[와우! 과학] 인터스텔라 현실화?…광속 20% 초소형 우주선 난제 풀리나

초소형 우주선 1000대에 레이저빔을 쏘아 광속의 20% 수준으로 가속해 태양계에서 가장 가까운 별 알파 센타우리까지 20년 안에 보내는 이른바 ‘브레이크스루 스타샷’(Breakthrough Starshot)으로 불리는 꿈같은 프로젝트가 2016년부터 과학자들에 의해 진행되고 있다. 하지만 현재 기술로 보낼 수 있는 우주선의 크기는 고작 몇 밀리미터(㎜)에 불과해 우주 공간을 떠도는 미세먼지와 가스입자 등 성간물질이 걸림돌이 된다. 이런 물질이 우주선에 부딪히면 선체 자체가 마모돼 파괴된다는 연구 결과가 나오고 있기 때문이다.

그런데 미국 캘리포니아공과대학(캘텍) 연구진이 새롭게 제시한 이론을 실용화하면 빛으로 추진할 수 있는 물체가 단숨에 미터(m)급으로 커져 이런 문제를 극복할 수 있으므로 이론상 존재였던 광추진 기술이 현실화할지도 모르겠다.

해리 애트워터 교수가 이끄는 이들 연구진은 물체 표면에 특정한 나노 크기의 무늬를 만들어냄으로써 레이저빔을 비추기만 해도 물체를 띄우고 추진하는 방법을 네이처 자매지 네이처 포토닉스 최신호(18일자)에 발표했다.

레이저빔으로 물체를 옮기는 기술은 이미 광학 족집게(Optical Tweezer) 기술의 등장으로 실현되긴 했지만, 지금까지 기술은 레이저빔을 아주 작은 초점에 모아 입자와 그 주변의 굴절률 차이로 인력(당기는 힘)과 척력(밀어내는 힘)을 발생시켜 극미세입자를 붙들거나 옮기는 수준이다.

이에 대해 이번 연구논문의 공동저자인 오그넨 일릭 박사후연구원은 “헤어드라이어 바람으로 탁구공을 띄울 수는 있지만, 탁구공이 크거나 헤어드라이어에서 떨어져 버리면 잘되지 않는 것과 같이 광학 족집게 기술로는 우주탐사선을 먼 우주까지 보낼 수 없다”고 설명했다.

반면 연구진이 제시한 ‘자가 안정화 광추진’(Self-stabilizing photonic levitation and propulsion) 이론은 물체 표면에 이른바 나노 패터닝 기술로 불리는 나노 크기의 에칭(부식) 기법으로 특정 무늬를 만들어냄으로써 조사된 레이저빔을 반사하는 과정에서 물체의 움직임이 스스로 안정화해 진행 방향에서 벗어나도 자동으로 복구한다.

또 이 기술은 고도로 집중된 레이저빔을 사용하지 않아도 우주 공간에서 미터 크기의 물체를 움직일 수 있고, 광원에서 대상까지 수백만 킬로미터(㎞) 이상 떨어져 있어도 작용하므로 우주 개발 분야에서의 응용이 기대된다.

즉 미래에는 연료 없이 지구에서 조사한 레이저빔으로만 광속에 가까운 속도까지 가속하는 우주탐사선을 실현할 수 있으며 나노 크기의 전자회로 등 공학적 분야에서도 응용할 수 있다는 것이다. 이에 대해 애트워터 교수는 “실현까지 아직 먼 길이 남았지만, 이미 실험 단계까지는 왔다”고 말했다.

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr