기획특집 ②
우주 개발의 방법

 

꼭지 1에서는 우주 개발의 이유에 대해 알아보았습니다. 그렇다면 우주 개발은 어떻게 이루어지는 것일까요? 우주 개발 방법은 크게 유인 탐사와 무인 탐사로 나눌 수 있는데요. 현재 우주 개발 대부분은 탐사선이 천체 표면을 분석하여 지구로 정보를 송신하는 무인 탐사 방식으로 이루어지고 있습니다. 이번 꼭지에서는 무인 탐사선이 어떻게 우주로 가는지, 우주에서 무엇을 하는지 알아보도록 하겠습니다.

우주에서 탐사선의 궤적은 목표 천체에 따라, 그리고 탐사 목적에 따라 차이가 있습니다. 달, 화성, 토성 등 많은 천체 중 단연 가장 많은 탐사 횟수를 자랑하는 것은 달 탐사입니다. 따라서 지구에서 달로 탐사선을 보내는 경우를 살펴보겠습니다.

직접 전이 궤적
지구에서 달로 탐사선을 보내려면 어떤 경로로 가는 것이 가장 적합할까요? 먼저 지구와 달을 잇는 최단 경로를 떠올릴 수 있는데요. 이를 직접 전이 궤적이라고 합니다. 최단 경로라고 하면 직선을 떠올릴 수도 있겠지만 천체의 자전 및 공전을 고려하면 그림 1 속 곡선이 지구와 달을 잇는 최단 경로가 됩니다. 최단 경로이기 때문에 비행시간이 3~6일로 매우 짧다는 특징이 있습니다. 하지만 일반적으로 무인 탐사선을 우주로 보낼 때는 직접 전이 궤적을 따르지 않습니다. 그 이유는 태양의 중력을 이용하지 않아 많은 연료가 필요하며, 무인 우주 탐사선은 유인 탐사선과 달리 이른 시일 안에 목표 천체에 도착하지 않아도 되기 때문입니다. 따라서 일반적인 무인 우주 탐사선은 최단 경로가 아닌 경로를 따라 목표 천체에 도착합니다. 이 중 대표적인 궤적이 바로 WSB 전이 궤적입니다.

그림 1. 직접 전이 궤적

 

WSB 전이 궤적
WSB(Weak Stability Boundary) 전이 궤적은 탐사선을 태양 쪽으로 보냈다가 달로 돌아오게 하는 궤적인데요. 흥미롭게도 이 궤적은 탐사선의 연료를 가장 많이 아낄 수 있는 경로입니다. 아래 그림에서 볼 수 있듯 직접 전이 궤적에 비해 경로가 매우 길고 복잡한데 어떻게 연료를 아낄 수 있는 것일까요? 이는 해당 경로가 지구와 태양 사이의 라그랑주점을 지나기 때문입니다.

그림 2. WSB 전이 궤적(좌) / 그림 3. 지구, 태양, 탐사선의 위치 관계(하)

라그랑주점에서는 공전하는 두 개의 천체에 의한 중력과 탐사선의 원심력이 상쇄됩니다. 따라서 탐사선은 실질적으로 중력의 영향을 받지 않게 되어 한 위치에 정지해 있을 수 있죠. 즉, 라그랑주점은 지구와 태양이라는 두 개의 질점1이 탐사선에 가하는 중력과 탐사선의 질량 중심점 방향으로의 원심력이 정확히 일치하는 지점을 말합니다. 지구와 태양 사이의 라그랑주점은 지구, 태양, 탐사선이라는 세 물체 간의 운동방정식에서 유도해 낼 수 있습니다. 방정식의 물리량들을 편리하게 분석할 수 있도록 이 상황을 무차원화2한 운동방정식은 아래와 같습니다.

앞서 말했듯 라그랑주점은 탐사선이 실질적으로 중력의 영향을 받지 않고 정지해 있을 수 있는 평형점이기에 해당 지점에서의 속도와 가속도는 0입니다. 따라서 x., y., z. 3 와 x.., y.., z.. 4 가 모두 0일 때의 위치 (xe, ye, ze)가 바로 라그랑주점입니다. 이렇게 계산해 낸 라그랑주점은 그림 4에서 볼 수 있듯이 L1 ~ L5로 총 5개입니다. 물리학에서는 이 지점들을 평형점5이라고 부르는데 그중 L1, L2, L3는 안정 평형점, L4, L5는 불안정 평형점에 해당합니다.

그림 4. 라그랑주 점

안정 평형점에서는 물체를 밀어도 다시 평형점으로 돌아오지만, 불안정 평형점에서는 아주 작은 힘만으로도 물체가 평형점에서 벗어난다는 특징이 있습니다.

그림 5. 안정 평형점과 불안정 평형점

즉, 그림 4에서 L4나 L5와 같은 불안정 평형점에 해당하는 라그랑주점에서는 아주 작은 연료만으로도 우주선을 움직일 수 있죠. 결론적으로 WSB 전이 궤적은 지구와 달 사이의 불안정 평형 상태의 라그랑주점을 지나가기 때문에 이동 거리는 다른 경로에 비해 길지만, 연료를 크게 절감할 수 있습니다.

목표 천체에 도달한 우주 탐사선은 천체 표면을 탐사하면서 지질학적 특징 등을 분석하는데요. 이를 위해서 탐사선에는 시료 측정 장비가 존재합니다. 이제 시료 측정 장비의 원리를 이해하기 위해 대표적인 시료 측정 방법인 X선 광전자 분광법에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

X선 광전자 분광법
X선 광전자 분광법(XPS)을 이해하기 위해서는 광전효과에 대해 알아야 합니다. 광전효과는 금속이 한계 진동수보다 큰 진동수를 가진 빛을 흡수했을 때 전자를 내보내는 현상입니다. 입사한 광자와 전자가 충돌하면 광자의 에너지가 전자로 전달됩니다. 전달된 에너지가 금속의 일함수보다 작다면 광전자가 방출되지 않지만, 일함수보다 크다면 광자의 에너지와 일함수의 차이만큼의 운동에너지를 가진 광전자가 방출됩니다. 금속의 종류에 따라 원자와 전자 사이의 고유한 결합에너지6인 일함수(W)가 존재하는데, 이때 결합에너지가 클수록 전자를 내보내는 데 더 많은 에너지가 필요하기에 더 높은 진동수의 광자가 필요합니다. 방출된 광전자의 운동에너지는 아래와 같은 식으로 나타날 수 있습니다.

Ek : 방출된 광전자의 운동에너지, hv : 입사된 광자의 에너지, Eb : 전자의 결합에너지 , W : 일함수

XPS는 X선을 광원으로 사용하여 광전효과를 일으키고, 방출된 광전자의 운동에너지를 측정하여 위의 식에 근거해 결합에너지를 구합니다. 원자가 고유한 결합에너지 값을 가진다는 점을 이용하면 시료의 물리화학적 정보를 알아낼 수 있습니다. XPS의 결과로 그림 6과 같은 형태의 그래프를 얻을 수 있는데요. X축은 결합에너지, Y축은 강도를 의미하여 Y축의 값이 클수록 그 에너지에 해당하는 결합의 수가 많다는 것을 의미합니다.

그림 6. XPS 방출 스펙트럼

조금 더 구체적으로 설명하기 위해 그림 7에 표현된 탄소와 산소로만 구성된 물질의 그래프를 예로 들어보겠습니다. 이때 탄소와 산소로 구성된 물질은 C-C, C-O, O-O 결합이 존재할 수 있다고 가정하겠습니다. 첫 번째 그래프에서는 2개의 피크7가 존재하며 결합에너지의 크기를 통해 첫 번째 피크는 C-C 결합, 두 번째 피크는 O-O 결합임을 알 수 있습니다. 첫 번째 피크가 더 높다는 점을 통해 C-C 결합이 O-O 결합보다 많다는 정보도 얻어낼 수 있습니다. 두 번째 그래프도 2개의 피크가 존재하지만, 두 피크 사이에는 기준점과 다른 강도를 가지고 있습니다. 이를 통해 C-C와 O-O 결합에너지 중간 정도의 에너지를 가지는 결합, 즉 C-O 결합이 존재한다는 것을 알 수 있습니다.

그림 7. 탄소, 산소로 구성된 물질의 XPS 방출 스펙트럼

지금까지 탐사선이 우주로 나아가는 궤적과 천체에 도착한 탐사선이 시료를 분석하는 원리에 대해 알아보았습니다. 이번 꼭지를 통해 우주 개발이 어떻게 이루어지는지 이해하는 데 도움이 되셨으면 좋겠습니다! 한편 이러한 우주 개발은 다양한 이점을 지니고 있는데요. 어떤 이점들이 있는지 마지막 꼭지에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

글. 무은재학부 23학번 29기 알리미 박다현

 

[각주]
1. 물체의 질량이 총집결한 것으로 간주하는 이상적인 점
2. 차원을 지닌 변수나 수식을 차원이 없는 상태로 만드는 것
3. 속도를 의미하는 변수
4. 가속도를 의미하는 변수
5. 물체에 작용하는 알짜힘이 0인 지점
6. 여러 개의 구성입자가 결합하여 이루어진 체계에서 이들 결합을 끊어 구성입자로 분리시키는데 필요한 에너지
7. 그래프상에서 x = a를 포함하는 어떤 열린구간의 y 값이 a에서의 y 값보다 작으면 a에서의 y 값이 피크가 됨

[그림 출처]
그림 1, 2. 한국항공우주연구원. 「달로 향하는 네 가지 길」. 2020.6.12.
https://blog.naver.com/karipr/221998543357
그림 3. Deep Campus. 「[CR3BP] 라그랑지 포인트 (Lagrange Point)」. 2021.4.10.
https://pasus.tistory.com/118
그림 4. 천문우주지식정보. 「라그랑지 역학」. 2017.3.31.
https://astro.kasi.re.kr/learning/pageView/5233
그림 5. Fred A. Stevie. 「Introduction to x-ray photoelectron spectroscopy」. 『Journal of Vacuum Science & Technology A』 38/061204(2020). 2~4pg.
그림 6, 7. 「XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)」. 2020.11.2.
https://blog.naver.com/ayg589/222132943754

[참고 자료]
1. 강우관. 「레이저 유도 플라즈마 분광분석법(LIBS)을 활용한 원소분석」. 『NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS』 29권 4호. 2011. https://www.cheric.org/PDF/NICE/NI29/NI29-4-0460.pdf
2. 이순보, 부진효. 「X-ray 광전자 분광법의 원리와 응용」. 『한국표면공학회』. 23권 3호(1990). 183~193pg
3. 한국항공우주연구원. 「달로 향하는 네 가지 길」. 2020.6.12.
https://blog.naver.com/karipr/221998543357
4. Deep Campus. 「[CR3BP] 라그랑지 포인트 (Lagrange Point)」. 2021.4.10.
https://pasus.tistory.com/118
5. Fred A. Stevie. 「Introduction to x-ray photoelectron spectroscopy」. 『Journal of Vacuum Science & Technology A』 38/061204(2020). 2~4pg.