햇빛만으로 떠오르는 광영동 비행체, ‘중간권의 새 눈’을 열다

비행기와 기구가 닿기엔 너무 높고, 위성에는 너무 낮은 지구 대기층이 있다. 지상 50~100㎞ 상공의 ‘중간권’이다. 이 영역은 극저압·저온 환경으로 인해 관측 장비를 띄우기가 극도로 어렵다. 그런데 최근, 전혀 다른 방식으로 이 난제를 풀어낼 수 있는 비행체가 처음으로 실험에 성공했다. 동력원은 엔진도, 배터리도 아닌 오직 햇빛이다.

광영동 원리와 실험 성과

광영동(photophoresis)은 19세기 말부터 보고된 물리 현상으로, 물체의 한쪽 면이 다른 면보다 더 따뜻해지면 그 면에 부딪힌 공기 분자가 더 큰 에너지를 얻어 강하게 튕겨 나가면서 반대 방향으로 힘이 발생한다. 지상처럼 공기가 조밀한 환경에서는 이 힘이 거의 감지되지 않지만, 분자 간 거리가 멀고 충돌이 드문 극저압 조건, 즉 지상 50~100㎞ 상공의 중간권이나 화성처럼 대기가 희박한 환경에서는 의미 있는 추진력으로 작용한다.

미국 하버드대, 시카고대, 국립부경대 공동 연구팀은 이 원리를 실제 비행체로 구현했다. 완성된 장치는 1㎠ 크기의 2층 구조로, 빛을 잘 통과시키는 두께 100㎚ 산화알루미늄 박막 두 장을 세로 지지대로 연결하고, 하층에는 얇은 크롬층을 증착했다. 햇빛이 상층을 통과해 하층 크롬을 가열하면 상·하층 사이에 미세한 온도차가 형성되고, 이로 인해 부양력이 발생한다.

연구팀은 26.7㎩ 기압과 지상 햇빛의 55% 강도를 재현한 저압 챔버에서 실험을 진행해, 외부 전력 없이 태양광만으로 장시간 부양이 가능함을 입증했다.

광영동 비행체의 응용과 전망

이번 연구는 광영동 원리를 실제 대기 환경에서 장기 체공이 가능한 형태로 구현한 첫 사례다. 직경을 3㎝로 확대하면 약 10㎎의 하중을 실을 수 있어 라디오 주파수 안테나, 태양전지, 집적회로 등 초소형 통신 장비 탑재가 가능하며, 10㎝급으로 확장할 경우 경량 기상 관측 센서를 풍선이나 로켓으로 중간권에 띄울 수 있다. 이런 비행체는 연료나 배터리가 필요 없어 장기 데이터 수집과 통신 중계에 적합하다.

특히 화성 탐사에서의 장점이 크다. 현재 1㎏ 장비를 화성까지 운송하는 데 10만 달러 이상이 소요되지만, 광영동 기반 비행체는 크기·무게·전력 소모를 모두 줄여 발사 비용을 크게 절감할 수 있다. 더 희박한 화성 대기에서는 부양 효율이 높아져, 착륙선이나 로버가 접근하기 힘든 지역을 공중에서 정찰하거나 지상 기지와 탐사 장비 간 통신을 중계하는 임무도 수행할 수 있다. NASA가 공동 연구를 검토하는 이유도 여기에 있다.

지구 중간권은 기후 변화, 대기 조성, 오로라 발생 연구에 중요한 정보를 제공할 수 있는 영역이지만, 기술적 한계로 관측이 쉽지 않았다. 이번 성과는 그동안 접근이 어려웠던 이 구간을 장기간 관측할 수 있는 가능성을 제시했다. 앞으로 비행체의 크기 확대와 장비 경량화가 병행된다면, 대기 과학 연구뿐 아니라 행성 탐사와 통신 중계 등에도 활용 범위가 넓어질 것으로 보인다.

김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr

참고 논문: Nature, Ben Schafer and Jong-Hyoung Kim et al., ‘Photophoretic flight of perforated structures in near-space conditions’