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- 18개의 육각형 부분으로 구성, 기본 거울은 직경 6.5m, 면적 25m2로 허블의 5배
- NASA 엔지니어, 이미 초음속 항공기와 우주 왕복선에 사용된 재료 베릴륨 선택
- 허블 망원경보다 3배 크지만 초경량 구조 덕분에 무게는 705kg으로 100kg 가볍다.
- 영하 200도 이하의 온도에서만 열적으로 안정적,100nm(나노미터) 얇은 금 코팅

제임스 웹 망원경의 거울: 베릴륨, 금과 얼어붙은 추위

James Webb 우주 망원경의 중심과 가장 눈에 띄는 특징은 거울이다.
18개의 육각형 부분으로 구성된 기본 거울은 직경 6.5미터, 면적 25제곱미터로 허블의 5배 이상이다. 이 크기의 광학 기기를 우주로 가져오기 위해서는 많은 혁신적인 기술이 필요하다. 적외선 범위에서의 사용은 기술에 대한 추가 과제를 제기한다. 

▲ 저온 챔버에서 테스트하기 전에 JWST 거울들의 6개 세그먼트. © Ball Aerospace

Webb 프로젝트 관리자인 Bill Ochs는 "Webb는 과학의 호기심이 엔지니어링을 새로운 영역으로 밀어붙이는 방법을 보여주는 완벽한 예다"고 말했다.

초경량

이 크기의 거울이 있는 우주 망원경의 첫 번째 장애물은 무게다.
사용 가능한 발사체의 탑재량이 제한되어 있기 때문에 모든 구성 요소는 가능한 한 가벼워야 한다. JWST의 거울이 허블 망원경처럼 금속 코팅된 유리로 만들어지면 전체를 더 운반할 수 없다. 이것이 NASA 엔지니어들이 이미 초음속 항공기와 우주 왕복선에 사용된 재료인 베릴륨을 선택한 이유다.

이 알칼리 토금속은 리튬 다음으로 모든 금속 중에서 두 번째로 가볍지만, 매우 안정적이다. 망원경의 모든 광학 요소를 담당하는 NASA 엔지니어 Lee Feinberg는 "질량과 관련해 베릴륨은 매우 높은 강성을 지니고 있다. 이것은 베릴륨을 강철보다 6배 더 단단하게 만든다. 이러한 고강도 및 경량의 조합 덕분에 미러 후면의 밀리미터 미세 지주로 만들어진 벌집 구조는 웨이퍼 두께의 미러 표면을 안정화하기에 충분하다.

JWST의 메인 거울은 허블 망원경보다 거의 3배 더 크지만 베릴륨과 초경량 구조 덕분에 무게는 825kg 대신 705kg으로 100kg이나 가볍다.

▲ 투명 배경에 제임스 웹 우주 망원경의 그림.https://science.nasa.gov/toolkits/spacecraft-icons

온도 변화 시 움직임이 거의 없음

베릴륨은 두 번째, 거의 훨씬 더 중요한 이점이 있다.
열전도율이 매우 높고 동시에 온도 변화에 거의 반응하지 않는다. 이것은 거의 나노미터 정확도로 조정되는 거울의 정렬과 곡률을 위한 결정적인 속성이다. 다른 금속은 가열하면 팽창하고 냉각되면 다시 수축하는 반면 베릴륨은 우주의 낮은 온도에서 안정적으로 유지된다.

파인베르그(Feinberg)는 "베릴륨은 이 온도에서 믿을 수 없을 정도로 높다. 온도가 변하더라도 아무것도 움직이지 않는다"고 말했다. 그러나 베릴륨은 영하 200도 이하의 추운 온도에서만 열적으로 안정적이다. 다른 한편으로, 거울을 제조하는 동안 우세한 지상 온도에서 알칼리 토금속도 약간 팽창한다.

NASA 엔지니어들에게 이것은 그들이 지구에서는 너무 큰 거울 치수를 계산해야 한다는 것을 의미했다. 그런 다음 공간에서 정확히 올바른 크기로 축소되어 마이크로미터의 분수로 축소되었다.

▲ 미러 세그먼트의 미러 표면과 벌집 모양의 구조화된 후면은 베릴륨으로 만들어진다. © AXSYS

섬세한 광택

그러나 가장 좋은 재료는 광학 표면이 올바른 모양과 부드러움이 아니면 소용이 없다.
30년 전에 허블 세계 꿈 망원경의 처음 "비뚤어진" 시야를 보여주듯이 말이다. 거울 곡률의 편차가 4㎛(마이크로미터)에 불과하여 이미지가 흐려졌다. 특별히 개조된 광학 기기의 형태로 된 "안경" 덕분에 허블은 다시 또렷하게 볼 수 있었다.

JWST에서 베릴륨 부분을 연마하는 것은 그에 따라 까다롭다.
허블과 달리 이 우주 망원경은 지구를 도는 것이 아니라 라그랑주 지점 2에서 150만 킬로미터 떨어져 있기 때문에 수리 임무가 거의 불가능하다. "거울 연마는 망원경 제조에서 가장 어렵고 가장 중요한 기술적 이정표로 간주되었다"고 Feinberg는 설명했다. 설상가상으로 망원경의 거울은 18개의 부분으로 구성돼 있으며 개별적으로 연마되지만 나중에는 서로를 완벽하게 보완해야 한다.

"기본 거울의 부분이 하나의 큰 거울처럼 작동하려면 사람 머리카락 굵기의 1만분의 1 이내로 정밀하게 정렬되어야 한다"고 Feinberg는 설명했다. 각 미러 후면에 있는 6개의 액추에이터는 이러한 미세 조정이 공간에서 이루어질 수 있도록 한다. 거울과 망원경의 전체 광학 장치가 최종 작동 온도인 영하 220도에서 영하 243도까지 냉각되었을 때만 이러한 조정이 10nm(나노미터)의 정확도로 이루어진다.

▲ 미러의 베릴륨 표면과 웨이퍼처럼 얇은 금 코팅은 모두 완벽하게 연마되어야 하며 결함이 없어야 한다. © NASA / 크리스 건

완벽한 광택을 위한 금(Gold) 코팅

완성된 거울에는 여전히 중요한 것이 빠져 있다. 바로 금 코팅이다.
귀금속의 이 100nm(나노미터) 얇은 층만이 들어오는 적외선 복사가 거의 완전히 반사되고 2차 거울에 초점을 맞출 수 있도록 보장하기 때문이다. 그렇기 때문에 기본 미러의 세그먼트와 기본 미러에서 7미터 위에 있는 볼록한 보조 미러가 모두 금으로 코팅되어 있다. 전반적으로 이 코팅의 무게는 약 50g에 불과하다.
(계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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