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- 기체 내의 작은 에어로졸 입자가 햇빛에 의해 가열되면 입자 주변의 기체 압력이 변한다.
- 지구 상공 50~80km 고도의 이 고도에서는 기압이 매우 낮다. 광영동력은 강한 지대
- 미래에는 태양광 비행 물체에 센서와 안테나 탑재 가능

상층 대기용 비행 나노 플랫폼
미래에는 태양광 비행 물체에 센서와 안테나 탑재 가능

새로운 유형의 비행 물체:
엔지니어들은 태양 에너지와 소위 광영동력(photophoretic force)*으로만 구동되는 부유 나노 플랫폼을 개발했다. 이 수동 비행 디스크는 상층 대기로 발사되어 기후 측정 장치나 통신 안테나를 장착할 수 있다. 연구팀은 "네이처(Nature)"에 이 플랫폼을 발표해 화성의 희박한 대기에서 측정 기지로도 적합할 수 있다고 보고했다. 

*연기와 먼지의 미립자를 강한 빛으로 비출 때, 조사의 방향 또는 반대 방향으로 입자가 움직이는 현상

▲ 비행 물체는 실용적인 장치가 중간권에서 정지 상태를 유지할 수 있도록 한다. © Schafer et al. Nature (2025)

기체 내의 작은 에어로졸 입자가 햇빛에 의해 가열되면 입자 주변의 기체 압력이 변한다. 이러한 비대칭적인 압력 분포는 부유 입자를 태양을 열원으로 하여 태양을 향해 또는 태양으로부터 멀어지도록 하는 힘을 생성한다. 그러나 광이동력으로 알려진 이 현상은 예를 들어 빛돛에 동력을 공급하는 복사압과는 다르다.

하버드 대학교의 벤저민 셰이퍼가 이끄는 연구팀은 오랫동안 알려져 온 이 물리적 효과를 최초로 실용적으로 응용하는 방법을 개발했다. 바로 지구 대기 최상층인 중간권에 비행 플랫폼을 설치하는 것이다. 지구 상공 50~80km 고도의 이 고도에서는 기압이 매우 낮다. 중간권의 공기는 비행기나 기상 관측 기구가 비행하기에는 너무 희박하고, 위성이 비행하기에는 너무 밀도가 높다. 따라서 지금까지 중간권까지 비행한 사례는 없다. 그러나 공기가 희박하기 때문에 광영동력이 특히 강하다.

▲ 이러한 비행 장치 주변의 기류를 보여주는 그림. 장치 막의 구멍을 통해 열이 증산되어 위로 올라가는 기류가 생성된다. 복귀 기류는 장치로부터 멀리 떨어진 곳에서 발생한다. © Ben Schafer, Jong-hyoung Kim

나노소재로 제작된 샌드위치 디스크 테스트 완료

연구진은 가솔린이나 프로펠러 없이 광이동력만으로 특정 물체가 상층 대기에 떠 있을 수 있는지, 그리고 어떻게 떠 있을 수 있는지를 시험했다. 이를 위해 연구진은 먼저 컴퓨터 모델을 사용하여 산화알루미늄으로 제작된 얇은 샌드위치 구조를 설계했다. 이 구조는 100나노미터 두께의 얇은 막 두 개가 작은 수직 지지대로 연결되어 있다. 또한 막에 구멍을 뚫고 하부 막에는 열을 저장하는 크롬을 코팅했다.

셰퍼와 그의 동료들은 이 초경량 나노물질을 사용하여 지름 1cm와 3cm의 작은 샌드위치 디스크를 제작했다. 그런 다음 실험실의 저압 챔버에서 대기 조건에서 이 광영동 비행 물체가 어떻게 작용하는지 테스트했다. 레이저를 사용하여 태양 복사를 시뮬레이션했다.

광(빛)영동(Photophoresis)*은 충분한 양력을 제공한다

중간권 조건에서 이러한 플랫폼은 실제로 광영동만으로 떠오를 수 있음이 밝혀졌다. 막 아래의 가열된 공기는 측면으로 빠져나간다. 동시에 기체 압력 변화로 인해 막의 작은 구멍을 통해 위에서 차가운 공기가 유입된다. 또한, 중간권의 희박한 공기 속 기체 분자는 차가운 윗면보다 따뜻하고 크롬으로 코팅된 아랫면에서 더 강하게 반발한다. 이는 테스트와 시뮬레이션에서 나타났듯이 플랫폼에 양력과 지속적인 상향 추진력을 제공한다.

셰퍼는 "이 현상은 일반적으로 영향을 받는 물체의 크기와 무게에 비해 매우 약해서 우리는 이를 알아차리지 못한다"며 "하지만 우리는 구조물을 매우 가볍게 제작해 광이동력이 무게보다 더 강하도록 하여 비행이 가능하도록 했다"고 설명했다.

▲ 광영동 비행 장치의 가능한 응용 분야를 보여주는 그림 © Ben Schafer, Jong-hyoung Kim

계측 장비용 부유 운반체

두 개의 디스크 중 더 큰 디스크는 자체 무게 5mg(밀리그램) 외에 10mg의 추가 하중을 실을 수 있다. 따라서 이 비행 플랫폼은 상층 대기에 소형 계측기를 배치하는 데 적합할 것이다. 예를 들어, 이 센서에는 태양 전지, 무선 주파수 안테나, 그리고 데이터를 수집해 지구로 전송하는 집적 회로가 포함될 수 있다.

플랫폼이 더욱 발전하여 직경이 센티미터가 아닌 수 미터로 제작된다면, 앞으로 더 큰 무게와 더 많은 계측기를 탑재할 수 있을 것이다. 연구팀은 이를 통해 상층 대기의 날씨와 기후를 연구하는 데 활용될 수 있다고 보고했다. 이 센서는 현재 중간권에서 측정할 수 없는 풍속, 기압, 온도를 기록할 수 있다. 이는 기상 예보를 개선하는 데 도움이 될 것이다. 또한 중간권의 구름과 먼지를 더욱 면밀히 조사할 수 있을 것이다.

통신 및 화성 탐사를 위한 위성 대체

또 다른 응용 분야는 부유 플랫폼에 통신 안테나를 설치하는 것이다. 스타링크 위성과 유사하게, 셰이퍼와 그의 동료들이 설명하듯이, 이러한 안테나는 비상 상황 또는 군사용으로 사용할 수 있는 고성능 통신 네트워크를 구축할 수 있다.

이러한 광이동성 비행 물체는 다른 행성 탐사에도 적합할 수 있다. 현재처럼 막대한 비용을 들여 화성에 대형 계측기를 보내거나 궤도선 탐사선에서 대기를 탐사하는 대신, 화성 대기와 우주 공간의 경계에 있는 광이동성 부유 플랫폼에 훨씬 작은 센서와 기타 계측기를 배치할 수 있다.
참고: Nature, 2025; doi: 10.1038/s41586-025-09281-8
출처: Nature, Harvard School of Engineering and Applied Sciences

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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