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- 캡슐에 25㎡면적 망원경 거울과 테니스 코트 크기의 태양 가리개를 어떻게 포장할까?
- 수십 년 동안 수십 명의 엔지니어가 태양 보호막 0.025~0.05mm 두께 멤브레인을 접고 포장
- 직경 6.5m의 전체 거울은 Ariane 캡슐에 비해 너무 커서 각각 3개의 세그먼트로 구성
- 날개 펼치는 데 3시간, 50개의 펼침단계, 178번의 메카니즘이 시계처럼 작동해야

종이접기를 거꾸로 수행
임무가 그토록 위험하고 어려운 이유

로켓의 페이로드 캡슐에 25㎡(제곱미터)의 망원경 거울과 테니스 코트 크기의 태양 가리개를 어떻게 포장할까? 이것이 바로 JWST 임무의 엔지니어들이 해결해야 할 문제 였고, 답은 아마도 우주로 날아간 적이 있는 복잡한 구조였다. 

▲ JWST는 접혀서 Ariane 5에서 발사할 준비가 되었다. © NASA / Chris gunn

각진 부품이 둥근 곳에 들어갔다가 다시 나와야 한다.

Ariane 5 로켓의 페이로드 캡슐 내부는 길이 16.19m, 지름 4.57m이다.
거대한 거울과 보호막이 있는 우주 망원경을 이 통에 담기 위해서는 복잡한 종이접기 예술 작품처럼 더 큰 구성 요소를 접고 분해해야 한다. 그리고 지구에서 그토록 조심스럽게 포장된 모든 것은 우주에서 자동화되어야 하고, 시계 장치처럼 정확한 시간에 다시 펼쳐져야 한다.

▲ Arabsat 5C 및 SES-2와 함께 발사대로 가는 Ariane 5ECA. 극저온 2단계 연료 보급을 위한 두 개의 팔이 제자리에 있다. https://secure.flickr.com/photos/62739433@N00/7748687492/sizes/o/in/photostream/

레버, 볼트, 모터, 기어 그리고 케이블의 전체 함대는 완벽하게 연동되어야 한다.
일부만 실패하면 전체 임무가 위험하다. "40년 전 이 사업에서 내가 배운 첫 번째 교훈 중 하나는 궤도가 펼쳐지는 것을 피하는 방법이었다"고 NASA의 수석 엔지니어인 Mike Menzel이 말했다. “하지만 James Webb에게는 불가능하다. 그 대신 망원경은 지금까지 시도된 것 중 가장 복잡한 절차를 수행해야 하며 그에 따른 어려움도 크다.”

민감한 태양 보호막

낙하산 점프와 마찬가지로 첫 번째 장애물은 올바른 패킹이다.
수십 년 동안 수십 명의 엔지니어가 테니스 코트 크기의 태양 보호막 0.025~0.05mm 두께의 얇은 멤브레인을 접고 포장하여 로켓이 발사되거나 발사될 때 진동으로 인해 찢어지지 않고 펼쳐지는 방법을 연구했다. 마지막으로 접힌 망원경의 나머지 부분을 담요처럼 양면에 5중 단열재로 덮는 구성이 발견됐다.

▲ 극도의 민감도: 폴리이미드 소재 Kapton의 웨이퍼 두께 층으로 만들어진 5층 차양에 대한 테스트는 알루미늄과 도핑된 실리콘으로 코팅되어 있다. © NASA / Chris Gunn

공간에서 5개의 태양 보호층을 펼치고 장력을 부여하여 올바른 연 모양 구성으로 가져오려면 보호 덮개가 먼저 뒤로 물러나서 길을 비워야 한다. 그런 다음 멤브레인용 고정 장치를 해제하려면 107개의 고정 클립을 올바른 순서로 해제해야 한다. 이것이 확장된 후 멤브레인은 90개의 당김 로프 시스템을 사용하여 천천히 당겨진다.

비상사태에 대비해 축소 모델을 사용한 다음 실물 크기 버전으로 포장 그리고 포장 자동 풀기 순서를 수십 번 연습했다. 이로 인해 멤브레인에 균열과 손상이 발생해 수차례 공정을 더욱 최적화해야 했다. 전개 시스템을 책임지고 있는 NASA 엔지니어 알폰소 스티워트(Alphonso Stewart)는 "우리는 전개 절차를 정확하게 동기화하여 느리지만 통제된 ​​프로세스가 생성되도록 했다"고 말했다.

그러나 진공 챔버에서는 공간의 진공을 재현할 수 있지만 무중력은 재현할 수 없다. 따라서 팀은 중력의 영향을 최소한으로 변경하기 위해 다른 방향에서 자동 전개를 확인했다. 그러나 무중력 상태에서는 실전 연습이 없었다.

거울 펼치기

기본 미러를 접는 것은 그다지 중요하지 않다. 망원경이 작동하려면 18개의 육각형 개별 부품이 수십 나노미터 이내로 완벽하게 조립되고 정렬되어야 한다. 직경 6.5m의 전체 거울은 Ariane 캡슐에 비해 너무 크기 때문에 각각 3개의 세그먼트로 구성된 거울의 두 모서리를 접어서 운반한다. 이 ‘날개’를 다시 펼치는 데 약 3시간이 걸린다.

▲ Webb 망원경은 1차 거울, 2차 거울 및 중앙 3차 거울을 포함한 광학 기기의 18개 부분이 모두 올바르게 정렬되어 있어야 명확하게 볼 수 있다. © NASA / STScI

74cm 높이의 2차 거울이 걸려 있는 상부 구조의 전개도 중요하다.
3개의 7.60m 길이의 막대는 운반을 위해 접혀 있고 주(main) 거울과 평행하게 놓여 있다. 따라서 2차 미러를 1차 미러에 의해 묶인 빛의 빔 경로로 가져오려면 똑바로 펴고 확장해야 한다.

이러한 거친 단계가 완료되었을 때만 거울은 후면에 있는 작동기를 사용해 미세 조정되기 시작한다. 138개의 액츄에이터가 제대로 작동한다면 각 미러의 방향과 곡률을 조정해 완벽한 이미지를 만들 수 있다.

178개의 중요 프로세스

“Webb 망원경은 결정적인 단계로 분류된 50개의 전개 단계를 완료해야 하며 이를 수행해야 할 178개의 메커니즘이 있다. 그들은 각각 기능이 작동해야 한다”라고 멘첼(Menzel)은 말했다. “Webb 망원경을 펼치는 것은 우주선이 우주에서 수행한 것 중 단연코 가장 복잡한 일이다. 하지만 Webb에 대해 쉬운 것은 없다. 우리는 그 어느 것도 해본 적이 없다.” (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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