3'00" 읽기
- 화성의 대기 지구 밀도의 100분의 1에 불과
- 화성의 가스 외피, 매우 얇지만 지상 근처에서 특히 많은 부유 입자 포함돼
- 로터 블레이드가 대기 중 에어로졸 및 공기 중 입자와 충돌, 마찰 전기 대전으로 발생
- 이착륙 시 먼지가 올라올 때 이러한 대기 방전 가능

화성 헬리콥터는 어둠 속에서 빛날 수 있다.
마찰 전기 효과는 로터 블레이드의 충전 및 방전으로 이어진다.

기이한 효과:
미래의 화성 드론이 어둠 속에서 붉은 행성을 비행한다면 유령 같은 청록색 빛을 방출할 수 있다. 연구원들이 보고한 바와 같이 이 빛 뒤에는 회전하는 로터 블레이드의 먼지 입자의 마찰로 인한 전기적 효과가 있다. 화성의 희박한 대기에서는 소량의 마찰 전하 만으로도 실제 전자를 방출하기에 충분하며 이것이 발광을 일으키는 원인이다. 

▲ 소형 화성 헬리콥터 Ingenuity와 미래의 화성 무인 항공기는 어둠 속에서 푸르스름하게 빛날 수 있다. © NASA/ Jay Friedlander

우리는 문 손잡이를 만질 때의 감전이나 풍선을 문지른 후 머리카락의 대전으로 인한 영향을 알고 있다. 전도성 물질은 마찰을 통해 전기적으로 대전될 수 있다. 마찰 전기 효과는 예를 들어 벨트 발전기에서 또는 신발 밑 창이나 의류에 있는 작은 나노 발전기의 형태로 전기를 생성하는 데 사용할 수 있다. 극단적인 경우 이 에너지는 스파크나 확산 광선을 통해 방출될 수도 있다.

먼지 충전 로터 블레이드 입자

이러한 정전기는 헬리콥터에서도 발생할 수 있다.
"로터 블레이드가 대기 중 에어로졸 및 공기 중 입자와 충돌할 때 마찰 전기 충전을 통해 발생한다"고 NASA 고다드 우주 비행 센터의 William Farrell과 그의 동료들은 설명한다. 이 효과는 먼지가 많은 공기나 얼음 결정으로 가득 찬 공기에서 가장 강력하다. 100 킬로볼트 이상의 전압이 이미 모래 지형 위를 맴도는 헬리콥터에서 측정됐다.

이것은 지구에 가시적인 영향을 미치지 않지만 연구팀은 화성의 얇은 대기에서 상황이 다를 수 있음을 발견했다. 실험실 테스트와 모델 시뮬레이션의 도움으로 그들은 화성 헬리콥터 "Ingenuity"의 로터 블레이드가 화성 지형을 비행할 때 충전되는지 여부와 그 정도와 그 결과가 무엇인지 조사했다. 붉은 행성의 가스 외피는 매우 얇지만 측정 결과 특히 지상 근처에서 많은 부유 입자가 포함돼 있는 것이 밝혀졌다.

▲ Ingenuity의 블레이드 구성 그림. 먼지 알갱이와 입사하는 블레이드 엣지는 전류 라인을 형성한다. 그런 다음 이 전류는 블레이드 및 기타 전도성으로 결합된 표면 전체에 퍼져 평평한 표면을 따라 수직 방향의 전기장을 발생시킨다. (출처: 관련논문 Will the Mars Helicopter Induce Local Martian Atmospheric Breakdown? / The Planetary Science Journal)

가스 방전으로 충분할까?

실험에 따르면 화성 대기의 조건과 화성 헬리콥터 설계에 기반한 로터를 사용하면 로터 블레이드를 충전하는 데 30초만 작동하면 충분하다. Farrell과 그의 팀은 "평평한 표면의 전기장은 미터당 약 36킬로볼트에 도달한다"고 보고했다. 이것은 화성 무인 항공기에 대한 문제가 아니며 전기 시스템은 그러한 요금으로 위험에 처하지 않는다.

다른 한편으로, 이 마찰전하는 눈에 보이는 다른 효과를 유발할 수 있다.
전압이 특정 임계값을 초과하면 주변 대기로 플래시오버가 발생하기 때문이다. 그런 다음 전기장은 가스 분자의 전자를 이온화하고 동원한다. 이것은 전자 캐스케이드(가스 방전)를 생성한다. 강도에 따라 이 방전은 확산 광선을 촉발하거나 명확하게 정의된 불꽃으로 나타날 수 있다.

유령 같은 빛

과학자들이 발견한 바와 같이 정확히 이것은 화성에서도 일어날 수 있다.
Ingenuity에서 로터 블레이드를 충전하면 가스 방전이 시작된다. 연구팀은 “특히 이착륙 시 먼지가 올라올 때 이러한 대기 방전이 가능하다”고 말했다. 어둠 속에서 방전은 희미한 푸르스름한 빛으로 보일 수 있다.

이것은 화성의 대기가 지구 대기 밀도의 100분의 1에 불과하기 때문에 가능하다.
결과적으로 전자 캐스케이드는 가스 분자에 의해 덜 느려지고 방전 범위가 증가한다고 Farrell과 그의 동료들은 설명했다. 지구 대기의 전기장은 발광 임계값을 초과하기 위해 미터당 약 3천KV(킬로볼트)에 도달해야 하지만 화성의 얇은 껍질에서는 미터당 230KV로 충분하며 Ingenuity의 로터는 이를 수행할 수 있다.

미래의 화성 비행에 대한 증거

테스트 비행이 모두 낮에 이루어졌기 때문에 소형 화성 헬리콥터가 어둠 속에서 실제로 빛나는지 아직 확인할 수 없다. Farrrell은 "따라서 화성에서 미래의 무인 항공기 비행은 전자 캐스케이드가 실제로 그러한 빛을 일으킬 만큼 충분히 강한 지와 이 빛이 가시적일 수 있는지 보여주어야 한다"고 말했다. 그러나 미래의 화성 무인 항공기는 야간 비행 중에 고유한 빛의 기운을 생성할 것이라고 생각할 수 있다.

또한 Farrell은 이러한 위협의 다리에 작은 전위계를 부착하여 효과를 측정할 것을 제안했다. "이러한 전기 측정은 과학적 가치가 있을 뿐만 아니라 드론의 상태와 잠재적 위험에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있다"고 말했다.
(The Planetary Journal, 2022; doi:10.3847/PSJ/abe1c3)
출처: NASA

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]