태양광만으로 부유하는 비행체, 미국 연구팀이 기술 개발

태양광만으로 부유하는 비행체,

미국 연구팀이 기술 개발

==고도 50~100km의 미개척 영역에서도 부양… 통신 중계 등 활용 기대==

 

 

 

하버드대학교 등 미국의 연구자들이 학술지 《Nature》 에 발표한 논문 「Photophoretic flight of perforated structures in near-space conditions（근우주 환경에서의 다공 구조체의 광영동 비행）」은 태양광만으로 지상 50~100km의 중간권 부근에서도 부유할 수 있는 초경량 비행체 기술 개발에 성공했다는 내용을 담고 있다.

 

연구 개요

1873년, 크룩스(Crookes)가 방사계(放射計, radiometer)로 실증한 **‘광영동(光泳動, photophoresis)’**이라는 현상이 있다.

이는 빛이 희박한 기체 중의 물체에 닿을 때 물체가 움직이는 현상이지만, 실용화는 오랫동안 어려웠다.

그 이유는 기존 방식에서는 비행체의 크기가 *기체 분자의 평균 자유 행로(mean free path)*보다 작아야 했기 때문이다.

 

예를 들어, 성층권에서는 약 10나노미터, 중간권에서도 약 1cm 이하로 제한되어 있었다.

 

새로운 구조와 원리

 

연구팀이 개발한 기술은 *‘열천이(「熱遷移」thermal transpiration)’*라 불리는 메커니즘을 이용한다.

두께 100나노미터의 초박형 산화알루미늄 막 두 장을 간격을 두고 배치하고,

그 사이를 수직 기둥 구조로 연결했다.

각 막에는 수많은 미세 구멍이 뚫려 있으며,

아래쪽 막에는 태양광을 흡수하는 특수 코팅이 되어 있어 상·하 막 사이에 온도 차가 생긴다.

이 온도 차로 인해 구멍을 통과하는 기체의 흐름이 발생하고, 그 반작용으로 *비행체 전체에 부력(상향 힘)*이 생긴다.

 

 

 

연구진은 가로세로 1cm 크기의 시제품을 사용하여 검증을 진행했다.

지상 대기압의 약 3800분의 1(26.7Pa) 수준인 매우 희박한 환경에서

 

**태양광 강도의 55%(750W/m²)**를 조사한 결과,

비행체가 실제로 부유하는 것을 확인했다.

또한 구조 전체의 면밀도는 1㎡당 약 1g으로 매우 가벼운 것으로 나타났다.

이 결과를 토대로 한 이론적 설계 시나리오에서는

반지름 3cm의 비행체가 고도 75km에서 **10mg의 탑재물(payload)**을 실을 수 있다고 제시했다.

 

활용 가능성

 

이 기술이 부유할 수 있는 영역은 매우 귀중하다.

고도 50km 이하: 성층권 기구나 고고도 항공기가 커버

고도 200km 이상: 저궤도 위성이 주회

그 사이의 고도 50~100km, 즉 **중간권 부근은 기존에 지속적인 관측 수단이 없던 ‘공백 지대’**였다.

 

이번 기술은 이 미개척 영역을 메우며, 태양 에너지만으로 장기간 체공하면서 대기 직접 관측,

기상 데이터 수집,

위성 간 통신 중계 등

다양한 응용이 가능할 것으로 기대된다.

 

상용화 동향

 

논문의 제1저자인 벤저민 C. 셰이퍼(Benjamin C. Schafer) 씨는

이번 기술을 이용해 공백 영역에서의 대기 관측 및 통신을 상용화하기 위해 *스타트업 기업 ‘Rarefied Technologies’*를 공동 설립했다.

 

 

* 집필=야마시타 히로타카(山下裕毅)

           2014년부터 첨단 테크놀로지 연구를 논문 단위로 다루는 웹 미디어 ‘Seamless’를 운영하는 야마시타 히로타            카(山下裕毅) 씨가 집필.

* 일본어원문=太陽光だけで浮遊する飛行体、米国チームが技術開発　高度50～100kmの未開拓 層でも浮く　                     通信中継などに活用

* 출처: ITmedia NEWS

2025년 8월 20일 (수) 8:05 배포