[고든 정의 TECH+] 우주에서 ‘초고속 광통신’ 가능할까? 나사와 유럽 우주국 개발 중

- 현재 거대 안테나로 수신

21세기 후반, 아니 22세기의 미래에는 과연 인류가 달이나 화성에 진출해 있을까요? 이 질문에 대한 대답은 어렵습니다. 기술적인 어려움은 물론이고 막대한 비용이 들어가는 일이기 때문이죠. 하지만 인류가 진보를 거듭한다면 언젠가는 지구 이외에 장소에서도 삶을 꾸려나갈 가능성이 크다고 생각합니다.

그런데 지구와 우주 기지와의 통신 문제는 어떻게 해결할까요? 지금은 소수의 우주선과 로버들만 있으니 느린 통신 속도가 큰 문제가 되지는 않습니다. 솔직히 말하면 문제가 전혀 없는 건 아니지만, 아무튼 임무는 해낼 수 있습니다.

예를 들어 명왕성과 그 위성들의 놀라운 모습을 전송한 뉴호라이즌스 호의 경우 데이터 전송 속도가 초당 1-4 킬로비트(Kb)에 불과합니다. 물론 이런 느린 속도보다는 49억km 떨어진 지점에서 보내는 미약한 전파 신호를 수신할 수 있다는 사실이 더 놀라운 일입니다. 그리고 이런 속도로 꾸준히 데이터를 보내서 우리가 보는 사진들을 얻을 수 있다는 것도 놀랍습니다.

이런 일이 가능한 것은 나사의 딥 스페이스 네트워크(Deep Space Network·DSN) 덕분입니다. 미국뿐 아니라 세계 곳곳의 거대한 안테나들이 힘을 합쳐 뉴호라이즌스가 보낸 미약한 전파 신호를 수신합니다.

물론 지구에서 가까이 있으면 훨씬 빠른 속도로 통신할 수 있습니다. 대표적으로 지구 근처에 있는 통신 위성들이 그렇게 하고 있습니다. 하지만 화성 정도만 멀어져도 상당히 큰 안테나로 천천히 데이터를 수신할 수밖에 없는 형편이죠.

사실 이 문제는 전파를 이용한 통신이 가진 한계입니다. 무선 전파는 공간에서 넓게 퍼지면서 거리에 따라 신호의 강도가 떨어지게 됩니다. 레이저를 이용한 광통신은 이를 극복할 수 있는 매우 손쉬운 대안입니다. 먼 거리에서도 신호의 강도를 유지하기 쉬우며 상대적으로 대용량의 정보를 전송할 수 있습니다.

문제는 지구와 달 사이, 그리고 지구와 화성 사이 광섬유 케이블을 깔 수가 없다는 것이죠. 따라서 현재 연구되는 것은 직접 레이저를 우주 공간에 발사하는 것입니다.

- 나사, 레이저 쏘는 FSO 추진

나사는 자유 공간 광학 통신 (Free-space optical communication·FSO)을 연구하고 있습니다. 쉽게 말해서 우주 공간에 레이저를 발사해서 광통신을 하는 것입니다.

지구의 경우 대기 입자는 물론 여러 장애물, 눈과 비 등 기상 조건에 따라 레이저가 제대로 통과하지 못할 가능성도 적지 않습니다. 하지만 우주 공간에는 희박한 입자 이외에는 특별히 레이저를 가로막는 물체가 없습니다. 물론 작은 먼지나 운석이 있지만, 이들의 밀도는 매우 낮아서 아주 드물게 통신 방해를 일으킬 수 있을 뿐입니다. 사실 이보다 더 큰 문제는 마지막 단계에서 지구 대기를 통과하는 것이죠.



2013년, 나사는 달 탐사선인 라디(Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer·LADEE)에 달-지구간 고속 레이저 통신을 테스트할 모듈인 LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration)를 탑재해 테스트했습니다.

LLCD는 잠시간이었지만 38만 5천km 떨어진 지점에서 다운로드 초당 622Mb, 업로드 초당 20Mb의 아주 빠른 속도를 보여줬습니다. 과거에는 상상할 수 없었던 속도죠. 통신 거리로 봤을 때 이는 광통신 역사상 가장 먼 거리 통신에 성공한 쾌거였습니다.

이후 나사는 2017년에 더 장시간의 레이저 통신을 테스트할 LCRD(Laser Communications Relay Demonstration)를 계획 중입니다. 안정적인 우주 광통신이 실현되기까지는 더 많은 시간이 필요하지만, 이 테스트에 성공한다면 비교적 가까운 미래에 초고속 우주 광통신이 실현될 가능성도 있습니다.

- 유럽 우주국의 AIM

유럽 우주국과 나사는 협력을 통해서 소행성 탐사 및 소행성 궤도 변경 테스트를 진행할 예정입니다. 이 중 유럽 우주국이 담당한 AIM(Asteroid Impact Mission) 탐사선에는 지름 13.5cm에 무게 39.9kg의 비교적 대형 레이저 모듈이 탑재될 예정입니다.

이 레이저 모듈은 지금까지 누구도 시도한 적이 없는 거리에서 레이저 빔을 발사합니다. 지구에서 최대 7,500만km 떨어진 지점에서 지구를 향해 레이저를 발사하는 것이죠. 그렇다고 레이저에 맞을까 봐 걱정하실 이유는 없습니다. 이 레이저는 본래 살상력을 가질 만큼 강한 출력이 아닌 데다 지구에 올 때쯤이면 넓게 퍼지기 때문이죠.





레이저가 보통 빛이나 전파보다 직진성이 강해 퍼지는 정도가 약하긴 해도 이 정도 거리를 이동하면 어쩔 수 없이 어느 정도는 퍼지게 됩니다. 따라서 문제는 레이저로 인한 피해보다는 이 약한 신호를 감지하는 것입니다.

2020년쯤 테스트 될 이 실험이 성공할지는 아직 장담하기 어렵습니다. 유럽 우주국은 지구에서 감지될 미약한 신호를 수신할 수 있는 1m 지름의 특수한 리시버를 개발했습니다. 만약 이 테스트가 성공을 거둔다면 지구 – 화성 간 초고속 광통신이 가능할 수도 있으므로 그 결과가 주목됩니다.

- 아직은 미래인 초고속 우주 광통신

가까운 미래에 성공 가능성이 큰 것은 지구 - 달 정도 거리에서 초고속 광통신입니다. 지구 - 화성 거리의 레이저 광통신은 사실 쉽지는 않습니다. 넓게 퍼져서 약해진 신호를 수신하는 문제는 물론 통신을 방해하는 장애물과 기상 상태 등 해결해야 할 다양한 문제가 있습니다.

앞으로 이를 극복하기 위해서 몇 개의 레이저를 동시에 이용하거나, 혹은 지구 대기 중으로 들어오기 전 지구 궤도에서 레이저 신호를 수신하는 방법 등이 있을 수 있습니다.

다만 이런저런 어려움이 있더라도 우주 광통신은 속도라는 큰 장점이 있으므로 앞으로 계속 연구될 분야입니다. 언젠가 인류의 후손들은 이 방식으로 대용량의 파일을 우주 저편에서 다운로드 받을지도 모르는 일입니다.

고든 정 통신원 jjy0501@naver.com