우주방사선 피격! 인공 볼까요

1989년 3월 13일, 극지방에 극도로 강렬한 오로라가 관측됩니다. 전설의 용처럼 꿈틀거리는 거대한 오로라는 남쪽의 먼 텍사스와 플로리다 지역에서 육안으로 보일 정도였습니다. 냉전이 끝날 즈음 사람은 역시 다른 핵 선제 공격이 아닌지 우려하고 역시 누군가는 그날 오전 9시 57분에 발사된 우주 왕복선 디스커버리 호가 이 오로라와 관련했다고도 했습니다. 지구를 강타하는 태양폭풍 전야임을 알기까지는 단 몇 시간.

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태양 폭풍은 유럽에서 러시아로 향하는 라디오 무선 신호를 교란해 구로시오를 만들었습니다. 전하를 띤 입자방사선과 전자가 강력한 전기전류를 유도하면서 서쪽에서 동쪽으로 흐르는 것도 탐지됐다. 극궤도를 돌던 몇몇 인공위성은 어느새 통제력을 잃었습니다. 기상 위성 통신이 중단되어 영상은 손실됩니다. 미국 항공 우주국(NASA)TDRS-최초의 통신 위성에 민감한 전자 장치에 유입된 입자가 급격히 증가하면서 단번에 250개가 넘는 이상 데이터를 기록합니다. 우주왕복선 디스커버리호도 그날 연료전지에 수소를 제공하는 탱크 중 하 본인의 센서가 비정상적으로 높은 압력 수치를 나타냈습니다. 지구 자기장의 화쵸은로케봉잉 모두 퀘벡의 지면은 단 90초 만에 모든 전력이 고탄 소파 9가끔 동안 대규모 정전 사태를 맞이합니다.태양 흑점 폭발로 대방출된 우주 방사선이 지구 자기장을 교란하면서 일어난 재앙이었습니다. 지구 자기장이라는 따뜻한 이불 속에 들어있던 지구는 극한 우주환경의 위력을 체감했습니다. 하지만 우리가 우주로 보내는 인공위성은 이런 우주방사선에 초당적으로 노출되고 있습니다. 전자부품 덩어리인 인공위성은 어떻게 이런 우주환경을 몇 년씩 견뎌낼 수 있을까요?

우리는 평생 방사선에 노출될 겁니다. 한명이 1년간 노출되는 자연 방사선은 2.4mSv(사전에시버트)비행기를 타고 유럽 여행을 1번 다녀오면 0.07mSv, X선 촬영에서 받는 선량은 약 0.39mSv. 방사선 피폭으로 사망에까지 이르려면 한번에 7000mSv의 방사선을 맞아야 합니다.우주방사선은 차원이 달라요. 전자파 모양의 생활 방사선과 달리 우주에서 노출되는 방사선은 각각의 입자로 도달합니다. 투과율이 높은 고에너지 방사선입니다. 수십 KeV(킬로전자 볼트)부터 수백 GeV(기가전자 볼트)까지 다양한 에너지 수준을 가지고 있습니다. 1시버트는 킬로그램당 12MeV에 6.2에너지를 가한 양입니다. 암 치료에 사용되는 고출력 방사선 치료기가 6MeV를 감안하면 우주 방사선 입자의 에너지가 어느 정도인지 짐작할 수 있습니다. 이탈리아 원자력, 물리 연구소는 우주 비행사들이 지구보다 100배 많은 방사선을 받게 된다고 말합니다.

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발생원에 따라 입자의 소스도 제각각입니다. 크게 태양의 활동으로 분출되는 태양 우주 방사선, 초신성의 폭발 등에 기인하여 외부 은하에서 오는 은하 우주 방사선으로 나눌 수 있습니다. 입자는 전자, 양성자, 중이온 등으로 이루어집니다. 각 입자마다 에그 대지 레벨이 다릅니다. 은하우주방사선의 중이온이 가장 크고 태양우주방사선을 구성하는 양성자, 전자 순입니다. 에그 대지 크기에 따라 미치는 영향도 달라집니다. 태양방사선은 은하방사선에 비하면 좋은 수준이에요. 비행기 내의 원폭 피해로 은하 우주 방사선이 차지하는 비율은 약 95Percent에 이릅니다. 그만큼 투과율이 매우 높다는 뜻입니다. 게다가 이런 입자들은 우주 공간에 아주 산발적으로 분포하고 있습니다.

지구와 우주가 가장 다른 점이 이 우주방사선이다. 달에도 화성에도 지구처럼 방사선을 제거하는 자기장은 전혀 없는 것입니다. 그럼 방사선에 노출되지 않으면 안 되는 인공위성은 어떻게 되는 것일까요. 1989년 태양 우주 방사선이 각종 전력 지에콤망을 현지의 낸 것으로 인공 위성에서도 전자 장비가 가장 큰 피해를 받습니다. 어떤 방사선 입자에 노출이 되느냐에 따라 손상이 달라지게 됩니다. 저에그 대 지대역의 입자는 위성기기의 표면에 영향을 줍니다. 전하의 축적으로 스파크 하나가 되는 정전기 방전(ESD, Electro-Static Discharge) 상황이 발생한다. 큰 에그 입자가 인공위성 깊숙이 침투한다. 내부의 전기전자소자에 직접적인 영향을 미치지만 인체의 DNA를 교란시켜 암을 유발하도록 피탄량에 따라 인공위성의 전기적 성질을 바꿉니다.가장 취약한 부분은 반도체 전자소자입니다. 인공 위성은 크게 능동 부품과 수동 부품 2개에 나쁘지 않고 눌 수 있슴니다. 능동 부품이 인공위성의 핵심 기능을 다음에 받는다. 반도체 기반의 전자 회로를 구성하는 다이오드, 전류가 나쁘지 않고 전압의 흐름을 조절하는 트랜지스터, IC, CPU 메모리, 증폭기, 송수신기 등 특정 기능을 가진 부품. 주요 핵심 부품이 전체 반도체가 됐다고 해도 과언이 아닙니다. 카메라도 렌즈는 유리하지만 센서는 반도체이다. 우주 방사선은 이 부품에 침투하여 신호 수준을 떨어뜨리고 전류 전압의 특성을 바꿉니다.엉뚱한 데이터를 보내기도 한다. 위성의 유닛을 동작시키고 통신을 할 때 모든 정보가 1.0.1.0디지털 데이터로 옵니다. 우주 방사선을 맞으면 1이 0이 되어 0이 1이 되는 에러가 발생한다. 예를 들어, 스위치는 확실히 온데 오프라고 하는 데이터가 나옵니다. 임무명령을 내렸는데 작동하지 않을 수도 있다. 화상이 망가져 오는 경우도 같습니다. 전자 부품이 아니면 영향이 없을까요? 피해는 적지만 녹슬듯 재료 특성도 점차 변질됩니다.인공위성 임무에 따라 방사선의 영향도 달라집니다. 미션에 따라 궤도의 높이가 다르기 때문입니다. 높은 궤도에 오르는 위성일수록 고에그 대지의 방사선 피격 위험이 높아집니다. 주로 통신위성, 정지궤도위성이 고궤도(만 4만 km)로 돌게 됩니다. 지구의 자기권에서 조금 벗어나 부자연 또는 부자연이거나 또는 외곽 쪽에 속합니다. 고궤도 위성은 지구 자기장의 혜택을 거의 받지 못하고 은하방사선과 태양방사선에 그대로 노출됩니다. 특히 고 에그 대지 입자는 인공위성의 전자 부품을 순간적으로 파괴할 수 있습니다. 고출력 방사선을 연구해 암세포를 죽이는 것과 대동소이하다. 지구 자기 권내의 저궤도에서 도는 위성은 이런 고에그 대지 은하 방사선의 피해는 적습니다. 대신 지구 자기권 내에 갇혀 있는 태양방사선의 입자가 인공위성에 쌓여오는 피로감이 커집니다.

우주 방사선에서 인공 위성을 지키지 못하면 인류는 50여년의 우주 개발 역사를 이어 안 왔지. 언의의 원자력 발전소의 방사선 차폐 비결이 떠오릅니다. 두꺼운 납과 콘크리트로 덮어서 침투를 막는 거죠. 하지만 인공위성에 그렇게 무거운 자재를 쓴다는 건 말도 안 돼요. 대신 다양한 비결을 동원한다. 크게 보면 방사선 시험 분석에 따른 차폐 설계, 데이터 보정 설계, 이중화 설계의 3가지 비결을 사용한다.방사선 시험에서는 연구량에 따라 전기전자 부분품의 특성이 어느 정도 영향을 받는지를 분석한다. 각 부품입니다 무궤도의 방사선량에 적합한지, 제대로 작동하는지를 시험하는 것입니다. 방사선 시험장비는 원자력 시설과 동일한 요건을 갖춰야 하기 때문에 특수자격을 갖는 전문의, 전문시설에서 실시한다. 주로 국내에서는 방사선 누적에 의한 영향을 시험해, 일시적인 고에저니지 방사선에 대한 시험은 해외의 연구 시설에서 행해집니다.

인공위성의 차폐 설계는 엄격합니다. 두껍게 하면 무거워지고, 가볍게 하면 차폐에 약해질 수 밖에 없습니다. 무게와 차폐의 2가지 목표를 달성할 수 없는 트레이드 오프, 즉 상반되는 관계입니다. 만족할 수 있는 차폐율을 가진 무게를 찾아 차폐 설계를 합니다. 모든 전기 전장 유닛은 외곽 하우징 설계로 다시 덮습니다. 가볍고 차폐효과도 좋은 소재로는 알루미늄을 사용하지만요. 효과만 보면 납이 자신의 콘크리트가 좋지만 무게가 발사비용과 직결되는 인공위성에는 적합하지 않습니다. 절연 전선 다발의 허니스(harness)는 가급적 외부에 노출되지 않도록 설계합니다. 간설령 안테나 본인을 넓힐 때 배선이 우주 환경에 노출될 필요가 있으면 허니스의 절연체 등에 방사선 특성을 고려한 소재를 사용합니다.​ 한 00%완벽한 차폐이란 있을 수 없습니다. 특히 코에현 씨지의 은하방사선은 예측할 수 없어 차폐를 전부 열어 버립니다. 따라서 방사선의 영향을 완화할 수 있는 경감 기술을 사용할 필요가 있습니다. 특히 위성과 지면국이 데이터로 명령을 주고받는 것이 가장 중요합니다. 데이터 에러가 났을 경우에 대비하는 "데이터 보정 설계"를 합니다. 각 메모리에서 읽고 쓰는 데이터의 오류를 감지하고 이를 기록합니다. 각종 기능 로직의 건전성을 확인·분석하기 위해 관련 정보를 계속 수집·저장합니다. 데이터 몇 비트가 얼마나 오류가 났는지도 확인할 수 있습니다. 가벼운 오류는 대부분 위성 스스로 해결합니다. 예를 들어 데이터가 일 6비트면 24비트로 거의 채찍 이리라고 보정할 수 있는 코드를 사용합니다. 데이터 기록을 통해 우주 방사선의 영향을 얼마나 본인이 되었는지도 알 수 있습니다.이중화 설계도의 대응책 중 한 명입니다. 지면 시험에서 아무리 걸러도 우주 환경은 예측이 불가능한데요. 코엑현 씨 가지 방사선에 닿게 되면 작동이 멈춰 버릴 수 있습니다. 이때 복구 작업을 합니다. 똑같이 만든 잉여물품, 즉 이중화된 유닛의 같은 물품으로 동네의 물품으로 기능합니다. 쉽게 말해 인공위성 동작 유닛을 바꾸는 건데요. 지면에서는 위성 상태를 지속적으로 감시하고 동작 유닛이 교체된 경우에는 문제의 원인을 분석하여 원격에서 명령을 내리고 다시 원래의 동작 유닛으로 복구하는 작업을 수행합니다. 우리 인공위성은 이러한 문제 발생 확률에 대해서도 분석하고 설계 요건을 맞추고 있습니다.

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태양전지판은 방사선 해석에 의해 설계한다. 간단하게 스토리를 하면, 전지판을 구성하는 솔라 셀의 여분을 주는 것입니다. 태양열을 받은 전지판은 전기로 택지로 바꿔 위성에 전력을 제공한다. 전지판 크기로 그걸로 생산되는 전력량이 결정됩니다. 방사선에 지속적으로 노출되면 전력 변환 효율이 떨어집니다. 그 때문에, 태양전지 패널로부터 생산되는 전력이 계속 감소합니다. 즉, 전압이 자신의 전류가 서서히 감소합니다. 태양 전지 패널의 크기는 우주 방사선에 의한 효율 저하를 계산하여 결정하게 됩니다. 간단하게 스토리화를 하면 절감되는 전력량을 고려하여 태양 전지을 많이 붙이는 것입니다.

요즈음 우리 천리안 1호는 고 에덱지 우주 방사선 입자를 맞아 복구 작업을 한번 진행했습니다. 이 5월 천리안 위성 1호는 고 에덱지 방사선 입자에 맞으면서 며칠 동안 기상 관측에 진통을 겪었습니다. 조사 팀은 만 하루를 복구 작업에 매달리는 사이의 복구 작업에 쫓겨야 했어요. 천리안 1호는 국내 최초의 공공 정지 궤도 위성과 통신·해양·기상 3가지 기능을 통시에 탑재한 복합 위성이다. 약 3만 6,000킬로 적도 상공에서 임무를 수행합니다. 은하 방사선의 영향이 큰 고궤도 위성인 것이, 피탄의 위험을 높인 적도 있지만, 우울증에 빠진 태양 때문이기도 했습니다. 태양은 11년을 주기로 7년 극대기, 4년의 극소기를 띱니다. 현재 태양계는 태양활동이 매우 저조한 극소기를 지나가고 있으며 이때를 틈타 은하우주방사선은 더욱 기승을 부리고 있습니다.

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천리안 하나호 임무를 계승하는 것은 천리안 2호는 지난해 한 2월에 발사됐다. 천리안 2호는 하나호에 비해해상도 4배 이상, 관측 주기 3배 이상 등 성능을 높이고 있으며 이와 함께 우주 방사선 측정을 비롯한 우주 기상도 관측합니다. 우주 날씨 관측은 이제 막 시작되었는데요. 과인일이 발전하는 차폐, 복구 기술과 함께 변덕스러운 우주 환경 속에서 우리 위성이 우리 위성을 사수할 날이 기다려집니다.기획/제작:항공우주Editor오요한자문/감수:위성본체개발부 조용준 박사

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