디스커버리채널에서 우주에 관한 다큐멘터리를보았습니다. 지금 우리 지구를 넘어 우주 그리고 은하계 등등 점점 나아갈수록 정말 인간이란 이 우주에서 먼지보다 작은 존재구나 하는 생각이 들었습니다. 그 중에 가장 흥미롭게 본 부분은 바로 무중력상태일때의 상태가 눈에 띄었습니다. 우주를 탐사하며 돌아다니는 우주정거장, 유인우주선, 인공위성 등에서 찍은 사진들을 보시면 상식적으론 이해가 되지 않는 부분이 많다는 것을 아시게 될 것 입니다. 물이 공중을 둥둥떠다니고 액체류들은 동글동글하게 모여 쏟아지지도 않고, 사람이 공중에서 수영하듯이 돌아다니는 모습은 굉장히 매력적이였습니다.

이것은 바로 물체에 작용하는 중력 즉 물체와 물체사이에 작용하는 당기는 힘의 크기가 0인 상태이기 때문입니다. 지구가 중력의 힘으로 우리를 땅으로 끌어들이듯이 모든 물체에는 서로를 당기는 힘이 있습니다. 그런대 이 중력이 우주에서는 없기때문에 이렇게 사람들이 공중을 걸어다니고 날아다니는 모습을 볼 수 있습니다.

우주공간의 특성

우주공간에서는 소리가 전달이 되지않습니다. 소리는 음파가 물체에 부딫쳐서 퍼져나가는 것인대 음파라는 것이 공기를 진동시켜생기는 파동의 일종입니다. 사람이나 동물들이 소리를 듣는 원리는 이와같이 음파, 즉 파동이 동물의 고막을 진동시키기 때문입니다. 하지만 우주공간은 진공상태이기 때문에 소리가 전달이 되질 않습니다.

여기서 하나 질문을 하자면 영화나 드라마에서 로켓이 날아가는 소리 그리고 폭발음 등은 어떻게 나는 것일까요?

라는 생각이 들었는대 바로 정답이 나온것이 그냥 각색인 것입니다. 영화를 표현하기위해 소리를 입히게 된 것이지요.

그래서 우주인들의 우주복에는 무선 송수신기가 모두 장착되어있어 서로의 의사 전달을 할 수 있게되는 것입니다.

또 다른 특징은 우주공간은 공기가 없는 진공상태입니다. 그로 인하여 태양이나 전자기파, 방사선들이 여과없이 인간의 몸에 들어오게됩니다. 우주방사선은 위성의 전자장비에 치명적이기 때문에 방사선이 많이 표출되는 날에는 모든 활동이 금지된다고 합니다.

우주에서의 신체적 변화

무중력상태에서는 사람의 귓속에 들어있는 전정기관들이 제 기능을 할수 없게됩니다. 사람은 전정기관에 있는 림프액과 이석들이 활동하며 몸이 어느 방향으로 움직이고 기울어졌는지를 파악하게되는대 무중력 상태에서는 림프액과 이석들이 몸안에서 공중에 살짝 떠 있기 때문에 감각을 정확하게 인지하지 못하는 경우가 생깁니다. 그리하여 나침반이나 로프 없이 밖에 나가게된다면 순식간에 방향과 평행감각을 잃어버릴 수 있게됩니다. 또 한 몸의 핏줄과 근육도 중력에의해 방향이나 평행감각을 찾는대 이 것또한 무중력 상태에서는 전혀 소용이 없게되버립니다. 그래서 지구에서도 차멀미나 배멀미가 심한 사람들은 이러한 증상때문에 그런것이라 이런 사람들이 우주로 나간다면 우주멀미에 시달리게되어 2~3일 정도는 고생을 한다고 합니다. 또 우주인들의 경우 특징이 있는대 허리와 다리가 지구에 있을때 보다 가늘어지고 얼굴이 심하게 부어있는 모습을 종종 볼수 있다고 합니다. 이것은 지구에서는 중력에 의해 혈액이 다리쪽에 많이 모이는대 무중력 상태에서는 전신에 골고루 퍼져 이런 증상이 생긴다고합니다.

우주생활을 오래 하게된다면 우리 몸의 뼈를 구성하는 성분인 칼슘이 혈액에 녹아들어 소변으로 배출되게됩니다.

평균적으로 사람의 몸에는 1kg정도의 칼슘이 존재하는대 우주에서는 한달에 약 27~30g정도의 칼슘이 몸에서 배출된다고 합니다. 그로인해 약간의 충격에도 잘 부러지는 뼈로 변하는 경우가 많아 우주식단에는 늘 칼슘이 함유되있는 제품이 있다합니다. 우주인들은 지구로 귀환을 하게되면 스스로는 서 있을 수 조차 없을 정도로 근육양이 저하되고 뼈 또한 몸의 무게를 지탱하기에는 너무나도 약해져있게된다. 그래서 재활운동으로 하루 2시간 정도는 자전거나 가벼운 산책을 꼭 한다고 합니다. 또한 우주에서는 밤과 낮이 너무 바뀌어 신체리듬이 망가지기 일수입니다. 그래서 지구에 복귀한 우주인들은

항상 "우주시차병"에 걸려 한달정도는 고생을 한다고합니다.

달의 환경

달은 지구의 약 1/4정도의 크기를 하고있는 위성입니다. 하지만 이정도 크기도 태양계의 위성들 중에서는 굉장히 큰편에 속한다고합니다. 모든 행성에는 끌어당기는 인력이 존재하여 중력이생기는대 달은 지구의 1/6밖에 되질않습니다. 즉 60kg의 사람이 달에가면 10kg밖에 되지 않는다는 것입니다. 가속도도 마찬가지로 지구의 6배정도로 적용이됩니다.

저희 집 아파트 옥상에서 사과를 던졌을때 지구에서 6초 걸린다면 달에서는 같은 조건일때 36초 정도가 걸린다는 것이지요.

달탐사 영상이나 각종 영화를 보면 살짝 도움닫기했을뿐인대 예상보다 높이 올라가는 모습을 보며 신기해한 적도 있습니다.

지구와는 다르게 달에는 대기가 없기 때문에 바람이 불지도않고 소리가 들리지도 않습니다. 우주공간에대해 설명한 포스팅에 적었듯이 소리는 공기, 물, 금속, 나무 등등 매개체가 있어야 파장을 통해 전달이되는대 달에서는 대기가 거의 존재하지 않기때문에 소리를 들을수 없습니다. 또한 공기가 없기때문에 바람도 불지않아 풍화, 침식, 퇴적 작용이 일어나지않습니다. 지금 달에가서 발자국을 찍고 온다면 환경에 변화만 없다면 100년 후에도 그 모습 그대로 남아있을 것 입니다.

달은 지구와 다르게 온도의 변화가 아침과 저녁으로 굉장히 큽니다. 그 이유는 앞서 말씀드렸듯이 대기가 존재하지 않기때문입니다. 지구에서는 대기 중에있는 수증기를 비롯한 많은 기체분자들이 태양열의 대부분을 막아주고 흡수하여 보관하기때문에 아침에 따뜻한 느낌이 밤에도 어느 정도 지속이 될 수 있는대 달은 대기가 존재하지않아 태양의 열이 그대로 지면까지 흡수되어 태양빛을 받는 부분은 130도까지 올라가는 반면에 반대편 태양이 닿지 않는 곳의 온도는 영하 170도까지 떨어진다고 합니다. 따라서 생명체가 존재하기에는 너무나도 힘든 환경이라 생명이 살지않고있습니다. 

지구에서 달까지 가기위해서는 중력을 이겨낼수있는 속도를 내야합니다. 지상에서 중력을 뚫고 대기권을 벗어나는대 필요한 속력은 11.2km/s입니다. 무려 1초에 11km이상을 날아가는 속도가 필요하다는 소리입니다. 달에 도달하는 방법은 대략 세가지 정도가 있습니다. 초거대 로켓을 발사, 단번에 달에 착륙하는 방법, 작은 로켓 두 대를 사용하여 한대가 다른 한대에 추진력을 주어 달에 도착하는 방법, 달 궤도에 도달하여 달에 우주선의 일부를 떨어뜨려 착륙시키는 방법 이렇게 세가지입니다.

지구 저궤도에서 지구와 달 전이 궤도를 거쳐 달궤도에 가는 순서로 항해를 하게됩니다. 이때 킥모터나 킥엔진의 추력에 따라 궤도의 모습이 달라집니다. 추력이 강하다면 한번에 달에 착륙이 가능 할 것이며 약하다면 달의 움직임을 이용하여 달에 착률을 할 수 있습니다. 보통 4~6일 정도의 항해를 거쳐 달에 착륙하며 이 안에 끝내는 것이 연료절약에 가장 도움이 된다고합니다.

세계의 달 탐사

20세기에 들어 급성장한 과학기술 덕에 우주로 향하는 문턱이 조금은 낮아졌습니다. 처음 달 탐사에 성공한 나라는 소련으로 1959년 루나 1호를 발사해 달 주변 근접비행에 성공했습니다. 그 후 1969년 미국이 아폴로 11호를 달에 착률 시켜 세계적 화재가 되었습니다. 그 다음 발사국은 일본입니다. 1990년 소형 탐사선 히텐을 발사하고 2007년엔 14개의 실험장치를 가진 가구야를 달 궤도에 진입시켰습니다. 가구야는 엄청난 실험장치를 통해 달의 환경을 분석하기 위해 발사 되었습니다.

세계 최초로 달 전체를 고해상비디오 녹화를 하고 이것으로 일본은 달 전체 3D지도를 만들어내게 됩니다.

유럽우주국은 달궤도선 스마트1을 2003년에 발사하였습니다. 중국은 1970년부터 위성을 쏘아 올렸으며 2003년엔 유인 우주선을 발사하였습니다. 창어 3호와 옥토끼호는 3개월 동안 지형과 지질구조를 탐사하고 각종 자료를 지구로 전송하였습니다. 인도의 찬드라얀1호는 312일동안 얼음과 헬륨 등의 달 자원조사를 하던 중 교신이 중단된 위성입니다

우리의 실생활에 가장 밀접한 전화와 인터넷, 어떻게 전화와 인터넷을 사용할까요? 

궁금함을 못이겨 인터넷을 검색해 본 결과 인공위성의 주파수와 센서를 통해 전파가 전달되는 방식이라도합니다. 

인공위성의 분류

다들 분명 인공위성이 무엇인지는 알고 계실겁니다. 지구의 궤도를 돌면서 전파를 송수신 해주는 기계 정도로 저는 알고있습니다. 처음에 인공위성은 군사분야에서 사용되었습니다. 첩보영화를 보면 가끔 인공위성을 해킹하여 적진지를 파악하고 적들의 통화내용을 훔쳐듣는 등등 굉장히 멋잇는 쪽으로 많이 사용되는 걸 봤습니다. 그러다 위성사진등이 민간기업이나 국가에 활용이 되면서 군사위성말고도 민간위성들이 많이 발사되기 시작했다. 우리나라의 아리랑위성은 지구관측위성으로 고해상카메라와 레이더, 적외선카메라등 영상촬영 장비를 이용하여 지상을 촬영하는 관측형위성이다. 지구관측형위성이란 사진과 지구 자기장, 중력의 변화를 감시하고 빙하를 관측, 자원탐사 해양감시, 산림상태파악 등 광범위하게 사용이 되고있으니 우리 삶에 꼭 필요한 존재로 자리매김하고있다. 항법위성은 위치를 지상에 전송해주는 위성이다. 인공위성과 같이 우주에서 지구를 관측한다면 지리적 특성을 한눈에 확인이 가능할것이고 지도나 지형을 쉽게 파악 할 수 있다. 항법위성은 정확한 위치 전송이 필수이기때문에 한대가 아닌 여러대의 위성을 운용하는대, 여러 위성에서 전송해온 정보를 비교 분석하여 더 정확한 정보를 얻을수 있다는 장점이 있다. 가장 대표적으로 사용되는 분야가 GPS위성이다. 이것은 지구 전체규모의 항법위성서비스로써 군사적 필요에 개발이 되었지만 1983년 대한항공 007편 격추 사건을 시발점으로하여 미국이 GPS정보를 민간에 공개하기로 결정하였다. 그로 인하여 점점더 많은 분야에서 GPS서비스를 적용하여 우리의 실생활에 도움을 주고있는 것이다.

내가 지금 영국에 가지 않아도 맨체스터UTD와 첼시의 축구경기를 볼 수 있는것과 부산에서 서울로 전화를 연결 할 수 있는것 이 모든것들은 바로 통신위성덕분이다. 통신위성은 지상에 있는 통신국이라는 곳에서 보내는 신호를 전송받아 원하고자하는 통신국으로 전파를 전송하는 역활을 하는 위성이다.

통신위성은 정해진 영역에서 잘 벗어나지않고 그 지역의 통신을 전담하여 운영이된다. 따라서 통신위성은 지구의 자전속도와 같은 속도로 움직이며 지구에서 보았을때 한 자리에서 고정되어 움직이지 않는 것 처럼 보이곤 한다. 최초의 통신위성은 미국의 텔스타이다.

우리가 일기예보를 알수있는 것도 바로 이 위성 덕분인대 기상위성이 바로 그 역활을 한다. 기상위성은 날씨정보를 수증기량과 기압 측정, 태양광선의 반사량등등 획들 할 수 있는 모든 정보를 우주에서 획득하여 분석하고 측정한다. 고도가 높을수록 더 넓은 지역을 측정가능하기 때문에 주로 36,000km에서 정지하여 역할을 수행하곤 한다. 기상위성은 각 주변의 나라끼리도 서로의 데이터를 받아 분석하고 측정하는 등 국가끼리의 정보 교류가 가장 활발한 위성 중 하나이다.

위성의 지상국

위성을 쏘아올리는 목적이 전파를 통한 정보의 교류와 측정이듯이 이러한 정보를 취합 할 수 있는 지상국이 설치가 된다.

우리 대한민국은 현재 4개 지역에 지상국을 통해 위성을 관제한다. 항우연 대전본원, 남극 세종과학기지 세종위성관제소, 북극 노르웨이 스발바르 섬 KSAT사의 안테나를 빌려 사용하고있으며 미크로네시아 추크주 웨노섬 위성관제소는 자체운영으로 사용 중이다. 촬영한 위성 영상은 항우연 대전 본원과 스발바르의 KSAT안테나를 이용하여 주로 수신을 한다.

그리고 나머지 세종기지와 웨노섬에 있는 우리 안테나로는 위성의 현재 상태를 체크하고 정보를 취합하는 역활을한다.

남극과 북극에도 지상국이 건설되는 이유는 크게는 연료의 절약과 긴급상황시 위성의 임무를 변경하는 경우에 주로 사용이된다. 그 이유는 아리랑 위성 같은경우 고도 500~800km에서 북극과 남극을 돈다. 이러한 저궤도 위성은 지구를 도는 시간이 짧기 때문에 하루 지구를 도는 횟수중 90%정도 교신이 가능하고 그로인하여 즉각적 조치가 가능하다는 장점때문에

북극과 남극에도 안테나를 설치합니다.

인공위성의 구조

인공위성은 본체와 탑재체로 나뉘어져있다. 비행기의 예로 들어보자면 승객을 태우는 공간적인 부분을 본체라하고 방송이나 전화, 무전통신을 하기위한 중계부분과 영상촬영적 요소가 담긴 탑재체라는 부분이라 설명된다. 본체는 7개의 부분으로 나눌수 있고 또 한 모든 각 부분부분이 매우 중요한 역활을 한다. 첫째로 구조이다. 부품장착면과 가로지지대, 세로지지대의 구조가 간단하게 형성되어있는것 같지만 어느 한 부분이 어긋난다면 큰 문제가 생기는 위성체의 형태를 유지하는 가장 중요한 부분이다. 우리의 몸으로 치면 골격에 해당하는 부분일 것이다. 두 번째는 열제어기관이다. 우주는 대기가 없어 태양열에의한 온도차이가 매우 심각하므로 열제어를 제대로 하지못한다면 위성이 타거나 얼어 버릴 수가있다. 우리도 추울 땐 패딩을 입고 더울땐 반팔을 입듯이 위성은 태양열을 차단하기위해 "다층박막단열재"라는 황금색의 단열재를 덮어주게된다. 그리고 위성 내부에 있는 열을 빠르게 내보내기위해 이차면경이라하는 거울처럼 생긴 것을 붙여놓고 열을 제어한다. 세번째, 네번째는 같이 묶어 설명하는 이유는 추진체와 자세제어기 때문이다 . 추진체인 추력기는 연료를태워 발생하는 가스를 외부로 분출하고 그 에너지를 이용하여 힘을 얻습니다. 반작용휠은 관성의 법칙을 이용한 장치입니다. 우리의 눈의 역활을 하는 것이 바로 태양센서와 지구센서입니다. 인공위성이 자신이 누웠는지 돌아져있는지 등 현재의 모습을 파악해야만 올바른 방향으로 날아가기 때문에 이러한 센서들이 복합적으로 이용되어 탐사에 도움을 주게되는 것입니다.

다섯번째는 전력적 요소입니다. 태양에너지를 태양전지를 통해 흡수하여 전기에너지로 바꿔주게됩니다. 이 전기에너지로 전파의 송수신, 영상촬영, 탐사 등을 하게되기에 매우 중요한 부분이고 비상시를 대비해 축전지를 위성체에 삽입해 놓습니다. 마지막으로 원격측정명령과 탑재소프트웨어입니다. 이것들은 인간으로 비유하자면 두뇌에 해당하는 부위입니다. 우리가 지구에서 지상국을 통해 명령을 전달하게되면 보고들은 내용들을 판단하여 임무를 수행하는 부분입니다. 여기에 안테나를 달아 사람의 귀와 입 역활을 해주는 머리에 해당하는 부분입니다.

인공위성의 주파수

우리가 핸드폰으로 게임을하고 통화를하고 그 모든 것들을 가능케하는 것이 바로 주파수입니다. 인공위성과 통신분야는 전파를 사용하는대 아무 전파나 사용하여 쓰는 것은 아니다. 주파수는 저주파수와 중간 그리고 고주파수로 분류되는대 인공위성은 IF주파수 즉 중간주파수를 이용한다. 우리나라의 아리랑위성은 X밴드와 S밴드를 사용하는대 유럽권에선 Ku밴드는 1970년대 후반부에 사용하다 현재는 일부분적으로 지상에서 통신하는 용도로 사용된다. 우리나라는 L밴드, S밴드 C밴드 그리고 X밴드로 구분되는대 이것은 미국이 사용하는 주파수와 거의 흡사하다고 합니다. 

인공위성의 눈

정말 제가 우주에관한 다큐멘터리나 위성에 관한 글을 볼때마다 느끼는거지만 어떻게 저 멀리서 저렇게 선명하게? 저렇게 잘 보이게 찍는걸까 하는 의구심이 늘 들었습니다. 그래서 오늘은 인공위성의 센서 및 카메라 렌즈에 대해 알아보겠습니다.

우리가 63빌딩이나 15층 아파트 옥상에만 올라가도 사실 지상에 기어다니는 개미 혹은 개구리 한 마리 조차도 보이지 않습니다. 하물며 15층만 올라가도 사람이 볼펜 한 자루 만한 크기로 보이는건 모두 경험 해보셧을겁니다. 독수리나 매 같은 맹금류들은 어떻게 그 높은 하늘에서 땅에있는 개구리를 낚아채고 물 속에있는 물고기를 낚아 올리곤하죠. 이것은 바로 눈의 차이입니다. 너무 당연한 얘기겠지만.. 매는 인간의 7배에 달하는 시력을 보유하고있습니다. 즉 하드웨어라고 할 수 있는 시력 덕분에 월등한 차이가 생기는 것입니다. 우리 아리랑 3A호도 매우 높은 해상도의 광합탑재체를 보유하고있습니다. 바로 위성의 눈이라고 할 수 있는 부분이 이 광학탑재체입니다. 가시광선이나 적외선, 자외선, 엑스선 같은 빛들을 사람이 볼수있게 만들어 주는 것이 광학탑재체이다. 광학부품과 광전자부품, 광구조체로 구성이되어있는 탑재체는 일반 카메라와는 사용의 목적과 주변 환경적 요인들이 너무나도 판이하기때문에 몇가지 다른 특징을 지니고있다. 인공위성에 장착되는 카메라로 찍은 사진을 보면 저 멀리서 찍은 사진이라하기엔 너무 자세하게 잘보인다. 이것은 일반카메라의 초점이 18mm~200mm정도라면 인공위성 카메라의 초점거리는 1m~수십m에 이르기 때문이다. 또 다른점은 일반 카메라는 낮과 밤이 있는 지구에서 주로 사용이되어 어떤 환경에서든 촬영이 가능토록 조리개, 노출, 감도 등 조절이 가능하지만 인공위성용 카메라는 사용되는 목적과 그 대상이 항상 고정되어있기 때문에 목적에 맞게 각각의 카메라가 설계되어 탑재가 된다.

가장 큰 차이점은 아무래도 환경에 맞게 설계된 내구성이다. 한번 위성에 장착하여 쏘아올리면 다시는 수리 및 업그레이드가 불가능하기때문에 처음 설계할때부터 최고의 부품과 확실하게 검증된 제품들로만 설계를 한다. 그리고 설계 된 제품은 우주와 비슷한 환경에서 온갖실험을 거쳐 통과가 되어야만 비로소 인공위성에 탑재되는 영광을 누리게된다.

위성 카메라에는 반사경이 주로 사용이된다. 왜냐면 일반 렌즈는 발사하는 충격에의해 거의 깨지기때문에 내구성이 좀 더 우수한 반사경이 사용되며 반사경을 여러겹 서로 조립했을경우엔 오차가 거의없기때문에 사용된다고한다.

이 오차에 민감한이유는 만일 1m거리에서 찍었을때 오차가 1mm라면 별 신경안쓰겠지만 1m가아니고 1km에서 찍은 경우엔 그 차이가 기하급수적으로 올라가기 때문에 처음부터 오차가 거의 없도록 설계가 용이한 반사경을 사용하는 것이다.

그리고 적외선 센서는 부엉이 처럼 열을 감지하여 영상화 할 수 있기때문에 빛이 없는 밤에도 열을 측정하여 분석하고 그것들로 영상을 만들어낸다. 즉 밤과 낮의 구분이 없이 활동을 할 수 있는것이다. 그렇다면 이러한 열 분석조차도 불가능 할 경우에는 어떻게 파악을 하게될까? 그럴 때는 박쥐를 생각해보면 된다. 부엉이와 박쥐 둘다 야행성이지만 박쥐는 시력이 거의 없다고 봐도된다. 그렇기때문에 코에서 나오는 초음파를 통해 지형과 지물을 파악하는 능력이있다. 이 능력을 적용하여 우리 위성인 아리랑 5호에는 합성영상레이더가 장착되어있는대 이것이 바로 초음파를 이용한 위성이다. 동시에 뿌린 초음파가 물체에 닿는 순서에 따라 다시 돌아오면 그것을 데이터화하여 정확한 지리적 고도 및 지형을 측정하는 방식이다.

이것이 좋은 점은 태풍이나 구름이 잔뜩낀 날씨에도 활용이 가능하다. 구름이 많으면 열로 측정이 불가능하지만 초음파는 구름과 수증기를 뚫고 지나가기 때문에 궂은 날씨에도 100% 활용이 가능하고 금속에 반사가 잘되는 성질을 이용하여 지하자원을 탐색하고 해양오염의 정도를 구분하는 등 다방면에서 활약하고 있다.