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2026-01-23 (금)

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[신소재 신기술(218)] 지진계로 우주 쓰레기 추적⋯소닉붐 데이터 분석 성공

지진계로 우주 쓰레기를 추적하는 새로운 기술이 개발됐다고 CNN이 22일(현지시간) 보도했다. 지구 궤도를 이탈한 인공위성과 우주선 잔해가 대기권으로 재진입하는 사례는 하루 평균 세 차례를 넘는다. 이 과정에서 우주쓰레기는 대부분 소실되지만, 일부는 유해 물질을 방출하거나 지표면까지 도달해 환경을 오염시키고 건물·인프라, 나아가 인명에 위협을 가할 수 있다. 문제는 추적의 어려움이다. 시속 2만9천㎞에 달하는 속도로 이동하는 우주쓰레기는 갑작스럽게 궤도를 이탈하는 경우가 많아, 기존의 레이더와 광학 관측 방식만으로는 낙하지점을 정확히 예측하기 어렵다. 특히 재진입 과정에서 물체가 여러 조각으로 분해될 경우, 위치 추정 오차는 더욱 커진다. 이로 인해 독성 잔해 회수나 환경 대응이 지연되는 사례도 적지 않다. 지진계로 '음속 돌파' 포착…전혀 다른 접근 이 같은 한계를 보완할 새로운 방법이 제시됐다. 미국 존스홉킨스대학과 영국 임페리얼 칼리지 런던 공동 연구진은 우주쓰레기가 대기권에 재진입할 때 발생하는 '소닉붐(음속 돌파 충격파)'을 지진계로 포착해 경로를 추정하는 방식을 개발했다. 지진계는 통상 지진을 감지하는 장비지만, 대기 중에서 발생한 강한 충격파가 지면으로 전달될 경우 이를 진동 신호로 기록할 수 있다. 연구진은 이 특성에 주목해, 대기권을 통과하는 우주쓰레기가 만들어내는 소닉붐 데이터를 분석하는 데 성공했다. 이번 연구의 공동 저자인 벤저민 페르난도 박사(존스홉킨스대)는 "대기권에 재진입하는 우주물체가 소닉붐을 발생시킨다는 사실은 오래전부터 알려져 있었다"며 "이를 지진학적 데이터로 체계적으로 활용한 것이 이번 연구의 핵심"이라고 설명했다. 연구 결과는 과학 학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다. 화성 탐사 경험의 지구 적용 이번 접근법의 토대는 NASA의 화성 탐사선 '인사이트(InSight)' 임무에서 축적된 경험이다. 인사이트 착륙선은 2018년 화성에 착륙한 이후 1300건이 넘는 화성 지진을 감지했다. 이 가운데 일부는 운석이 대기권을 통과하며 만든 충격파에 의해 발생한 것으로 분석됐다. 연구진은 당시 단일 지진계만으로도 운석 충돌 지점을 특정할 수 있었고, 이를 토대로 궤도선이 분화구를 촬영해 화성 표면 연구에 중요한 단서를 제공했다. 페르난도 박사는 "자연 운석을 연구하며 개발한 기법을 지구의 우주쓰레기 문제에 적용한 것이 이번 연구의 가장 큰 도약"이라고 말했다. 다만 우주쓰레기는 자연 운석과 다르다. 대기권 진입 속도가 상대적으로 느리고, 진입 각도가 얕으며, 분해 양상도 훨씬 복잡하다. 이로 인해 지상에 미치는 위험성은 오히려 더 크다는 것이 연구진의 설명이다. 중국 선저우-15 사례로 검증 연구진은 2024년 4월 캘리포니아 상공에서 발생한 중국 유인우주선 선저우-15의 비통제 재진입 사례를 분석 대상으로 삼았다. 폭 1m, 무게 1.5톤이 넘는 궤도 모듈이 대기권을 통과하며 발생시킨 소닉붐은 지상 125개의 지진계에 포착됐다. 연구진은 신호 강도를 토대로 물체의 이동 경로를 재구성했고, 미 우주군이 레이더로 예측한 궤적과 비교한 결과 약 40㎞ 남쪽으로 치우친 경로가 도출됐다. 실제 잔해가 회수되지 않아 어느 예측이 정확한지는 확인되지 않았지만, 기존 방식과 다른 결과를 제시했다는 점에서 의미가 있다는 평가다. 환경 대응 위한 '시민용 감시 도구' 목표 연구진은 추가 검증을 거쳐 이 방식을 민간 감시 체계에 통합하는 것을 목표로 하고 있다. 지진계 데이터는 대부분 공개돼 있어, 재진입 시작 후 수 초~수 분 내에 우주쓰레기 낙하를 감지하고 잠재적 대기 오염 위치를 신속히 추정할 수 있다는 설명이다. 우주쓰레기의 환경 영향에 대한 우려도 커지고 있다. 1978년 소련 위성 '코스모스 954'의 재진입 당시 캐나다 북부에 방사성 물질이 확산됐고, 최근에는 대형 로켓 폭발로 중금속 잔해가 해양과 주거 지역에 흩어진 사례도 보고됐다. 연구진은 "우주선에 포함된 화학 물질 상당수가 독성을 띠며 오존층 파괴 가능성도 있다"고 경고했다. "보완 수단으로서 가치"…한계도 명확 외부 전문가들은 이번 연구를 '저비용·확장 가능한 보완 수단'으로 평가한다. 영국 버밍엄대 휴 루이스 교수는 "기존 레이더가 포착하기 어려웠던 재진입 과정을 이해하는 데 도움을 줄 수 있다"고 밝혔다. 다만 모든 우주쓰레기를 포착할 수 있는 만능 해법은 아니라는 지적도 나온다. 텍사스대 오스틴 캠퍼스의 모리바 자 교수는 "충격파가 충분히 강해야 지진계에 기록된다"며 "작거나 고고도에서 소실되는 잔해는 감지되지 않을 수 있다"고 말했다. 항공기나 폭발 등 다른 소음과의 구분도 과제로 남아 있다. 2024년 9월 발표된 유럽우주국(ESA)의 최신 수치에 따르면 현재 지구를 돌고 있는 활성 위성은 1만 개가 넘고, 수명이 다하거나 파괴되어 작동하지 않는 위성은 3000개가 넘는다. NASA에 따르면, 최소 야구공 크기의 물체 약 2만5000개와 훨씬 더 작은 물체인 연필심 크기를 포함하면 1억 개 이상이 지구 위 우주 상공을 돌고 있다. 그럼에도 전문가들은 레이더·광학 추적과 결합할 경우, 대기권 재진입에 대한 정보 수집 능력이 크게 향상될 것으로 보고 있다. 우주 활동이 지구 사회와 환경에 미치는 영향을 보다 정밀하게 이해하기 위한 새로운 도구가 될 수 있다는 평가다.
- 포커스온
2026-01-23 16:58:00
[신소재 신기술(118)] 충격파를 눈으로 볼 수 있는 획기적인 고분자 기술

초음속 항공기에서 나는 소닉 붐과 유사한 충격파를 눈으로 볼 수 있는 획기적인 기술이 미국에서 개발됐다. 사진=픽사베이 파동의 한 종류인 충격파를 눈으로 볼 수 있는 획기적인 기술이 개발됐다. 미국 국립표준기술연구소(NIST), 서던 미시시피 대학교, 애리조나 주립대학교, 렌슬러 폴리테크닉 연구소, 그리고 미국 육군 공병대의 연구진들이 고속 충격 시 발생하는 충격파를 시각화할 수 있는 혁신적인 고분자(폴리머·Polymer) 소재를 개발했다고 NIST가 7일(현지시간) 발표했다. 이 획기적인 기술은 뇌 손상 연구, 첨단 제조, 우주 탐사 등 다양한 분야에서 소재가 에너지를 흡수하고 극한 환경에 반응하는 방식에 대한 이해를 혁신적으로 증진시킬 것으로 기대된다. 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재된 이 연구는 기계적 힘을 받으면 빛을 내는 분자 메카노포어(mechanophore)를 포함하는 고분자가 고속 발사체 충돌에 대한 반응을 시각적으로 기록하는 방법을 보여준다. 특히 이 메카노포어는 이전에는 접근이 불가능했던 소재 내부의 변형을 포착하는 데 성공했다. 연구진은 분자 수준의 반응과 첨단 이미징 기술을 결합해 초음속 항공기의 소닉붐과 유사하게 재료 내에서 음속보다 빠르게 이동하는 음향파인 마하 콘(Mach cone)의 형성을 시각화할 수 있었다. NIST 재료 과학 및 공학 부서의 연구원인 폴레트 센텔라스(Polette Centellas)는 "이 고분자는 충격중에 에너지가 재료를 통해 어떻게 이동하는지 '볼 수 있게' 해준다"며 "이는 우주선 차폐에서부터 첨단 보호 장비에 이르기까지 극한 조건을 더 잘 견딜 수 있는 재료를 설계할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다"고 말했다. 이 연구는 고분자에서 이전에 충분히 탐구되지 않았던 에너지 소산 메커니즘인 충격파 감쇠를 밝혀냈다. 전통적으로 재료의 에너지 흡수는 주로 재료가 구부러지거나 파손되는 소성 변형을 통해 발생한다고 여겨졌다. 그러나 이 연구는 고속 충격에서 충격파가 에너지 소산에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. 이번 발견은 고속 충격 관리가 중요한 국방에서 의료에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 내수성이 더욱 뛰어나고 강한 소재를 개발하는 데 혁신을 가져올 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2024-10-08 16:05:00
[퓨처 EYES(20)] NASA, 소닉붐 없는 초음속 항공기 공개

미국 항공우주국(나사·NASA)과 록히드 마틴이 공동으로 개발한 실험용 초음속 제트기 X-59가 최근 공개됐다. 이 혁신적인 항공기는 소닉붐 없이 초음속 비행을 할 수 있는 능력으로 주목받고 있다. '소닉붐(Sonic Boom)'은 음속을 초과하는 속도로 비행하는 항공기나 기타 물체가 생성하는 현상이다. 다시 말하면 소닉붐은 마하 1 이상의 속도로 비행하는 항공기에서 발생하는 현상으로, 큰 소리로 유리창을 깨뜨릴 수 있을 정도의 충격파를 발생시킨다. 이 충격파는 항공기 주변에서 계속해서 발생하며, 항공기가 음속을 초과하는 동안 지속된다. 기술 전문매체 기즈모도에 따르면 록히드 마틴이 제작한 이 실험용 초음속 제트기 X-59는 더 조용한 초음속 비행을 개발하기 위해 설계됐다. 퍼퓰러사이언스(popsci)에 따르면 이 최첨단 비행기는 소닉붐의 트레이드 마크인 110데시벨의 '천둥소리' 대신 75데시벨의 '소닉 쿵' 소리를 내는 것을 목표로 한다. 이는 자동차 문을 '쾅'하고 닫는 소리 정도에 불과하다. 천둥소리 '소닉붐', 초음속 여객기의 한계 소닉붐은 갑작스러운 큰 폭발음으로 들리며, 이로 인한 소음과 진동은 인근 지역 주민들에게 수면 방해, 스트레스 증가, 청력 손상 등의 영향을 미친다. 이 때문에 많은 국가에서는 인구 밀집 지역 위에서의 초음속 비행을 제한하고 있다. 이처럼 소닉붐은 초음속 여객기 개발의 한계 중 하나로 작용한다. 여객기가 초음속으로 비행하면 소닉붐이 발생하여 지상에 소음 피해를 줄 수 있기 때문에, 이러한 비행은 대부분 군사 목적이나 특수한 상황에서만 허용된다. 더 레지스터에 따르면 나사의 퀘스트 임무의 핵심인 X-59는 비행기가 음장벽을 깨뜨릴 때 발생하는 소닉 붐(음파 붐) 없이 초음속으로 비행하도록 설계됐다. 미국 연방항공청은 1973년 4월 27일 소음과 충격파로부터 인명과 재산을 보호해야 한다는 이유로 민간 항공기의 방음벽 초과 비행을 금지했다. 또한 일부 군용기에서는 소닉붐이 허용되지만, 2003년 콩코드 제트기가 퇴역한 이후 미국 상공의 상업용 비행에서는 소닉붐 발생을 금지시켰다. 록히드 마틴의 비밀 사업부인 스컹크 웍스(Skunk Works)와 함께 설계한 이 비행기는, 소닉 붐 없이 초음속으로 항공 여행을 할 수 있는 잠재력을 보여주고자 하는 목적을 가지고 있다. 이는 항공 산업에 있어서 중요한 혁신으로, 소닉 붐의 감소는 민간 항공 여행의 새로운 시대를 여는 열쇠가 될 수 있다. X-59의 개발은 또한 환경 보호 측면에서도 중요한 의미를 갖는다. 환경 보호론자들은 초음속 비행의 탄소 배출량 증가에 대해 우려를 표명하고 있으며, X-59는 이러한 문제에 대한 해결책을 제공할 수 있다. 나사는 소닉 붐 문제에 초점을 맞추고 있지만, 이착륙 소음, 배기가스, 연료 연소 등 다른 환경 문제에 대한 연구도 병행하고 있다. 록히드 마틴의 엔지니어이자 X-59 프로그램 책임자인 데이비드 리처드슨은 상업용 초음속 비행의 현실화를 2035년경으로 예상하고 있다. 이는 X-59의 성공이 상업 항공 여행의 미래에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대한 중요한 지표이다. 음파 붐 감소 위한 특수 설계 X-59의 설계는 독특하고 혁신적이다. 이 실험용 비행기는 길이가 약 95피트(약 28.9m), 폭이 30피트(약 9.1m)미만으로 비슷한 기존 비행기보다 훨씬 작고 길쭉한 형태다. 뉴사이언티스트에 따르면 X-59는 F-16보다 폭은 좁지만 길이는 두 배나 더 길다. 기수(비행기 맨 앞 부분)만 비행기 길이의 거의 절반을 차지한다. 이러한 설계는 앞쪽에서 발생하는 충격파가 뒤쪽에서 발생하는 충격파와 합쳐져 귀가 먹먹할 정도의 굉음을 내는 것을 방지할 수 있다. 또한, 조종석에는 앞쪽을 향한 창이 없다. 대신 조종사들은 고해상도 비디오 카메라로 공급되는 4K 모니터인 나사의 '외부 비전 시스템'을 통해 볼 수 있다. 이같은 설계는 비행기의 소음을 줄이는 데 중요한 역할을 한다. 나사의 팸 멜로이 부행정관은 "오늘날 초음속 비행은 천둥과 같은 음파 붐을 일으킨다"고 말했다. 그는 "이 지역에 사는 사람들은 이 소리에 익숙하다. 하지만 이 소리는 인구 밀집 지역에서 제한적으로 들리는데, 그럴 만한 이유가 있다. X-59는 그 장벽을 깨뜨릴 것"이라고 기대했다. X-59의 의미는 단순히 기술적 혁신에만 국한되지 않는다. 이 프로젝트는 공공의 안전과 환경 보호, 그리고 더 빠른 항공 여행의 가능성을 탐색하는 것을 포함한다. 특히, X-59의 개발과 테스트는 미국 연방항공청(FAA) 및 국제 항공 당국이 초음속 비행에 대한 규제를 재검토하고, 항공기 속도가 아닌 소음도를 기준으로 규정을 다시 작성하는 데 영향을 미칠 수 있다. 멜로이는 "세심하게 설계된 이 비행체는 과거의 파괴적인 붐에 비하면 속삭이는 정도의 부드러운 충돌을 일으킨다"며 "이 획기적인 기술은 육상 초음속 상업 여행의 실현 가능성을 재정의했다. 뉴욕에서 로스앤젤레스까지의 비행 시간을 절반으로 단축해, 우리가 이해하고 있는 미래 기술에 더 가까이 다가갈 수 있게 됐다"고 평가했다. '초음속 비행 규정' 완화 기대 그러나 X-59 프로그램의 테스트와 개발에는 상당한 비용이 소요된다. 프로그램의 총 비용은 8년 동안 약 6억 3200만 달러(약 8471억 원)로 추정되며, 이는 항공 산업에 있어 중요한 투자를 나타낸다. 나사는 X-59가 빠르고 조용하게 비행할 수 있다는 것이 확인되면, 여러 인구 밀집 지역에서 시험 비행을 실시할 계획이다. 이 시험 비행을 통해 지역 주민의 피드백을 수집하고, 그 결과를 연방항공청과 국제 항공 당국에 전달하여 초음속 비행의 소음 규제를 재정립하는 데 중요한 근거를 제공할 것으로 보인다. X-59는 올해 말 처음으로 비행할 계획이며, 테스트 후 초음속 비행을 시도할 예정이다. 이 뾰족한 비행기는 마하 1.4, 약 925mph에 도달하도록 설계됐다. 대형 여객기는 일반적으로 마하 0.78에서 마하 0.81, 즉 575~600마일의 속도로 순항한다. 지금은 퇴역한 콩코드는 에어프랑스와 영국항공이 1969년부터 2003년까지 초음속 여객기를 운항했다. 콩코드는 마하 2, 즉 약 1350마일의 속도에 도달할 수 있었다. 그러나 2000년 7월 25일 에어프랑스 4590편의 추락 사고와 그에 따른 경제적 손실, 부품 수급 문제, 2001년 9월 11일 테러 공격으로 인한 영향 등의 요인 등으로 인해 에어프랑스와 영국항공은 2003년에 이 비행기를 퇴역시키기로 결정했다. 나사의 저소음 비행 시범 프로젝트 매니저인 캐서린 밤은 나사 발표 자료에서 "지상에서의 초음속 비행 금지를 해제한다는 아이디어는 정말 흥미롭다"고 말했다. 그는 "이것이 바로 X-59가 실현할 수 있는 미래"라며 기대감을 드러냈다. 상업용 초음속 여객기 상용화 기여 X-59의 성공은 FAA와 국제 항공 당국이 초음속 비행에 대한 규정을 완화하는 데 영향을 미칠 것으로 예상된다. 이는 상업용 초음속 여객기의 개발과 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것이다. 전문가들은 X-59는 단순히 새로운 유형의 항공기를 넘어서, 항공 여행의 미래를 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 지적한다. 또한 X-59의 성공은 미국을 비롯한 전 세계 항공 산업에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 상업적인 초음속 여객기 운항이 가능해짐에 따라, 여행 시간이 크게 단축되고, 항공 여행의 효율성이 향상될 것이다. 이는 국제 비즈니스, 관광 산업, 그리고 글로벌 교류에 큰 변화를 가져올 수 있다. 예를 들어, 뉴욕에서 런던까지의 비행 시간은 현재 약 7시간이지만, X-59가 상용화되면 3시간 30분으로 단축될 수 있다. 이는 기업인, 관광객, 그리고 가족들에게 큰 편리함을 제공할 것이다. 또한, 초음속 여객기의 도입은 항공 산업의 새로운 시장을 창출할 것으로 예상된다. 물론, X-59의 성공에는 아직 몇 가지 장애물이 남아 있다. 먼저, X-59의 소음은 아직도 일반적인 초음속 비행기의 소음보다 약간 더 크다. 나사는 X-59의 소음을 더욱 줄이기 위한 연구를 계속하고 있다. 또한, X-59의 상용화에는 상당한 비용이 소요될 것으로 예상된다. 비용 절감과 함께 항공 당국의 초음속 비행에 대한 규제 개정 의지 등이 성공적으로 작용한다면, X-59는 상업적인 성공을 거둘 가능성이 높다.
- 포커스온
2024-01-18 10:05:00