우주방사선 피격! 인공위성의 DNA를 지켜라

1989년 3월 13일, 극지방에서 강렬한 오로라가 관측됩니다. 전설 속의 용처럼 꿈틀거리는 거대한 오로라는 남쪽의 먼 텍사스와 플로리다 지상에서 육안으로 보일 정도였습니다. 냉전이 끝나지 않았을 무렵 사람들은 역시 다른 핵의 선구공격이 아닐까 우려했고, 역시 누군가는 그날 낮 9시 57분에 발사된 우주왕복선 디스커버리호가 이 ‘오로라’와 관련이 있다고 주장했습니다. 지구를 직격하는 태양 폭풍의 전야라는 것을 알게 될 때까지는 불과 몇 시간이다.

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태양 폭풍은 유럽에서 러시아로 향하는 라디오의 무선 신호를 교란해 병집을 만들었습니다. 전하를 띤 입자방사선과 전자가 강력한 전기전류를 유도하면서 서쪽에서 동쪽으로 흐르는 것도 탐지됐습니다. 극궤도를 돌던 몇몇 인공위성은 몇 시간 동안 통제력을 잃었습니다. 기상 위성의 통신이 중단되어 영상이 손실됩니다. 미 항공 우주국(NASA)의 TDRS-1 통신위성에는 민감한 전자 장치에 유입된 입자가 급격하게 증가해, 단번에 250개가 넘는 이상 데이터를 기록할 것이다. 우주왕복선 디스커버리호도 그날 연료전지에 수소를 공급하는 탱크 안의 허그아인 센서가 비정상적으로 높은 압력수치를 과도하게 내고 있었습니다. 지구 자기장의 변이로 카과인 다퀘벡 지역은 단 90초 만에 모든 전력이 꺼져 9시간에 걸쳐 대규모 정전사태를 맞을 것이다.태양 흑점 폭발로 대방출된 우주 방사선이 지구의 자기장을 교란하면서 일어난 재해였습니다. 지구의 자기장이라는 따뜻한 이불 속에 들어가 있던 지구는 극한의 우주 환경의 위력을 체감했습니다. 그러나 우리가 우주로 보내는 인공위성은 이러한 우주방사선에 매초 매시간 노출되어 있습니다. 전자 부속의 덩어리인 인공위성은 어떻게 이러한 우주 환경에 몇 년을 견딜 수 있나요.

우리는 평생의 방사선에 노출됩니다. 1명이 1년간 노출되는 자연방사선은 2.4mSv(밀리시버트), 비행기를 타고 유럽여행을 한 번 다녀오면 0.07mSv, X선 촬영으로 받는 선량은 약 0.39mSv, 방사선 피폭으로 사망에 이르기 위해서는 한 번에 7000mSv의 방사선을 받아야 한다.우주방사선은 차원이 달라요. 전자기파 형태인 생할방사선과 달리 우주로부터 받는 방사선은 개별 입자로 도달한다. 투과율이 높은 고에그 대지의 방사선입니다. 수십 KeV(킬로 전자 볼트)로부터 수백 GeV(기가 전자 볼트)까지 다양한 에그 대지 레벨을 가지고 있습니다. 1 시버트는 킬로당 12 MeV에 6.2 에그 대지를 더한 양. 암 치료에 사용되는 고출력 방사선 치료기가 6MeV인 것을 감안하면 우주 방사선 입자의 에그 대지가 어느 정도인지 추측할 수 있습니다. 이 가면리아 원자력 물리조사소는 우주인이 지구보다 100배 많은 방사선을 받는다고 이야기한다.

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생성원에 따라 입자 소스도 제각각입니다. 크게 태양의 활동으로 분출되는 태양 우주 방사선, 초신성의 폭발 등에 기인하여 외부 은하에서 오는 은하 우주 방사선으로 나뉩니다. 입자는 전자, 양성자, 중이온 등으로 구성됩니다. 입자마다 그 대지의 수준을 알 수 없습니다. 은하 우주 방사선의 중이온이 가장 크고 태양 우주 방사선을 구성하는 양성자, 전자 순입니다. 에그 대지의 크기에 따라 미치는 영향도 달라집니다. 태양 방사선의 경우 은하 방사선에 비하면 좋은 수준이라고 할 수 있습니다. 비행기 내 피폭에서 은하 우주 방사선이 차지하는 비율은 약 95%이다.센트에 도달합니다. 그만큼 투과율이 높다는 뜻이죠. 게다가 이러한 입자는 우주 공간에 매우 산발적으로 분포하고 있습니다.

지구와 우주가 가장 다른 점이 이 우주 방사선입니다. 달에도 화성에도 지구처럼 방사선을 걸러주는 자기장은 없습니다. 그럼 방사선에 다른 글자에 노출해야 하는 인공 위성은 어떻게 되는 것입니까. 1989년 태양우주방사선이 각종 전력공급망을 파괴했듯이 인공위성에서도 전자장비가 가장 큰 피해를 입었는데요. 어떤 방사선 입자에 노출이 되는지에 따라 손상이 달라지게 되는 것입니다. 낮은 에너지 대역을 가진 입자는 위성기기의 표면으로부터 영향을 미칩니다. 전하가 축적됨에 따라 스파크를 일으키는 정전기 방전(ESD, Electro-Static Discharge) 귀추가 발발합니다. 에너지 대역이 큰 입자는 인공위성 깊숙이 침투합니다. 내부의 전기 전자 소자에 직접적인 영향을 미칩니다. 인체의 DNA를 교란하여 암을 유발하도록 공격량에 따라 인공위성의 전기적 성질을 바꿔 둡니다.가장 취약한 부분은 반도체로 만들어진 전자소자입니다. 인공위성은 크게 능동물품과 수동물품의 2종류로 나눌 수 있습니다. 능동물질이 인공위성의 핵심 기능을 다음과 같이 합니다. 반도체 기반의 전자회로를 구성하는 다이오드, 전류나 전압의 흐름을 조절하는 트랜지스터, IC, CPU 메모리, 증폭기, 송수신기 등 특정 기능을 가진 물품입니다. 주요 핵심물품이 전체 반도체로 되어 있다고 해도 과언이 아닌데요? 카메라도 렌즈는 유리지만 센서는 반도체입니다. 우주방사선은 이들 물품에 침투해 신호 수준을 낮추고 전류 전압의 특성을 바꿉니다.엉뚱한 데이터를 보내기도 합니다. 위성의 유닛을 동작시켜, 통신을 실시할 때는 모든 정보가 1.0.1.0의 디지털 데이터로 보내집니다. 우주 방사선을 받으면 1이 0이 되고 0이 1의 오류가 발생합니다. 예를 들어, 스위치는 켜져 있는데 끄기라고 하는 데이터가 옵니다. 어떤 이담 명령을 내렸지만 작동하지 않기도 합니다. 영상이 이미지화 되었을 경우도 같습니다. 전자물품이 아니면 영향이 없나요? 피해는 적기는 하지만 마치 녹이 슬듯이 재료의 특성도 서서히 변질되어 갑니다.인공 위성에 있는 이 댐에 따라 방사선의 영향도 차이가 있습니다. 미션에 따라 궤도 높이가 다르기 때문입니다. 높은 궤도에 오르는 위성일수록 고에너지 방사선을 받을 위험이 높습니다. 주로 통신위성, 정지궤도 위성이 고궤도(1만-4만㎞)에서 움직입니다. 지구 자기권에서 조금 친한 친구나 외곽에 속합니다. 고궤도 위성은 지구 자기장의 혜택을 거의 받지 못하고 은하방사선과 태양방사선에 이자에 노출된다. 특히 고에너지 입자는 인공위성의 전자물건을 순간적으로 파괴할 수 있습니다… 고출력 방사선을 조사해서 암세포를 죽이는 것과 비슷합니다. 지구 자기권 내의 저궤도에서의 위성은 이러한 고에너지 은하방사선의 피해는 적습니다. 그 대신 지구 자기권 내에 갇혀 있는 태양 방사선 입자가 인공위성에 축적되어 오는 피로감이 커집니다.

“우주방사선으로부터 인공위성을 지키지 못했다면 인류는 50여 년의 우주개발 역사를 이어갈 수 없었을 것입니다. 곤의미 원자력 발전소의 방사선 차폐 비법이 떠오릅니다. 두꺼운 납과 콘크리트로 덮어 침입을 막는 것입니다. 하지만 인공위성에 그렇게 무거운 자재를 사용하다니 말도 안 돼요. 대신 다양한 비법을 동원하겠습니다. 크게 보면 방사선 시험분석에 의한 차폐설계, 데이터 보정설계, 이중화설계의 3가지 비법을 사용합니다.방사선 시험에서는 연구량에 따라 전기 전자 부분의 특성이 어느 정도 영향을 받는지 분석합니다. 각 부품이 임무궤도의 방사선량에 적합한지 제대로 작동하는지를 시험하는 것입니다. 방사선 시험장치는 원자력 시설과 동일한 요건을 갖추어야 하므로 특수자격 전문의, 전문시설에서 수행합니다. 주로 국내에서는 방사선의 누적에 의한 영향을 시험하고, 일시적인 고에이징 방사선에 대한 시험은 해외 연구시설에서 이루어집니다.

인공위성의 실드 설계는 엄격합니다. 확실히 진하게 하면 무거워지고, 가볍게 하면 실드에 약해질 수 밖에 없습니다. 무게와 차폐, 두 가지 목표를 달성하지 못하는 트레이드오프, 즉 상반된 관계입니다. 만족할 수 있는 차폐율을 가진 무게를 찾아 차폐 설계를 실시합니다. 모든 전기전장 유닛은 외곽하우징 설계로 덮습니다. 가볍고 차폐 효과가 높은 소재에는 알루미늄을 사용하는 것이 좋습니다. 효과로만 따지면 납이 자신의 콘크리트가 좋지만 무게가 발사 비용과 직결되는 인공위성에는 적합하지 않다. 절연 전선 다발의 하네스는 가급적 외부에 노출시키지 않고 설계합니다. 안테나를 넓힐 때는 배선이 우주환경에 노출되어야 하지만 하니스의 절연체 등에 방사선의 특성을 고려한 소재를 사용합니다.100% 완벽한 실드는 있을 수 없습니다. 특히 고에그 대지의 은하 방사선은 예측할 수 없고, 차폐를 모두 돌파해 버립니다. 그렇기 때문에 방사선의 영향을 완화해 주는 경감 기술이 필요할 것입니다. 특히 위성과 지면국이 데이터로부터 명령을 교환하는 것이 가장 중요합니다. 데이터 에러가 일어났을 경우에 대비하는 「데이터 보정 설계」를 합니다. 각 메모리를 통해서 읽고 데이터의 에러를 감지해 기록합니다. 각종 기능 로직의 건전성을 확인하고 분석하기 위해 관련 정보를 계속 수집하고 저장합니다. 데이터 몇 비트가 얼마나 오류가 났는지도 확인할 수 있습니다. 가벼운 오류는 대부분 위성으로 스스로 해결합니다. 예를 들어, 데이터가 16비트이면 24비트로 항상 – 그랬던 것처럼 보정할 수 있는 코드를 사용하는 것입니다. 데이터 기록에서 우주 방사선의 영향을 어느 정도 자신했는지도 확인할 수 있습니다.이중화 설계도 대응책 중 하나입니다. 지상 시험에서 아무리 선택해도 우주 환경을 예측할 수 없는데요. 고에그 대지 방사선에 맞으면 작동이 멈추는 경우가 있을 수 있습니다. 이 때, 복구 작업을 실시합니다. 똑같이 만든 잉여 부품, 즉 이중화된 유닛의 같은 부품으로, 촌락해 버린 부품의 기능을 대신합니다. 간단히 말하면, 인공 위성의 동작 유닛을 바꿔 주는 것입니다. 지면상에서는 위성 상태를 지속적으로 감시하고, 동작 유닛이 바뀌었을 경우에는 문제의 원인을 분석해 원격으로 명령을 내리고, 다시 원래 동작 유닛으로 되돌리는 작업을 수행합니다. 우리 인공위성은 그러한 문제 생성 확률에 대해서도 분석하고 설계 요건을 충족시키고 있습니다.

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태양전지패널은 방사선 해석에 의해 설계된다. 간단하게 내용을 내용을 내용을 풀면, 전지판을 구성하는 솔라셀의 여분을 주는 것입니다. 태양열을 받은 전지판은 전기에 당신 땅을 바꿔 위성에 전력을 공급할 것이다. 그래서 전지판 사이즈로 생산되는 전력량이 판정을 받게 됩니다. 방사선에 지속적으로 노출되면 전력 변환 효율이 떨어집니다. 그 때문에, 태양전지 패널로부터 생산되는 전력이 계속적으로 삭감됩니다. 즉, 전압이 나쁘지 않기 때문에 서서히 전류가 감소합니다. 태양 전지 패널의 크기는 우주 방사선에 의한 효율 저하를 계산하여 판정합니다. 간단하게 내용을 풀면 줄어드는 전력량을 고려하여 솔라셀을 더 많이 다는 것입니다.

“요즘 우리의 천리안 1호는 고 에자네지 우주방사선 입자를 맞아 복구작업을 한 번 진행했습니다. 지난 5월 천리안위성 1호는 고 에쟈네지의 방사선 입자에 맞아 며칠간 기상관측이 난항을 겪었습니다. 연구진은 꼬박 4일간 복구 작업을 해야 했죠. 천리안 1호는 국내 최초의 공공정지궤도 위성으로 통신·해양·기상 3가지 기능을 통시에 탑재한 복합위성입니다. 약 3만 6,000㎞의 적도 상공에서 임무를 수행합니다. 은하 방사선의 영향이 큰 고궤도 위성이라는 점이 피탄의 위험성을 높였지만 우울증인 태양 때문이기도 했습니다. 태양은 11년을 주기로 하여 7년의 극대기, 4년의 극소기를 띕니다. 현재 태양계는 태양 활동이 매우 저조한 극소기를 지나며 이때를 틈타 은하우주방사선은 더욱 기승을 부리고 있습니다.

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천리안 1호인 이담을 계승한 천리안 2호는 지난해 12월 발사됐다. 천리안 2호는 1호에 비해 해상도 4배 이상, 관측 주기 3배 이상 등 성능을 높이고, 또한 우주 방사선 측정을 비롯한 우주 기상도 관측합니다. 우주의 일기 관측은 이제 막 소음을 일으켰어요. 자신의 날이 발전하는 차폐, 복구 기술과 함께 변덕스러운 우주 환경 속에서 우리 위성이 우리 위성을 사수하는 날이 기다려집니다.” 기획/제작: 항공우주Editor 오요한 자문/감수: 위성본체개발부 조영준 박사

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