중에 우주선이 태양으로부터 더 멀어지는 속력을 얻기 위해서 과학자들이 선택한 방법은 바로 ‘스윙바이’이다. 공전하는 주변 행성을 적절한 각도로 스침으로써 확 꺾여 지나가는 것..

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파이어니어, 보이저, 뉴 호라이즌스처럼 태양계 밖으로 나간 외행성 탐사선들은 다 화성과 목성을 맴돌면서 목성으로부터 힘을 받아서 초속 15~20km대의 속도를 얻었다.

세상에 공짜는 없으며 운동량은 언제나 등가 교환된다. 얘들은 개념적으로 이미 태양을 공전하고 있는 타 행성으로부터 운동 에너지를 얻은 셈이며, 이런 스윙바위를 상대해 준 행성은 우주선이 에너지를 얻은 만큼 운동 에너지를 잃고 공전 속도가 ‘감소’한다.
하지만 우주선이랑 그 행성은 무게 차이가 뭐.. 10 다음에 0이 수십 개 붙을 정도로 차이가 나니 행성의 상태 변화는 관측조차 가능하지 않을 것이다.

지구 같은 경우 자전을 함으로써 물질을 순환시키고 자기장도 생성해서 살아 있는 행성 상태가 유지되고 있는데, 자전에 이어 행성의 공전도 이렇게 우주선의 가속에 활용되고 있다는 게 매우 흥미롭다. 돛단배가 돛을 잘 달면 느리게나마 바람을 거슬러 항해도 할 수는 있다고 하는데.. 스윙바이도 뭐 그런 얘기 같다. 보이저 호들은 행성들의 공전면과 무관한 그 아래나 위로도 잘만 방향 전환을 했으니..

4. 내행성 (특히 수성)

스윙바이의 진짜 묘미는.. 태양으로부터 멀어지는 외행성에 갈 때 가속용으로만 쓰이는 게 아니라는 것에 있다. 반대로 지구보다 태양에 더 가까이 갈 때도 쓰인다.

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뭐, 금성이야 지구와 가깝고 중력이나 공전 속도도 별 차이가 없기 때문에 가는 것(궤도 진입) 자체는 크게 어렵지 않다. 서로 가까워지는 타이밍에 맞춰서 호만 전이 궤도대로 가감속만 해 주면 된다. 단지 착륙의 경우, 내부 표면 환경이 완전히 헬이니 거기서 버티는 게 어려울 뿐이다.

하지만 수성은 탐사선을 보내는 것이 다른 모든 행성들보다 압도적으로 어렵고 난감한 행성이다. 그 이유를 이론과 감으로 완전히 이해하고 있어야 훌륭한 천체물리학 전공자라고 일컬을 수 있을 것이다.;; (본인은 그렇지 않음)
얘는 태양과 가장 가깝다는 특성상, 평균 공전 속도가 다른 모든 행성들보다 압도적으로 더 빠르다. (수성 47.8km/s, 지구 29.7km/s)

이런 수성에 지구의 공전 속도를 유지하면서 날아간 우주 발사체가 수성을 향해 접근하면 계속해서 속도가 붙어서 거의 61km/s에 이른다고 한다. 까놓고 말해 태양을 향해 추락하는 거나 마찬가지인데, 거기에다 수성의 중력으로 인한 가속까지 추가되기 때문이다.

그런데 수성은 매우 작고 가벼워서 탈출 속도도 낮은 행성이다. 태양을 바로 옆에 두고서 우주선이 딱 이런 작고 빠르기까지 한 행성의 궤도에 진입해서 위성 노릇을 하는 것은 매우 어렵고 부자연스러운 일이다. 조금이라도 수틀리면 우주선은 수성을 이탈해서 태양을 도는 궤도로 끌려가 버리기 때문이다.

이런 일을 막으려면 수단과 방법을 가리지 말고 지금까지 얻었던 속도를 팍팍 줄여야만 하는데.. 정말 엄청난 양의 감속을 해야 하는 관계로 로켓 엔진만으로 감당하는 것은 도저히 무리이다. 초속으로만 따지니 감이 잘 안 잡힐 텐데, 초속 1km는 시속 3600km이다..;;; 아무리 공기 저항이 없는 공간이라 해도 절대 만만찮은 운동량이다.

그래서 수성으로 가는 우주선들은 지구, 금성, 그리고 심지어 수성 그 자체도 근접 비행하면서 스윙바이를 통해 속도를 줄이고 또 줄였다. 한 번이 아니라 여러 번 했다. 이는 마치 급경사를 곧장 오를 수 없어서 빗면, 똬리굴 등으로 우회하는 것과 비슷한 원리 같다.
이 때문에 수성 탐사선은 지구에서 발사된 후 수성 궤도에 진입하는 데 거의 7~8년씩이나 걸리곤 했다. 시간이 오래 걸리지만 이 방법 말고는 선택의 여지가 없기 때문이다.

외행성은 태양으로부터 끊임없이 멀어지기 위해서, 내행성(수성)은 태양과 가까이 있으면서 태양에 끌려가지 않기 위해서.. 다들 주변 행성의 공전력을 끌어들이는 것을 알 수 있다.

다만, 태양에 끌려갔다고 해서 우주선이 그대로 태양 표면의 플라즈마 불바다로 풍덩~ 직선 최단 거리 자유 낙하하는 건 아니다. 걔네들은 지구의 공전으로부터 이미 받아 있는 속도도 호락호락한 편이 아니다. 그렇기 때문에, 그런 물체들은 어지간해서는 태양과 가까워지면서 각속도가 붙어서 태양을 뱅글뱅글 도는 형태로 귀착된다.

내 경험상 천체의 운동이나 우주 비행 궤적은 여러 모로 직관적인 직선 최단 거리라는 게 별로 통용되지 않는 분야이더라. 직교좌표가 아닌 극좌표를 생각해야 할지도?? 그렇다고 여객기 항로처럼 무슨 구면기하학이 적용되는 영역도 아닌데.. 다만, 이 바닥은 지구 대기권의 항공역학과 달리 마찰이나 공기의 저항 따위를 고려할 필요가 없는 건 일면 장점이다. =_=;;

Posted by 사무엘

2020/03/19 08:35 2020/03/19 08:35
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지구의 자기장

매일 아침마다 우리 머리 위로 떠오르는 태양은 인간이 사는 데 필요한 열과 빛만 곱게 쏴 주는 평범한 불덩어리가 아니다.
태양풍이라고 불리는 온갖 방사선과 전자기파 같은 흉악한 ray들도 쏴 대는데, 이게 전자기기들을 교란시키는 건 말할 것도 없고, 주변 천체에 그나마 붙으려 하는 가벼운 기체(대기)들을 쓸어내고 생명체도 죽게 만든다. 태양은 불덩어리뿐만 아니라 초대형 초강력 전자 레인지와 비슷하다고 생각해도 될 것이다. (가스 레인지와 전자 레인지의 성격을 모두..)

이는 항성이라는 게 애초에 나무나 석유를 태워서 불 때는 것 같은 평범한 방식으로 발열· 발광하는 물건이 아니기 때문이다. 태양풍에 비하면, 오존층 때문에 인지도가 높은 편인 자외선의 해로움 정도는 그냥 약과로 느껴질 정도이다.
태양풍을 어찌하지 않으면 지구는 아무리 온도가 적당하고 산소와 물이 있다고 해도 다 증발하고 날아가 버리며, 정도의 차이가 있을지언정 금성이나 화성처럼 생물이 살 수 없는 불모지 사막이 돼 버린다.

고체인 운석이야 대기와의 마찰열로 그럭저럭 걸러진다. 하지만 운석보다 더 미시적인 태양풍을 차단해서 지표면의 평안과 안녕을 보장해 주는 것은 다름아닌 지구의 자기장이다. 자기장이 일종의 실드를 형성해서 지구를 감싸 준다.

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지구의 자기장이란 건 생각보다 굉장히 대단하고 고마운 물건이다. 단순히 나침반 바늘을 돌려서 방향 파악에 도움을 주는 것을 훨씬 능가하며, 지구의 생명 존재와 관련해서 오존층보다도 기여하는 것이 훨씬 더 많다. 스타에다 비유하자면 태양풍은 베슬의 EMP+이레디 복합이고, 지구 자기장은 프로토스 실드와 비슷하다.

지구에 자기장이 생성될 수 있는 것은 지구의 깊숙한 중심부에 유체 형태의 고온 고압 금속 핵이 있고, 내핵과 외핵의 온도 차이로 인한 대류가 발생하고, 그 상태로 그럭저럭 지구가 자전도 해서 얼추 발전기가 돌아가는 것 같은 상황이 만들어지기 때문이다. 천체의 자기력의 원천은 영구 자석이 아니라 일종의 전자석이며(다이나모 이론).. 지구의 자전은 지표면에서 낮과 밤을 만들고 물질을 순환시키는 것 말고도 밑바닥에서 이런 중대한 일까지 덩덜아 하는 셈이다.

그렇기 때문에 지구가 자전을 멈춰 버리면 (1) 낮과 밤 구분이 엉망이 되고 (2) 기상과 기후도 싹 바뀌고, (3) 지금까지 원심력 때문에 적도 쪽에 몰려 있던 바닷물이 다시 남북의 고위도 지역으로 흘러가서 수위가 상승하고 저지대가 침수될 뿐만 아니라.. (4) 지구의 자기장까지 사라지게 된다.

그러면 지구도 태양풍을 직격으로 맞으면서 화성보다는 금성의 마이너 버전을 찍게 된다. 태양이 굳이 적색거성으로 부풀지 않아도, 지구 온난화가 악화되지 않아도 지금 정도의 거리와 태양의 위력만으로도 그렇게 될 수 있다는 점이 몹시 섬뜩하다.

하긴, 금성만 해도 지구보다 대기가 훨씬 더 짙으니 운석이 지표면까지 떨어질 걱정 따위는 안 해도 될 것이다. 하지만 금성은 모종의 이유로 인해 자전이 끔찍하게 느리다(자전 주기가 공전 주기보다도 더 긺..). 느린 정도를 넘어 자전 방향 자체가 반대이니, 이건 얘만 뭔가 자전 브레이킹-_- 같은 인위적인 조작이 가해져서 마이너스, 역방향 후진을 하는 거나 마찬가지이다.

그래서 얘는 지구에 근접하는 스타일의 행성이 될 기회를 놓치고 표면이 태양풍에 탈탈 털렸으며, 그 와중에 화산 같은 지질 활동의 결과로 발생한 이산화탄소와 황산을 수습하지 못하고 끔찍한 온실효과 불지옥으로 전락했다.

지구는 그렇게 되지 않았다. 비교적 빠른 자전, 그리고 풍부한 자기장 덕분에 지질학적으로나 생물학적으로나 살아 있는 행성이 될 수 있었다. '선캄브리아'라는 까마득히 먼 옛날에 어떤 계기로 시아노박테리아의 활동 덕분에 대기 중에 산소의 농도가 크게 증가했다. 선캄브리아 시대는 한국사로 치면 마치 고조선만큼이나 기간은 길지만 너무 오래돼서 알 수 있는 게 별로 없는 기간이다만..
그 뒤로 지구와 금성의 상황이 달라진 것을 국사에다 비유하자면 남북 분단과 전쟁 이후에 남한과 북한의 상황이 달라진 것만큼이나 극단적이다.

우주 천체에서 생명체의 존재 가능 조건을 생각하 보면.. 크기, 무게, 온도, 대기 등 수많은 변수들이 하나라도 약간이라도 어긋나면 그냥 게임에서 사망 트랩 밟듯이 끝이다.
그러니 인간이 달에 나갈 때만 해도 물은 말할 것도 없고 숨 쉬는 산소까지.. 승무원 3명의 생존을 위해 필요한 모든 물자는 지구에서 100% 조달해 갔다. 양과 무게를 철~저하게 계산해서 말이다. 우주 현장(?)에서 조달 가능한 것이라고는 전혀 없었으며, 자그마한 사고라도 났다간 이 사람들은 그냥 "우주에서 다이"였다.

그러니.. 비록 직접적인 물증은 아니지만 그 너무 광활한 우주에서 딱 하나 지구 같은 행성이 생긴 것은.. 어떤 사람에게는 좀 불편하게 들릴 수도 있지만, 우연히 됐다고 볼 수 없고 신· 절대자의 의도와 설계에 의해 된 거라고 '심증상으로' 믿는 것은 누가 뭐라 할 수 없을 것이다.
사실, 복음 전하고 기독교를 변증할 때 "우연히 될 수 없다"라는 요지로 창조는 그냥 간접 증거로만 얘기하고 넘기고, 더 중요한 "예수 부활"이야말로 증언을 바탕으로 역사적인 팩트라고 얘기하면 된다.

여담..

(1) 지구 대기의 중간권을 넘어서 열권쯤부터 전리층이 시작되고, 밴 앨런 벨트는 거의 외기권쯤부터 시작되는가 싶다. 열권이면 이미 우주 발사체의 궤도도 포함된다. 서울-부산보다도 짧은 거리를 위로 수직 상승만 하면 단순 영공을 넘어 우주인데 그게 어렵다. 그만큼 지구의 중력을 벗어나는 게 어려운 일이다. (국제 우주 정거장이 지구를 돌 때마다 아래 국가들에다가 영공 통과료를 지불하지는 않음.. 애초에 항공 관제를 받을 수도 없다)

(2) N, S 중 한 극만 단독으로 갖고 있는 단극 자석, 혹은 자기홀극이 과연 존재하는지의 여부는 수학으로 치면 홀수 완전수의 존재 여부와 비슷한 느낌인 것 같다. 이론적으로 존재할 수 있고 존재 불가능이 증명된 건 아니지만.. 그래도 존재하기 위한 조건이 굉장히 까다로워 보인다.

(3) 전자석과 반도체는 어떤 특성을 조건부로(자성, 도체) 가지면서 일반 영구 자석이나 일반 도체보다 훨씬 더 유용하게 쓰인다는 공통점이 있다. 물론 전기 전자 공학의 학문적 난이도는 그에 비례해서 수직 상승했다.;;

Posted by 사무엘

2020/02/19 08:36 2020/02/19 08:36
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태양계의 천체들 중에 (1) 인간이 지구 말고 직접 착륙하고 다녀온 적이 있는 천체는 2019년 현재 달이 유일하다. 그럼 사람 말고 (2) 탐사선이 사뿐히 착륙해서 활동이라도 한 적이 있는 천체는 더 먼 금성과 화성이 있다.
그런데 금성은 극심한 고온 고압 때문에 탐사선이 한두 시간 버틸까말까인 지경이다. 앞으로 정말 그럴싸한 명분과 떡밥이 생기지 않는 한, 금성 착륙 미션이 가까운 미래에 또 행해질 것 같지는 않다.

즉, 무인 탐사선이 성공적으로 착륙해서 며칠~몇 주 이상 동안 탐사 가능하고, 실제로 그런 내력이 있기도 한 천체는 태양계에서 화성이 유일하다.

그리고 착륙이 아니라 (3) 탐사선이 추락· 운지한 적이 있는 천체는 더 멀리 수성과 목성, 토성까지 간다. 수성은 메신저(2015. 4. 30.), 목성은 갈릴레오(2003. 9. 21.), 토성은 카시니-호이겐스(2017. 9. 15.) 딱 한 번씩이 유일하며, 그것도 시기가 다 21세기로 생각보다 최근이다!

물론 이것들은 10~20년씩 돌면서 해당 행성의 자료들을 왕창 보내 준 뒤, 추진체의 연료가 다 떨어져서 궤도 유지가 안 되는 지경이 되자, 통제불가 우주 쓰레기를 만들지 않기 위해서 일부러 최후의 연료를 사용하여 궤도 이탈과 소멸을 선택한 것이다. 마치 전쟁터에서 적군에게 포로로 잡히지 않기 위해 마지막 총알로 자기 머리를 쏘는 것과 비슷하게 말이다..;
메신저야 대기가 없는 수성의 표면에 떨어져서 박살나고 표면에 자그마한 크레이터라도 남겼겠지만, 목성과 토성으로 뛰어든 탐사선들은 짙은 대기 마찰로 인해 그냥 아무 흔적도 없이 불타고 짜부러져 사라졌을 것이다.

천왕성 이상부터는 보이저, 파이어니어, 뉴 호라이즌스 같은 외행성 탐사선들이 스쳐 지나가면서 사진만 찍었지, 착륙이나 충돌 같은 방식으로 인간이 접근한 내력이 전무하다. 접근은커녕 관측부터가 너무 어려우며 드문 실정이다. 이미 토성에서 천왕성 사이가 태양에서 토성까지의 거리에 맞먹을 정도로 거리가 살인적으로 멀다는 것을 우주덕이라면 감을 잡고 있을 것이다.

그런데 사실은 (2)에 속하는 천체, 다시 말해 무인 탐사선이 착륙한 천체가 태양계에 하나 더 있다. 그것은 바로 토성의 위성인 타이탄이다.
카시니-호이겐스 호는 1997년에 발사되어 7년에 달하는 비행과 스윙바이 끝에 2004년에 토성의 궤도에 진입했는데, 그 중 '호이겐스' 호에 속하는 부분은 분리되어서 2005년 1월 14일에 토성의 위성인 타이탄에 착륙했다. 이것은 인간이 만든 우주 탐사선이 화성과 목성까지 초월하여 가장 먼 천체에 착륙한 기록인 동시에, 행성이 아니라 달 외의 또 다른 행성 위성에 착륙한 최초의 기록이기도 하다!

그럼 타이탄은 어떤 위성이며 과학자들은 왜 타이탄을 선택한 것일까?
타이탄은 토성에서 가장 큰 위성이며, 태양계 모든 행성들의 위성 중에는 목성의 위성 가니메데에 이어 둘째로 큰 위성이다.
크기로만 따지면 얘는 행성인 수성보다도 약간 더 크다. (수성은 달보다 약간 더 크고..) 다만, 밀도는 수성보다 훨씬 더 작아서 전체 질량이 수성의 40% 남짓이라고 한다. 사실, 수성은 태양과 너무 가까운 관계로 딱딱하고 무거운 금속 핵 위주로만 남아서 밀도가 커진 편이다. 옛날에 원래는 수성이 지금보다 더 큰 행성이었을 가능성이 높다.

이 타이탄은 토성에 딸린 수십 개의 위성 중 하나이지만, 땅이 있는 천체들 중에서 이례적으로 짙은 대기가 존재한다. 겨우 그 크기와 질량 주제에 표면 대기압은 1.41기압으로 지구보다도 더 높으니 놀랍기 그지없다. 대기의 98%는 질소라고 하는데, 나머지를 차지하는 메탄 가스, 그리고 -180~-170도대의 낮은 기온 때문인지 대기는 금성처럼 온통 누렇다.

그리고 관측 결과에 따르면, 타이탄의 내부에는 대기뿐만 아니라 액화(= 액체) 탄화수소가 강, 바다, 호수의 형태로 흐르고 구름을 형성하고 비가 내리는 등 나름 순환까지 한다고 한다.
저기는 태양으로부터 너무 멀어서 끔찍하게 춥고, 물과 산소가 아니라 온통 메탄밖에 없는 불모지이지만, 그 먼 곳에 액체와 대기가 있는 천체가 존재한다는 사실은 과학자들을 흥분시키지 않을 수 없었다. 태양으로부터 엄청 멀리 떨어져 있으니 그런 대기 같은 물질도 달라붙어 있는 셈이다.

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오오.. 호이겐스가 착륙한 타이탄 표면은 금성이나 화성 같은 행성과 마찬가지로 온통 돌밭 뻘밭이었다. 하강하는 동안에는 타이탄의 상공에서 내려다본 표면 사진도 보내 줬는데.. 무슨 산맥 같은 지형이 보였다.
참고로, '호이겐스'(현지 발음으로는 하위헌스)라는 이름부터가 타이탄을 최초로 발견한 네덜란드의 물리학자 겸 천문학자 이름에서 딴 것이다.

착륙하는 지점이 혹시 액체 바다는 아닌가 우려되었으나 그렇지 않았다.
옛날에 아폴로 우주선이 달에 착륙할 때도 혹시 흙먼지에 파묻히지 않을까 하는 우려가 있었는데 다행히 그렇지 않았던 것과 비슷한 맥락이다.
대기가 너무 짙어서 하늘에 모성인 토성이 뜨고 지는 모습을 제대로 볼 수 있나 모르겠다. 그리고 태양에서 그렇게도 먼 곳인데 깜깜한 암흑 천지는 아닌지, 저 정도의 풍경 사진 촬영이 가능한 광원이 주변에 있는지 궁금하다.

호이겐스는 착륙 후에 각종 데이터들을 지구로 직통으로 보낸 게 아니라 모선인 카시니에게로 보냈으며, 카시니는 그걸 지구로 보내 줬다.
허나, 호이겐스와의 교신은 그리 오래 지속되지 못했다. 교신은 착륙 후 약 90분 남짓 지속되다가 두절되었으며, 그 뒤로 호이겐스는 연락이 영원히 끊어졌다. 공식적인 사유는 호이겐스 쪽의 통신 장치가 극저온에 오래 노출되면서 고장 났기 때문이라고 한다.

타이탄이 무슨 금성 같은 고온 고압 불지옥도 아닌데 왜 탐사선이 2시간을 채 버티지 못했는지는 난 잘 모르겠다. 광활한 우주 공간도 어차피 극저온이긴 마찬가지인데?
다만, 진공에서의 저온과 지구 같은 대기가 있는 곳에서의 저온은 여파가 분명 차이가 있을 것이다. 마치 뜨거운 공기와 뜨거운 물의 열전달 여파가 다른 것처럼 말이다. 또한 스마트폰과 자동차만 해도 날씨가 영하 수십 도 이하로 추워지면 배터리가 방전되고 난리가 나는데.. 하물며 훨씬 더 저온에서는 정교한 전자 기기가 분명 탈이 나긴 할 것이다.

타이탄이 금성 같은 곳은 아니지만 그렇다고 화성처럼 착륙한 탐사선이 수 개월 동안 안정적으로 활동 가능한 곳도 아니었나 보다.

이렇듯, 카시니-호이겐스 탐사선은 인류에게 토성에 대해 굉장히 많은 새로운 정보를 제공해 줬다. 결말만 얘기하자면 호이겐스는 2005년에 위성 타이탄에 착륙했고, 카시니는 2017년에 토성으로 떨어져서 각자 자기 임무를 마치고 산화했다. 얘는 상당수의 비용은 미국 NASA에서 부담했지만 그래도 명목상으로는 유럽과 공동으로 진행한 프로젝트이다.

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요 매끈한 아름다운 토성 사진도 카시니-호이겐스 호가 찍은 것이다. 물론 그 전의 보이저 탐사선도 토성 사진을 찍긴 했다만..
목성은 고리가 딱히 보이지 않고 온갖 울퉁불퉁 나뭇결무늬로 가득한 반면, 토성은 표면이 아주 매끈하다는 차이가 있다.

그리고 외행성 탐사선들은 어째 태양계 공전면의 위· 아래로 잘도 드나드는 것 같다. 토성을 올려다보며 찍은 사진과 내려다보며 찍은 사진이 모두 존재하기 때문이다(상하가 일부러 뒤바뀐 건 아니라고 가정하면..). 자세한 이론 배경은 잘 모르지만, 스윙바이만으로 공전면의 위나 아래로 진행하는 것 자체는 충분히 가능하다고 한다.

Posted by 사무엘

2019/08/16 08:37 2019/08/16 08:37
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심우주 통신망

인류는 19세기에 전깃줄을 이용한 전화라는 유선 통신 기술을 발명해 냈으며, 20세기 초에는 아예 전자기파를 이용한 장거리 무선 통신 기술까지 개발했다.
그리고 1960년대에는 통신 위성 덕분에 아예 둥근 지구의 반대편으로 전화와 TV의 전파를 실시간으로 주고 받는 게 가능해졌다. 위성 생중계가 최초로 시작된 올림픽이 1964년의 도쿄 올림픽이었다고 그런다.

그러니 유선 전화에 전혀 의존하지 않는 무선 전화도 오래 전부터 있긴 했다. 단지 기계값과 시간 당 통화료가 아주 비싸기 때문에 자동차나 선박에 장착되는 사치품 내지 아주 특수한 물건으로 취급되었을 뿐이다.
그러던 것이 1990년대 말부터는 그냥 전국민 1인 1휴대전화 시대가 시작됐다. 이를 위해서 전국 곳곳에 휴대전화 기지국이 건설되었으며, 각종 건물과 지하철 내부에도 중계기가 설치되었다.

전깃줄 중에 진짜로 전기를 보내는 용도로만 사용되는 굵은 송전선은 지상의 산들과 철탑 위로 아주 높고 길게 뻗어 있다. 요즘 만드는 도시들 내부에서는 지중화되어서 지하로 지난다.
다음으로, 동축 케이블이니 광섬유 케이블이니 하는 이름으로 데이터 통신을 담당하는 전깃줄들은 대륙과 대륙을 연결해야 하기 때문에 바다 밑으로 쫙 깔려 있다. 해저 지진이 나서 이런 케이블이 파손되면 주변 국가들의 인터넷 속도가 느려지는 사태가 발생한다.

인간이 지난 수십 년 동안 지구 곳곳에 깔아 놓은 통신 인프라를 생각하면 경이로움마저 느껴진다. 민간보다는 군용에 더 가까운 레이더(radar) 관련 기술도 말이다. 따지고 보면 레이더의 발명은 비행기의 발명 그 자체만큼이나 비행기의 운용· 관제 방식과 공중전의 양상을 근본적으로 바꿔 놓았다.

2차 세계 대전 당시에 일본에서는 자국인 과학자/공학자가 아주 훌륭한 레이더용 안테나(야기-우다 안테나)를 발명했는데, 그걸 군부에서 제대로 활용하지 않는 병크를 저질렀다. 그래서 정작 적국인 연합국(영국)이 그 기술을 활용해서 전쟁에서 일본을 관광 태웠다는 안습한 일화까지 전해진다.
레이더도 원래 레이저(laser)처럼 복잡한 단어들 이니셜로 만들어진 단어이지만, 지금은 그 자체가 새로운 형태소처럼 쓰인다.

그런데 경이로운 통신 기술은 지구 대 지구 스케일만 있는 게 아니다. 지구 대 우주 분야도 있다.
까놓고 말해 달에 착륙한 아폴로 11호 승무원들의 활동 동영상은 어떻게 해서 지구로 실시간 중계될 수 있었을까?
뉴 호라이즌스 호가 보낸 명왕성 사진은 어떻게 해서 지구로 잘 전달될 수 있었을까?
신호가 가는 데 편도로만 17시간이 넘게 걸린다는 보이저 탐사선은 어떻게 지금도 지구와 교신이 되고 있을까?

우주로 나가려면 적도 근처에다 우주 센터와 발사대를 만들고 로켓만 죽어라고 쏴 올릴 게 아니라, 로켓에 실린 탐사선이 보내 주는 정보를 넙죽넙죽 잘 받기 위한 통신 시설도 반드시 개발해야 한다. 그래서 미국 NASA에서는 진작부터 Deep Space Network(심우주 네트워크)라는 이름으로 전파 수신용 거대한 접시형 안테나 기지를 만들었다.

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20세기 초· 중반까지만 해도 우주는커녕 지구 표면의 남극이나 에베레스트 산 정상을 탐험하는 사람들과도 실시간 무선 통신이 가능하지 않았으며 그들의 생사를 곧장 확인할 수 없었다. 주변 풍경 인증샷은 탐험가들이 카메라로 찍은 뒤에 무사 귀환할 때까지 필름을 반드시 잘 간수해야만 전해질 수 있었다!

아폴로 우주선의 달 탐사가 그런 식으로 답답하게 진행되지 않고 전세계 텔레비전으로 전파를 타고 생중계된 것은 매우 다행스러운 일이 아닐 수 없다.
이런 안테나 기지는 로켓이 실제로 발사되고 수많은 관중들이 몰리는 우주 센터보다는 존재감이 훨씬 덜하다. 하지만 이런 시설에서 일하는 사람들도 우주 탐사의 숨은 일등공신이라 불리기에 전혀 손색이 없을 것이다.

NASA 내부에서 이 안테나 기지를 관리하는 부서는 '제트 추진 연구소'이다. 이름만 봐서는 만년 발사체 연구만 할 것 같은 곳에서 통신망까지 연구한 것은 우연이 아니라 하겠다. 우리나라의 인터넷 인프라의 대부인 전 길남 박사/교수도 젊은 시절에 저기서 근무한 경력이 있는 것이 잘 알려져 있다.

저기는 비행기용 제트 엔진(터보 팬 같은..?)을 연구하는 곳이 전혀 아니다. 엄연히 산화제까지 같이 들어있는 우주 발사체용 로켓 엔진의 연구가 본업이다. 하지만 저 연구소가 처음 생겼던 당시에는 '로켓'이라는 단어가 그리 대중적이지 않았기 때문에 이름이 저렇게 붙은 것이다.

비슷한 다른 예로는 IBM이 있다. 이름에 '컴퓨터, 정보' 같은 단어가 들어가기에는 역사가 너무 긴 기업인 관계로, 오늘날까지도 고작 '국제 사무용품 기기'라는.. 마치 국제시장 같은 매우 낡은 명칭으로 통용되고 있지 않은가? 그래도 워낙 넘사벽급의 기술과 인지도를 자랑하는 세계구급 기업이니 이름 따위는 바꿀 필요가 없다.

제트 추진 연구소 때문에 이야기가 잠시 옆으로 샜는데, 다시 안테나 얘기로 돌아오기로 한다.
사진을 보면 알겠지만, 이들 기지에 만들어진 안테나는 지름이 30m대 내지 70m대까지 있을 정도로 매우 거대하다.
그리고 한 곳에만 있는 게 아니라 다음과 같이 대략 120도대의 경도 간격으로 세 군데가 존재한다. 그래야 임의의 지표면에 도달한 전파가 지구의 자전에 구애받지 않고 셋 중 적어도 한 곳 이상에서 언제나 수신 가능하기 때문이다.

  • 미국 서부의 캘리포니아 바스토우 모하비 사막 (UTC-08:00)
  • 스페인 마드리드 (UTC+01:00)
  • 오스트레일리아 캔버라 (UTC+10:00)

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위의 그림은 지구를 북극점 위에서 내려다본 시점에서 세 기지가 감지 가능한 신호 영역을 나타낸 것이다.
가령, 1969년 아폴로 11호의 달 착륙 신호를 최초로 잡아서 전세계에 타전한 곳은 미국이 아닌 오스트레일리아 기지였다. 미국에서도 잡히긴 했지만 저쪽이 신호가 더 또렷했다고 한다.

보행자와 차들로 북적대는 육지의 도로와 달리, 비행기가 순항하는 공중이나 배가 항해하는 공해는 장애물이 없다시피하다.
하물며 우주의 스케일은 지구를 훨씬 능가한다. 우주는 정말 우리가 상상하기 어려울 정도로 너무 방대 광대하게 텅 빈 공간이다. 태양계 행성들의 크기는 행성들 간의 거리에 비하면 새 발의 피 수준에 지나지 않는다. 우주 탐사선은 한번 가속을 한 뒤엔 관성으로 한없이 등속 운동만 하면 되며, 전파도 그냥 조준만 잘 해서 쏴 주면 지구나 탐사선에 도착하는 건 그냥 시간 문제일 뿐이다. 다른 장애물에 부딪칠 걱정은 사실상 할 필요가 없다.

우주 공간에서 지구와 탐사선의 사이에 물리적인 장애물 걱정을 할 필요가 없는 건 일면 다행이다.
하지만 외행성 탐사선의 경우, 지구와 워낙 너무 멀리 떨어져 있기 때문에 전파도 진행하는 동안 점점 넓게 퍼지고 신호가 약해진다. 게다가 지표면에서는 주변에 숱하게 돌아다니는 지구 발 노이즈들을 걸러내고 그 약한 우주 발 신호만 증폭해서 받아야 한다.

신호를 보낼 때야 지구에서 최신 설비로 최고 출력 고주파로 그나마 최대한 빵빵하게 쏘겠지만, 가녀린 탐사선에서 지구로 보낸 신호를 받는 것은 정말 보통일이 아닐 것 같다.
안테나가 괜히 저렇게 거대한 게 아니다. 그나마 지금은 기술의 발달 덕분에 옛날 같은 지름 70m짜리는 필요하지 않고 30m대만으로도 충분하다고 그런다.

그나마 보이저보다 나중에 더 최신 기술로 발사됐고 지구에 훨씬 더 가까이 있는 뉴 호라이즌 호도 거기서 지구까지 전파가 도달하는 데 4~5시간을 잡아야 한다. 그런 propagation delay와는 별개로, 데이터의 전송 속도도 초당 수백 바이트, 1980년대의 2400~9600bps 모뎀 수준에 지나지 않는다고 한다. 거리가 너무 멀고, 탐사선의 전파 출력에도 한계가 있기 때문에 이건 뭐 어쩔 수가 없다.

그렇기 때문에 탐사선은 자기 메모리에 저장해 놓은 수십 GB에 달하는 사진들을 지구로 찔끔찔금 보내느라 그야말로 세월아 네월아 애써야 했다.
propagation delay인 4~5시간만 지나고 나면 지구에서 인터넷 하듯이 고화질 명왕성 사진이 짠~ 뜨는 건 인류의 기술로는 아직 가능하지 않다.

지구가 둥글다는 건 말할 것도 없고, 빛의 속도조차도 느리다는 걸 실감하는 직업에 종사하는 사람들은 평소에 자기 전공과 생업에 대해서 무슨 생각이 들지 궁금해진다.
더 나아가 달 같은 데서 지구의 인터넷을 연계해서 쓰는 게 가능해질까? 흥미로운 상상이 아닐 수 없다.

Posted by 사무엘

2019/04/18 08:31 2019/04/18 08:31
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철도를 명절 때에나 떠오르는 4대 교통수단 중 하나로만 아는 것은, 예수님을 사대성인· 성인군자 중 하나로만 아는 것과 같다.

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