솔라 세일로 태양빛을 타기

번역 출처: https://toughsf.blogspot.com/2023/05/riding-sunbeams-with-solar-sails.html

 

솔라 세일에 대한 기존의 생각을 잊어라. 빠르고 비용을 치룰 필요 없는 태양계 내 이동 수단이며, 언제든 얼마든 이동할 수 있다.

솔라 세일을 승객을 태울 수도 있고, 무한히 사용할 수 있다. 충분히 큰 크기로 생각한다면!

 

솔라 세일

태양광은 풍부한 자원이다.어떤 활동이든 충분한 양의 태양광을 수집하기만 하면 필요한 에너지를 충당할 수 있다. 예를 들어, 인류 문명 전체를 완벽하게 운영하는 데 필요한 에너지는 지구 근처의 86km × 86km 면적을 통과하는 태양광만으로도 충분하다. 우주여행에 필요한 에너지도 태양광으로 해결할 수 있다. 태양광을 수확하기만 하면 태양계 어디든 갈 수 있다는 점은 매우 편리하다.

 

일반적으로 사용되는 방법은 태양광 발전 장치를 활용하는 것이다. 이는 태양광을 전기로 변환하여 전자기기를 직접 작동시키는 방식이다. 이러한 기술은 오랜 역사를 가지고 있으며, 1958년 발사된 뱅가드 1 위성이 최초로 태양광 패널을 장착한 사례였다. 당시 패널이 생산한 전력은 단 1와트였다. 반면, 현재 궤도에서 가장 큰 태양광 발전 시설은 국제우주정거장이며, 8개의 태양광 패널 어레이는 새것일 때 최대 240kW의 전력을 생산할 수 있었다.

미세운석과 방사선으로 인해 축적된 피해는 태양전지판을 점진적으로 교체가 필요하게 된다. 최근의 발전 중 하나는 전기 추진기의 대규모 활용이다. DART 미션에서는 NEXT-C 추진기를 3.5kW 전력 수준에서 사용했으며, SpaceX의 스타링크 위성군에는 수천 개의 홀 효과 추진기가 배치되어 있다.

 

하지만 태양광 패널만이 태양 에너지를 활용하는 유일한 방법은 아니다. 태양 돛은 태양광을 직접 추력으로 변환한다. 이 방식은 일반적으로 90% 이상의 효율을 가지며, 열화에도 매우 강한 내성을 보인다.

 

이러한 돛을 장착한 우주선은 연료 한 방울 없이 무한히 가속할 수 있다. 어떻게 이것이 가능할까? 얼마나 높은 가속도를 얻을 수 있을까? 이 기술의 한계는 어디까지일까? 다음 섹션에서 이러한 질문들을 깊이 탐구해 보겠다.

 

빛과 속도

태양 돛이 작동하는 방식은 매우 단순하다. 빛은 질량이 없지만 운동량은 갖고 있다. 빛이 표면에 부딫힐 때, 빛의 세기에 비례하는 복사 압력이 발생한다. 반약 표면이 반사가 잘 되는 재질이라면 복사 압력은 두 배가 된다.

복사 압력 식은 다음과 같다:

복사 압력(Pa)=빛의 세기(W/m^2) X (1 + 반사율)  / 광속

 

지구 근처의 진공에서 태양광의 강도는 1361 W/m² 이고 반사율이 0.9인 경우, 복사 압력은 다음과 같이 계산됨:

1361 * (1 + 0.9) / 3 *10^8 = 8.0ㅌ10^-6Pa

 

반사되는 표면의 면적을 안다면, 복사 압력을 추력으로 변환할 수 있다:

복사 추력(N): 복사 압력(Pa) X 면적(m^2)

 

10m x 10m의 사각형의 태양 돛은 면적이 100m^2고 위 계산에 따르면 압력은 8.6마이크로파스칼이고, 추력은 0.86밀리뉴턴이다. 쌀알 3개 정도로 작은 추력이다.

 

태양돛의 질량을 안다면, 추력에서 가속력을 얻을 수 있다. 태양돛의 질량은 면적과 관련있고, 면적이 10배라면 질량도 10배가 된다. 그러므로 면적당 밀도를 사용할 수 있다:

태양 돛의 가속력(m/s^2) = 복사 추력(N) / (면적 밀도(kg/m^2) x 면적(m^2))

 

일반적인 오늘날의 태양 돛의 면적 밀도는 제곱미터 당 10그램(0.01kg/m^2)이다. IKAROS 태양 돛이 이 정도 수치를 갖는다. 100m^2 세일의 무게는 1kg이고 가속력은 0.86밀리뉴턴의 추력으로 계산하면 0.00086m/s^2 또는 0.086밀리 G이다. 이 돛이 1m/s를 얻기 위해서는 2분이 필요하며 0-100km/h(제로백)은 9시간이다.

 

위 식을 모두 합쳐 다음과 같이 쓸 수 있다.

태양 돛 가속력 = 빛의 세기 * (1 + 반사율) / (광속 * 면적 밀도)

 

여기서 가속력의 면적에 대한 종속이 사라짐을 확인할 수 있다. 더 거대한 태양 돛이 더 빠르게 가속하지는 않는다. 반사율을 높이는 것 또한 가속력에 큰 영향을 주지 못한다. 90% 반사율과 99.999% 반사율의 가속력 차이는 작다. 따라서 두 가지 변수: 빛의 세기와 면적 밀도가 가속력에 영향을 주는 두 요인이라 할 수 있다. 빛의 세기는 태양 표면의 64MW/m^2부터 명왕성의 0.873W/m^2까지 변할 수 있다. 따라서 가까이 갈수록 더 높은 가속력을 얻을 수 있다. 태양 쪽으로 다가가는 상황을 제외한다면. 면적 밀도만이 가속력에 영향을 주는 요인이라 할 수 있겠다.

 

위 예시에서 태양 돛의 가속력은 달팽이보다 4배나 느린 값을 얻었다. 이는 지구 근처에서 0.01 kg/m^2 의 태양 돛을 사용했을 때의 결과이다. 만약 페이로드를 추가한다면 가속력은 더욱 느릴 것이다.

태양 돛의 각도들

일반적인 태양돛은 태양빛을 반사할 때, 빛이 온 방향으로 그대로 되돌려 보내거나 옆으로 흩어지게 할 수밖에 없다. 이는 우주선이 현재 궤도를 벗어나 새로운 궤도로 진입하려 할 때 문제가 된다. 궤도 속도를 증가시키려면 태양돛을 기울여 측면으로 추력을 만들어야 한다. 가장 효율적인 각도는 태양을 기준으로 35°이며, 이때 돛이 태양을 정면으로 마주보지 않기 때문에 유효 추력은 최대치의 82%로 감소한다.

 

이로 인해, 우주선은 가장 간단한 기동조차 몇 개월에서 몇 년이 걸릴 정도로 오랜 시간이 필요하다. 하물며, 수천 m/s의 델타V 변화가 필요한 행성 간 항로 변경은 더욱 어렵다. 현재로서는, 로켓 상단부의 보조 탑재물로 실을 수 있는 소형 탐사선에 한해 이런 방식이 받아들여지고 있다.

하지만, 더 나은 방법이 있을까?

 

갸벼울수록 좋다

사진: 라이트세일 2의 전개

 

현재 태양돛에 사용되는 소재는 알루미늄을 증착한 마일러(Mylar) 필름이며, 확장 가능한 트러스 구조로 지지된다. 이 필름의 두께는 몇 마이크로미터 수준으로 매우 얇으며, IKAROS의 경우 7.5 마이크로미터에 불과하다. 그럼에도 불구하고 90%의 태양광을 반사하는 성능을 갖추고 있다.

사진: 2 마이크로미터 두께의 aluminized pen이 말려있는 모습

 

가장 큰 문제는, 반사 표면을 매우 작은 부피로 접을 수 있도록 설계하고, 로켓 발사 시 발생하는 진동을 견딘 후, 우주 공간에서 안정적으로 펼쳐지면서 견고한 구조를 유지하는 것이다.

사진: 솔라 세일 전개

 

또한, 현재까지 개발된 태양돛은 비교적 크기가 작았기 때문에, 제어 액추에이터나 전개 메커니즘과 같은 부가 장비의 질량이 전체 질량에서 차지하는 비율이 상당히 크다. 단순히 돛의 크기를 키우는 것만으로도 면적 밀도를 개선할 수 있다. 그러나 돛 전체에 손상을 유발할 수 있는 찢어짐을 방지하거나, 돛의 가장자리가 안쪽으로 말리는 현상을 억제하는 기능도 필요하다.

면적 밀도를 개선하는 첫 번째 단계는 현재 사용되는 소재를 더 향상시키는 것이다. 예를 들어, DLR/ESA의 60m급 태양돛은 가까운 미래에 실현 가능한 목표 중 하나다. 마일러 필름의 두께를 3 마이크로미터까지 줄이면 면적 밀도는 4.2 g/m^2까지 감소할 수 있다. 여기에 알루미늄 코팅과 탄소섬유 붐의 질량을 포함해도 5.3 g/m^2 수준으로 유지할 수 있다. Encounter 태양돛은 이보다 더 큰 규모이며, 마일러 필름을 1 마이크로미터까지 얇게 제작할 경우, 전체 면적 밀도는 1.9 g/m^2까지 낮출 수 있을 것으로 예상된다.

면적 밀도를 줄이는 또 다른 방법은 고정된 지지 구조를 없애고, 돛이 본래 형태를 유지하는 새로운 방식을 도입하는 것이다. 팽창식 붐은 탄소섬유 막대보다 가벼울 수 있고, 회전형 돛은 더욱 경량화가 가능하다. 원심력을 이용해 돛을 펼치고 지속적으로 장력을 유지할 수 있기 때문이다. 이러한 방식은 원형 돛을 형성할 수 있으며, 헬리오자이로 방식도 고려할 수 있다. 헬리콥터 로터처럼 돛을 여러 개의 날개로 분리하고 각 날개를 장력으로 유지하는 구조다. 하지만, 이러한 회전형 구조는 제어가 훨씬 더 복잡해지는 단점이 있다.

사진: 헬리오자이로 세일이 헬리 혜성은 따라가는 모습

더 얇은 소재와 혁신적인 설계를 결합하면, 1 g/m^2 수준의 면적 밀도를 갖춘 태양돛을 실현할 가능성이 높아진다. 이러한 돛은 0.86 밀리 G 수준의 가속도를 제공할 수 있으며, 페이로드를 포함하면 약 0.5 밀리 G 정도로 예상된다. 이 정도 성능이면 정지궤도에서 지구 탈출 속도에 도달하는 데 약 일주일이 소요된다.

 

그러나, 이것보다 더 잘 할 수 있다.

마일러보다 더 나은 소재를 고려할 수 있다. 탄소섬유로 지지하는 알루미늄층을 사용하면 면적 밀도를 0.5 g/m^2 이하로 낮출 수도 있다.

궁극적으로, 지지층을 완전히 제거하고 금속 반사막만을 사용하는 방식도 상상할 수 있다. 이 반사막은 매우 얇을 수 있으며, 예를 들어 제안된 개념에서는 0.14 마이크로미터 두께까지 줄일 수 있다. 이를 통해 면적 밀도 0.33 g/m²의 태양돛을 실현할 수 있으며, 지지용 붐을 포함해도 0.45 g/m² 수준에 그친다.

 

여기서 나노기술이 도움이 될 수 있다.

 

Sub-Wavelength 메타표면(빛의 파장보다 얇은 표면)을 활용하면, 태양돛이 여전히 반사 기능을 유지하면서도 구조적으로 태양빛의 파장보다 작은 틈을 가질 수 있다. 이는 전자레인지 도어의 금속망이 2.45GHz(12.2cm) 전자파를 반사하면서도 가시광선(0.4~0.7 마이크로미터)은 통과시키는 원리와 유사하다. 태양돛 역시 같은 개념을 적용하면 대부분이 빈 공간이면서도 반사 기능을 유지할 수 있다. 태양빛 중 가장 짧은 파장은 0.4 마이크로미터이므로, 이를 고려해 4분의 1 파장 간격인 0.1 마이크로미터의 격자 구조를 만들 수 있다. 이러한 구조는 돛의 75%가 빈 공간이 되도록 설계할 수 있으며, 이를 통해 돛의 질량을 4배 더 감소시켜 면적 밀도를 0.1 g/m^2까지 낮출 수 있다.

사진: 발전된 세일 구조

 

이론적으로, 반사 표면을 태양광과 상호작용할 수 있는 최소한의 두께까지 줄이는 것이 가능하다. 알루미늄의 경우, 그 한계는 약 10 나노미터  정도이다 이러한 두께의 태양돛을 제작하면 면적 밀도는 0.027 g/m^2까지 감소할 수 있다. 여기에 서브-파장 간격을 적용하면, 면적 밀도를 0.01 g/m^2 수준까지 낮출 수 있다. 이는 87 밀리 G(milligee) 수준의 가속도를 가능하게 한다.

그러나, 이러한 접근법에는 여러 단점이 존재한다. 초박막 구조이기 때문에 기계적 강도가 매우 낮다. 인장 강도는 0.225 Pa 수준으로, 태양 복사 압력에는 견딜 수 있지만 기타 외부 교란에는 취약할 수 있다. 우주 환경에 대한 내구성이 크게 떨어질 수 있다. 예를 들어, 태양풍, 행성간 먼지, 방사선 등의 영향에 쉽게 손상될 가능성이 있다.

반사 대신 회절을 사용한다면 더 좋은 성능을 얻을 수 있다.

회절형 태양돛은 빛을 통과시키면서 특정 각도로 굴절시켜 반대 방향으로 반작용을 생성하는 방식을 활용한다. 만약 태양빛을 오른쪽으로 굴절시키면, 돛은 왼쪽 방향으로 반작용을 받는다. 이때, 매우 얇은 실리카 등으로 이루어진 기반의 투명한 회절 격자 또는 1 마이크로미터 간격으로 배치된 알루미늄 반사 스트립을 사용할 수 있다. 이러한 회절 격자가 어떤 방식으로 제작될 수 있는지에 대한 구체적인 연구는 많지 않지만, 일반적으로 면적 밀도 측면에서 기존 태양돛과 비교 가능한 수준으로 예상된다.

사진: 회절 세일의 추력

 

회절형 태양돛의 가장 재밌는 특징은 광학적 특성을 조절할 수 있다는 점으로(회절 격자의 각도를 변경) 태양빛을 원하는 방향으로 재조정할 수 있으며, 이에 따라 추력 방향도 자유롭게 조절할 수 있다. 일반적인 태양돛은 태양에서 멀어지는 방향 또는 그에 대한 일정한 각도로만 가속할 수 있지만, 회절형 돛은 엔진처럼 원하는 방향으로 가속할 수 있으며, 받아들인 에너지의 90% 이상을 활용할 수 있다. 따라서, 돛은 항상 태양을 정면으로 향한 상태에서 최대 효율로 작동하면서도 측면 방향이나  태양 쪽으로도 추력을 발생시킬 수 있다. 또, 고급 제어 시스템을 적용하면 추력 조정용 스러스터나 자이로스코프를 불필요하게 만들어 추가적인 질량 절감도 가능하다.

사진: 광자 추진기 세일

 

또 다른 흥미로운 태양돛 구성 방식으로 광자 추진기가 있다. 이는 기본적으로 두 개의 거울을 이용하는 방식으로, 큰 수집용 거울이 태양빛을 모으고, 작은 이동식 거울이 빛을 원하는 방향으로 반사하여 추력을 발생시키는 방식이다. 이 방식의 장점은 훨씬 다양한 기동이 가능해진다는 것이고, 수집 거울이 항상 태양을 정면으로 바라볼 수 있기 때문에, 기존 태양돛처럼 각도를 조절할 때 효율이 감소하는 문제도 발생하지 않는다. 그러나, 구조가 더 복잡해지고 이동식 거울의 추가적인 무게가 증가하는 단점이 있다.

 

이론적으로는 더욱 실험적인 형태의 태양돛도 존재하지만, 실용적인 적용이 제한적이다.

 

예를 들어, 블랙 세일은 태양빛을 반사하거나 굴절시키지 않고 흡수하는 방식이다. 이러한 돛은 태양빛을 반사하지 않기 때문에 태양에서 멀어지는 방향으로만 가속할 수 있다. 위에서 소개한 방정식에서 반사율을 0으로 설정하여 확인할 수 있다. 이 방식은 태양계 외곽 탐사나 성간 임무에 적절한 시점에 활용할 수 있지만, 그 외의 용도로는 제한적이다. 그러나, 가장 얇고 강한 소재를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 대표적인 예로 탄소 나노소재를 활용할 수 있으며, 에어로그래파이트의 밀도는 0.18 kg/m^3로 매우 낮으며 두께가 1 mm이면 불투명하여 태양빛을 차단할 수 있다. 이를 이용하면 면적 밀도 0.18 g/m^2의 태양돛을 만들 수 있다. 하지만 0.1 mm까지 얇아졌을 때에도 여전히 불투명성을 유지할지는 불확실하다. (이 경우, 면적 밀도는 0.018 g/m^2로 감소) 이러한 설계를 적용하면, 0.25 m/s^2 수준의 높은 가속도를 얻을 수 있다.

사진: 3mm 넓이의 그래핀 세일 테스트

 

소재의 한계에서, 가장 얇은 태양돛은 단층 그래핀이다. 그래핀은 단 한 개의 원자 두께(0.345 나노미터)에 불과하며, 면적 밀도는 0.00077 g/m^2로 극도로 낮다. 그러나 순수한 그래핀은 태양빛의 2%만 흡수하고 나머지는 투과시키기 때문에, 지구 근처에서의 최대 가속도는 0.12 m/s^2로 제한된다. 이를 개선하기 위해, 몰리브덴 디설파이드(MoS₂) 층을 추가하면 태양광 흡수를 37%까지 증가시킬 수 있다. 이 경우, 그래핀/MoS₂ 이중층의 면적 밀도는 0.004 g/m²로 증가하지만, 그에 따라 가속도는 0.4 m/s²까지 상승할 수 있다.

소재의 한계를 넘어서, 면적 밀도를 더욱 낮춘 더스트 플라즈마 돛도 고려할 수 있다. 이 방식은 자기장으로 플라즈마를 가둬, 그 내부에 전하를 띤 입자를 유지하는 구조다. 이러한 입자들은 태양광을 흡수하여 추진력을 얻을 수 있다. 플라즈마 돛은 직경 수십 km 크기로 확장할 수 있으며, 내부 질량이 거의 없기 때문에 이론적으로 면적 밀도를 0.001 g/m^2 이하로 낮출 수 있다. 그러나, 더스트 플라즈마의 태양광 흡수 특성에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았기 때문에, 그로 인해 발생할 수 있는 가속도에 대한 정확한 예측은 불가능하다.

태양돛 설계

이제, 앞으로 설명할 내용을 위한 네 가지 태양돛을 설계해 보자. 이들은 점점 더 무거운 페이로드를 탑재하고, 점점 더 높은 임무 요구사항을 충족할 수 있도록 설계된 태양돛이다. 돛이 실제 항해에 필요한 장비를 탑재하는 것을 감안하여,
면적 밀도에 20%의 추가 질량을 반영한다.

 

특성 가속도는 태양돛이 지구 근처에서 태양광(1361 W/m^2)을 최대한 받았을 때 발생하는 가속도를 의미한다.

 

현대 세일

면적 밀도: 10 g/m^2

태양광 상호작용: 190%

면적: 100 m^2

돛 질량: 1.2 kg

페이로드: 1 kg

총 질량: 2.2 kg

특성 가속도: 0.00039 m/s^2

 

이 태양돛은 이미 우주에서 실험된 형태로, 90% 반사율 덕분에 태양광의 운동량을 거의 두 배로 증가시켜 190%의 효율을 얻는다. 수 마이크로미터 두께의 알루미늄 증착 마일러 소재로 제작되며, 10m × 10m 크기의 사각형 돛대를 이용해 지탱된다. 소형 위성 수준의 페이로드를 추진할 수 있으며, 전체 질량이 작기 때문에 가장 작은 로켓으로도 여러 개를 궤도로 발사할 수 있다.

 

고급 헬리오자이로 돛

면적 밀도: 2 g/m²

태양광 상호작용: 190% (반사 덕분)면적: 50,000 m²

돛 질량: 120 kg

페이로드: 100 kg

총 질량: 220 kg

특성 가속도: 0.0019 m/s²

 

이 태양돛은 중앙 트러스를 중심으로 회전하는 6개의 날개로 구성되어 있다. 마일러 층을 1 마이크로미터 두께로 얇게 제작하여, 현대 태양돛보다 면적 밀도가 크게 개선되었다. 50,000 m^2의 대형 돛을 갖추었지만, 여전히 Falcon 9과 같은 로켓의 정지 천이 궤도 임무에서 보조 탑재체로 실을 수 있는 수준이다.

 

나노필름 돛

면적 밀도: 0.1 g/m^2

태양광 상호작용: 180%

면적: 4,000,000 m^2

돛 질량: 480 kg

페이로드: 1000 kg

총 질량: 1480 kg

특성 가속도: 0.022 m/s^2

 

이 태양돛은 0.1 마이크로미터 두께의 반사막을 사용하며, 서브-파장 구멍을 통해 추가적인 경량화가 이루어졌다. 탄소 나노튜브 구조물이 돛을 지지하며, 2 km × 2 km 크기의 정사각형 형태로 펼쳐진다. 일부 짧은 파장 영역의 빛이 돛을 통과하기 때문에, 태양광 상호작용 효율이 180%로 약간 감소하였다. 이 크기에서는 심우주 탐사선 수준의 유용한 페이로드를 운송할 수 있지만, 초기 발사 질량이 기존 방식보다 훨씬 적다. 그러나 지구에서 직접 발사하는 것은 어려울 것으로 보인다.

 

회절형 메타돛

면적 밀도: 0.01 g/m^2

태양광 상호작용: 90%

면적: 2,500,000,000 m^2

돛 질량: 30,000 kg

페이로드: 10,000 kg

총 질량: 40,000 kg

특성 가속도: 0.26 m/s^2

 

이 태양돛은 지름 50 km에 이르는 거대한 구조다. 그러나, 질량은 오늘날의 대형 발사체로 운송 가능한 수준에 해당한다.

돛 표면은 두께 약 10 나노미터의 나노구조화된 회절 격자로 이루어져 있으며, 압전 액추에이터를 통해 능동적으로 조정된다. 이를 통해 태양광을 다양한 형태로 변형시켜 원하는 방향으로 추진력을 생성할 수 있다. 태양광을 반사하는 대신 회절만 시키기 때문에, 태양광 상호작용 효율은 90%로 제한된다. 이 크기의 돛은 행성 간 탐사를 위한 유인 우주선을 운송할 수 있는 수준이다. 그러나, 너무 연약하여 로켓에 실어 발사하는 것이 불가능하며, 전개 전까지 접어 두는 것도 어려운 구조이다. 결국, 전체 구조를 궤도에서 직접 조립해야 한다.

 

태양 궤도

태양돛에서 가장 중요한 측면은 해당 부분에서의 중력 크기에 따른 돛의 가속력이다.

사진: 낮은 가속력의 솔라 세일이 지구 저궤도를 탈출하기 위해 나선형으로 나가는 모습

 

저궤도에서 중력은 지표면의 1g와 상당히 유사하다. 여기서 태양 돛의 가속력은 중력보다 훨씬 작다. 예를 들어 현대식 태양 돛의 가속력은 0.039밀리G에 불과하다.

 

이러한 환경에서 태양 돛은 궤도를 상승시키거나 하강시킬 때 매우 완만한 나선형 궤도를 그린다. 이 과정에 걸리는 시간을 근사적으로 계산하려면 초기 궤도와 목표 궤도 간의 속도 차이를 태양 돛의 가속력으로 나누면 된다.

 

한 번 계산해 보자. 고도 1000km에서의 궤도 속도는 7350m/s이다. 고도 35,800km(정지궤도)에서의 궤도 속도는 3075m/s이다. 두 속도의 차이는 4275m/s이다. 현대식 태양 돛을 사용하면 4275/0.00039 = 10,961,538초, 즉 약 4.16개월이 소요된다. 실제로는 지구의 그림자 영역에 머무는 시간, 태양광에 대해 옆으로 가속할 때의 비효율성, 그리고 대기권 훨씬 위에서도 상당한 영향을 미치는 대기 저항 등을 고려하지 않았기 때문에 더 오래 걸릴 것이다.

 

고급 헬리오자이로 돛은 0.0019m/s²의 가속력으로 26일 만에 같은 기동을 완료할 수 있다. 이러한 근사치는 태양 돛의 가속력이 지역 중력보다 훨씬 작을 때 유효하다.

 

다음 표에서 입실론 E는 우주선의 가속력과 지역 중력의 비율이다. 세 번째 열은 탈출 속도에 도달하기 위해 필요한 델타V와 초기 궤도 속도의 비율이다. 네 번째 열은 기동을 완료하는 데 필요한 궤도 수이다.

E가 매우 낮을 때(10^-5), 우주 공간으로 탈출하기 위해서는 현재 궤도 속도와 거의 같은 델타V를 소비해야 한다. 이 특정 예시에서는 델타V 요구량이 현재 궤도 속도의 95.75%에 달한다. 또한 이러한 종류의 기동을 완료하는 데 엄청난 수의 궤도(50,000회 이상!)가 필요하다.

 

E가 증가함에 따라 탈출 속도에 도달하기 위한 델타V와 궤도 수가 줄어든다. E가 지역 중력의 100분의 1일 때, 탈출하기 위해 현재 궤도 속도의 76%만 소비하면 되고 이를 위해 단 51번의 궤도만 필요하다. 델타V 절약이 태양 돛에게 큰 의미가 없을 수 있지만, 이는 추가적인 시간 절약으로 이어진다.

 

그러나 우리가 관심 있는 성능 수준의 태양 돛은 지역 중력에 필적하거나 이를 초과하는 가속력을 달성할 수 있다는 점에 주목해야 한다. 지구에서 멀어질 때 무슨 일이 일어나는지 살펴보자. 고도 100,000km에서 지역 중력은 0.035m/s²이다. 400,000km, 즉 달까지의 거리에서는 단지 0.0024m/s²에 불과하다. 이 값들을 고급 태양 돛 설계가 달성할 수 있는 가속력과 비교해 보자. 고급 헬리오자이로 돛은 달까지의 거리에서 지역 중력의 0.79배를 관리한다. 이는 우리가 일반적으로 전투기에서 찾을 수 있는 추력 대 중량 비율이다. 다시 말해, 고성능 돛은 우리 관점에서는 느린 동작이지만 곡예 비행과 같은 기동을 수행할 수 있다.

 

태양계의 나머지 부분에 대해서는 다음과 같은 유용한 차트가 있다:

태양으로부터 1AU 거리에서 태양 중력은 0.0059m/s²이다. 5.2AU(목성 궤도)에서는 0.00022m/s²로 감소한다.

 

태양의 중력과 태양광의 세기는 거리(D^-2)에 따라 같은 역제곱 비율로 변한다는 점에 주목하라. 태양광의 세기는 돛의 가속력을 결정한다. 따라서 태양 돛은 태양으로부터 얼마나 멀리 있든지 상관없이 항상 가속력과 중력의 동일한 비율을 유지한다. 우리는 이것을 돛의 베타 B 또는 '가벼움 비율'이라고 부른다.

 

예를 들어, 돛이 1AU에서 0.001m/s²의 가속력을 달성한다면, 이는 태양 중력보다 6배 낮은 수치인데, 목성 근처에서는 0.000037m/s²의 가속력을 달성할 것이며, 이 역시 그곳의 태양 중력보다 6배 낮은 수치이다.

 

작은 가벼움 비율은 매우 긴 여행 시간으로 이어진다. 0.015의 비율, 즉 지구 근처에서 약 0.00008m/s²의 가속력은 화성까지 1647일이라는 성가시게 긴 이동 시간을 의미한다. 이는 4.5년에 해당한다.

가벼움 비율을 증가시키면 여행 시간이 극적으로 단축된다. 이는 태양 돛이 강력한 로켓처럼 작동하게 한다. 0.1의 가벼움 비율은 화성으로의 빠른 궤적을 달성하기에 충분하다.

176일은 약 6개월로, 일반적인 호만 전이 궤도를 사용하는 화학 로켓의 9개월보다 짧다. 또한 일반 로켓과 달리 태양 돛은 어떤 transfer window도 기다릴 필요 없이 지구에서 화성으로, 또는 그 반대로 이동할 수 있다. 또 다른 연구에 따르면 화성 임무는 가벼움 비율이 0.2로 낮은 돛을 사용해도 120일 미만이 소요될 수 있다. 그러나 이 때 5-12km/s의 속도로 화성과 만나게 된다는 단점이 있기는 하다. 고급 헬리오자이로 돛은 70-170일 안에 그 속도 차이를 메울 수 있다. 연구가 제안하는 다른 옵션은 화성 궤도로의 에어로캡쳐이다.

이 성능 범주의 돛은 최소 에너지 호만 전이 궤도만큼 빠르게 외행성으로의 여행을 완료할 수 있다고 합리적으로 가정할 수 있다: 목성까지 2.7년, 토성까지 6년.

사진: 솔라 세일은 낮은 성능에서도 상당히 빠름을 알 수 있다.

 

하지만 가벼움 비율을 0.5로 증가시키면, 태양 돛이 직접 태양으로부터 멀어지고 가속하여 결국 항성간 공간으로 직선에 가까운 태양 탈출 궤도를 달성할 수 있게 된다.

가벼움 비율이 0.6인 돛의 경우, 목성에 도달하는 데 2.8년이 걸리는 궤도가 있다:

같은 논문에서는 가벼움 비율이 0.5인 경우 토성까지 11.5년이 걸리는 궤도를 발견했다:

그리고 태양 돛은 더 좋은 성능을 낼 수 있다는 것을 우리는 알고 있다. 성능의 상한에서, 이들은 핵-전기 추진기나 핵융합 로켓과 같은 고급 추진 시스템처럼 작동할 것이다. 가벼움 비율이 1을 초과하므로, 태양의 중력을 효과적으로 '상쇄'하고 원하는 곳으로 직선 궤도를 선택할 수 있다. 비유적으로 말하자면, 이들은 어디든 원하는 곳으로 갈 수 있도록 풀려난 것이다.

가벼움 비율이 정확히 1인 태양 돛이 지구의 영향권을 벗어나면, 지구의 궤도 속도로 직선 이동을 시작하며 그 지점에서 지구 궤도에 접선 방향으로 움직인다. 적절한 시기에 맞춰진다면, 화성, 목성 또는 그 너머의 목표물을 향해 29.78km/s의 속도로 직선으로 이동하게 된다. 이는 각각 88일과 243일 안에 그 행성들에 도달하기에 충분한 속도이다.

 

가벼움 비율이 1을 초과하는 경우, 태양 돛은 초기 궤도 속도에 더해 계속 속도를 높일 수 있다. 이로써 여행 시간을 몇 개월이나 단축할 수 있다. 나노필름 돛은 가벼움 비율이 3.73이다. 이는 목성과 같은 목표물을 향해 계속 가속하여, 그 행성까지의 최소 거리인 4.2AU를 103일 만에 통과할 수 있다. 여행 끝에는 85.8km/s의 속도로 움직이게 된다. 회절 메타-돛은 가벼움 비율이 44이다. 이는 같은 목성 여행을 37일 만에 완료하며, 마지막에는 253.1km/s의 속도에 도달한다. 이 같은 돛들은 토성까지 각각 203일과 66일 안에 도달할 수 있다.

물론, 목적지를 그냥 지나치는 것이 항상 바람직한 것은 아니다. 돛을 태양에 대해 모서리 방향으로 돌려 태양으로부터 멀어지는 가속을 멈추고 중력이 작용하도록 할 수 있다.(해설: 태양빛에 수직하게 돛을 돌려서 가속을 막고 태양 중력을 이용) 그러나 태양 중력은 매우 약하다. 이 경우 돛의 성능은 크게 중요하지 않다: 여행은 항상 약 630일(1.72년)이 걸린다. 토성의 경우 1660일(4.5년)이 소요된다. 주의! 이는 대략적인 계산으로, 돛이 목표물을 향해 직선으로 이동하고 끝에서 거의 0에 가까운 속도로 멈춘다고 가정하기 때문에 약간의 보정이 필요하다. 목성(13km/s)이나 토성(9.7km/s)과의 접근 시 상대 속도를 줄이려는 현실적인 궤도는 다를 것이며 약간 더 오래 걸릴 수 있다. 그래도 이는 최소 에너지 호만 전이보다 훨씬 빠르며, 지구와 목표 행성이 태양계의 같은 쪽에 있는 반년 동안 언제든지 발사할 수 있다.

 

이제, 이러한 여행을 더 짧게 만드는 방법이 있다.

사진: 궤도 공명을 이용한 목성 위성  중력도움 캡쳐

 

목성과 토성은 태양 돛이 가스 행성 주위의 궤도로 포획되는 데 도움이 되는 큰 위성들을 가지고 있다. 중력 도움은 행성이나 위성의 궤도 속도의 최대 두 배까지 지나가는 우주선의 속도를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 달은 지구 주위를 약 1km/s의 속도로 돌기 때문에, 이론적으로 최대 2km/s의 속도 변화를 제공할 수 있다. 달 중력 지원은 단일 통과로 소행성을 지구 궤도로 포획하는 데 1.5km/s의 델타V 절약을 제공하는 것으로 계산되었다.

사진: 달의 중력 도움과 새총 효과

 

따라서 우리는 다른 큰 위성들로부터 궤도 속도에 비례하는 델타V 절약을 기대할 수 있다. 목성에는 17.3km/s의 속도로 공전하는 이오가 있다. 목성에 도달하기 전에 17.3km/s로만 감속하면 되는 나노필름 돛의 목성 여행 시간을 312일(-50%)로 단축할 수 있다. 만약 엔셀라두스의 12.6km/s 궤도 속도가 토성으로의 포획에 사용될 수 있다면, 나노필름 돛의 토성 여행은 51% 감소하여 814일이 된다. 다시 말하지만, 중력 도움은 이보다 훨씬 복잡하지만 우리는 그로부터 얻을 수 있는 이점의 대략적인 추정치를 얻을 수 있다.

가스 행성으로부터의 귀환은 쉽지 않다. 태양으로부터 먼 곳에서 기동하는 데는 매우 오랜 시간이 걸리며, 최상의 경우에도 태양 중력만이 돛을 안쪽으로 끌어당길 수 있다. 예를 들어, 나노필름 돛은 목성 근처에서 0.000813m/s²의 가속력을 가진다. 목성의 궤도 속도를 상쇄하고 태양을 향해 직선으로 떨어지기 시작하는 데 약 185일이 걸릴 것이다. 5.2AU 거리에서 태양까지 1AU 거리에 이르기까지 떨어지는 데 740일이 걸릴 것이다. 지구와의 접촉은 태양 근처에서 이루어지며, 최대 25일이 추가로 소요되는 기동을 사용한다. 따라서 총 임무 시간은 950일 또는 2.6년이다. 이는 호만 전이보다 약간 빠를 뿐이다. 더 좋은 돛을 사용하면 여행의 185일과 25일 부분을 단축할 수 있지만, 740일의 자유 낙하 기간에는 영향을 미치지 않는다.

 

내부 태양계 임무는 가스 행성으로의 임무만큼 많은 거리를 커버할 필요는 없지만, 훨씬 높은 궤도 속도를 가진 목표물과 맞서야 한다: 금성은 35km/s, 수성은 47km/s이다. 둘 다 중력 도움에 유용한 위성도 없다. 따라서 이러한 행성계로의 포획은 상당히 어렵다.

사진: 수성 샘플 리턴 임무

 

저성능 태양 돛의 경우, 느린 나선형 궤도를 볼 것으로 예상된다. 다행히도 태양에 가까워질수록 가속력이 증가한다. 금성으로 가는 길에서 태양 돛의 가속력은 거의 두 배가 된다. 평균 가속력은 특성 가속력의 145%이다. 수성 근처에서 태양 돛은 특성 가속력의 6.7배로 빠르게 움직인다. 수성으로 가는 길에서 돛의 평균 가속력은 지구 기준 가속력의 383%이다.

 

특성 가속력이 0.1, 1 또는 2mm/s²인 돛을 이용한 금성 전이에 관한 데이터가 있다. 이는 가벼움 비율로 0.017, 0.17, 0.34에 해당한다. 성능이 향상될수록 전이 시간이 금성까지 146일이 소요되는 호만 최소 에너지 궤도에 더 가까워짐을 알 수 있다.

수성은 저성능 돛에게 여전히 도전적인 목표물이다. 이를 해결하는 한 가지 방법은 가장 안쪽 행성으로의 여행 시간을 단축하기 위해 금성을 지나치는 것이다. 가벼움 비율이 0.1 미만인 돛에서 상당한 이점을 볼 수 있다.

또 다른 논문에서는 회절 돛에 대한 행성간 궤도를 연구한다. 특성 가속력의 범위는 0.1에서 1mm/s²이다. 놀랍게도 금성에 도달하는 데 걸리는 시간은 수성에 도달하는 시간과 비슷하며, 약 200일이 소요된다.

 

금성으로 갈 떄:

수성으로 갈 때:

뛰어난 가벼움 비율을 가진 고성능 돛은 외행성에서 돌아올 때와 마찬가지로 내행성에서도 유사한 문제를 겪는다. 이는 '중력보다 빠르게 안쪽으로 떨어질 수 없는' 문제이다. 궤도 속도를 모두 상쇄하더라도, 상대적으로 약한 태양 중력에 의해서만 안쪽으로 끌려갈 수 있다.

 

지구 궤도인 1AU에서 태양 중력은 0.0059m/s²이다. 금성의 0.72AU 근처에서는 0.0113m/s²이다. 수성은 태양에 가장 가까운 0.39AU에 위치하며 0.0387m/s²의 태양 중력을 받는다.

 

표를 사용하여 매 1시간마다 태양으로 떨어지는 물체의 위치를 계산할 수 있다. 지구에서 금성까지 떨어지는 데 약 42일이 걸리며, 그 끝에는 약 26km/s의 속도가 누적된다. 지구에서 수성까지 떨어지는 데는 57일이 걸리며, 52.5km/s에 도달한다. 태양까지 완전히 떨어지는 데는 65일이 걸리며, 이는 이론적 결과와 일치한다.

고성능 태양 돛에서 지구에서 금성이나 수성까지 가능한 최소 여행 시간을 제공하는 직접 궤도는 다음과 같다: 지구의 궤도 속도(29.78km/s)를 상쇄하고, 원하는 고도로 떨어진 다음, 누적된 낙하 속도를 상쇄하고, 목표물의 궤도 속도로 가속한다.

 

금성으로 여행하는 나노필름 돛의 경우, 지구 기동에 15.7일이 걸린다. 금성을 향해 떨어지는 데 42일이 소요된다. 26km/s의 내향 속도를 상쇄하고 행성의 35km/s 궤도 속도를 얻는 데 함께 (26,000+35,000)/(0.022 x 1.91): 16.8일이 걸린다. 최적화 전 총 여행 시간은 58.5일이다.

 

수성으로 여행하는 첨단 회절 메타-돛은 1.3일 만에 지구의 궤도 속도를 상쇄할 것이다. 그런 다음 57일 동안 떨어진다. 52.5km/s의 내향 속도를 제거하고 45km/s로 공전하는 수성을 따라잡는 것은 97.5km/s의 강렬한 기동으로 수행될 수 있다. 태양에 가까워지면서 돛 가속력이 3.83배 증가하기 때문에 더 관리하기 쉬워져, (97,500)/(0.26 x 3.83): 단 1.1일이 걸린다. 총 여행 기간은 59.4일이며, 이 중 96%는 단지 태양을 향해 떨어지는 데 소요된다. 금성이나 수성에서 지구로 돌아오는 것은 더 빠를 것으로 예상된다.

태양에 접근할수록 돛이 얼마나 빨라지는지 주목했을 것이다. 이 사실은 돛이 태양의 0.1AU 이내에 접근하여 특성 가속력을 100배나 증가시키는 선다이버 기동(태양 광자 지원)에서 완전히 활용된다.

그림: 가벼움 비율이 0.3 정도더라도 선다이버 기동을 사용한다면 해왕성에 933일만에 도달 가능하다.

 

이는 태양계의 먼 곳으로의 여행 속도를 크게 높인다. 오베르트 효과와 결합했을 때 태양 근처에서 빠르게 가속하면, 적당한 특성 가속력을 가진 돛을 400km/s를 초과하는 믿을 수 없는 속도로 끌어올릴 수 있다.

사진: 에어로그라파이트 구형 세일의 특성

 

상한선에서는 에어로그래파이트와 같은 탄소 나노소재를 사용하여 태양 돛을 광속의 2%까지 밀어올릴 수 있다. 물론 이후에 이 돛을 멈출 방법은 없다. 이들은 행성 목표물을 지나치거나 단순히 성간 공간으로 향할 수 있다.

 

그림: 극궤도에 정지한 statite

 

마지막으로, 고성능 태양 돛, 특히 가벼움 비율이 1 이상인 설계는 주목할 만한 능력을 가지고 있다... 멈추는 것이다. 이들은 어느 장소에서든 정지할 수 있다. 이는 이들을 '정지위성'으로 만든다; 정지 위성들이다. 이는 관측소나 망원경을 정확한 위치에 배치하거나 핵융합 고속도로를 설치하려는 경우 유용하다.

그림: displaced orbit을 따라 이동하는 솔라 세일

 

고성능 돛은 또한 행성 근처에서 중력을 부분적으로만 상쇄하는 '짧은 궤도'에 진입하거나, 달과 지구 사이 정확히 중간에 위치하거나 회전하는 소행성의 특정 분화구 위에 위치하는 등 우주의 임의의 점들 사이를 이동하는 복잡한 궤적(선이나 궤도가 아닌)을 따를 수 있다. 추진제가 필요 없기 때문에 이를 무기한 유지할 수 있다.

 

하이브리드 제동

지금까지 우리는 태양 돛이 추진력으로 태양광만을 사용하는 것에 대해 이야기했다. 이것이 반드시 그럴 필요는 없다. 하이브리드 돛은 혼합된 추진 시스템을 사용한다.

사진: OKEANOS 솔라 세일은 솔라 세일과 박막형 태양 전지를 결합한 구조이다.

 

예를 들어, 태양 돛의 페이로드는 독립적으로 기동할 수 있다. 여러 항해 임무에서는 화성의 근접 비행 중에 캡슐을 투하하여 대기 제동으로 표면에 도달하는 방안을 제안한다. 이는 태양 돛이 행성의 중력과 싸우며 낮은 궤도까지 내려갔다가 다시 탈출 속도로 올라가는 수고를 덜어준다. 페이로드는 또한 분리되어 자체 추진기를 사용해 행성으로 내려간 다음, 행성간 우주로 돌아가기 위해 돛과 다시 랑데부할 수 있다. 이는 현지 재급유가 가능한 착륙선이 거의 빈 상태로 착륙했다가 다시 거의 빈 상태로 궤도로 돌아오는 경우에 해당한다.

그림: 솔라 세일이 토성으로 공력 제동하는 모습

 

태양 돛의 넓은 면적은 대기 포획에도 매우 유용하다. 현대식 돛의 면적당 평균 질량은 0.022kg/m²이다. 퍼서비어런스 로버를 착륙시킨 화성 2020 임무는 면적당 질량이 약 95kg/m²인 열 보호막을 사용했다. 이는 태양 돛이 화성의 희박한 대기에서 4320배 더 빠르게 감속할 수 있음을 의미한다.(해설: 공력 가열이 적은 대기 상부에서라면...)

사진: 세일을 이용한 화성 궤도 진입

 

또는 더 현실적으로: 화성 상공의 희박한 기체를 사용하여 행성간 속도에서 화성 궤도로 제동할 수 있다. 동일한 방법이 가스 행성의 상층 대기에서 더 진보된 돛으로도 가능하다. 돛이 손상 없이 이 기동에서 살아남을 수 있는지는 또 다른 문제이다.

그림: 간단한 하이브리드 세일

 

하이브리드 돛은 태양 돛이 다른 추진 시스템의 일부로써 이중 역할을 하는 더 흥미로운 설계이다. 사용 사례는 태양전지 시스템을 위한 태양광 수집기이다. 태양 돛의 거대한 반사 표면은 대량의 태양 에너지와 상호작용하지만 그중 아주 작은 부분만 유용한 운동 에너지로 변환한다.

 

나노필름 돛과 그 4,000,000m²의 표면적은 지구 근처에서 5.44GW의 태양광을 수집한다. 그 에너지의 아주 작은 부분만 전기로 변환되어 이온 추진기에 공급되더라도, 태양계 전역에서 유용한 추력 수준을 얻을 수 있다. 이는 목성이나 토성과 같은 외행성으로 감속할 때 가장 유용하다. 이 상황에서 태양 돛은 여전히 수백 메가와트의 전력을 다루고 있지만 포획 궤도로 감속하는 데 여전히 몇 달이 걸린다. 나노필름 돛이 페이로드의 절반을 200kg 무게의 400kW 태양-전기 추진 시스템(9000초 비추력 추진기 포함)에 희생하고 488kg의 추진제를 가지고 있다면, 어디서든 9뉴턴의 추력을 제공할 수 있을 것이다. 이는 34.5일 내에 20km/s만큼 감속하기에 충분할 것이다. 이는 평균 0.0067m/s²로, 목성 근처에서 광자만으로 얻는 가속력의 8.3배이다. 주요 이점은 이오와 같은 위성의 중력 지원과 결합할 때, 돛이 (20+17.3): 37.3km/s까지만 감속하면 된다는 것이다. 이는 엄청난 시간을 절약한다. 중력 도움으로 343일에서 235일로 단축된 일반적인 여행은 전기 추진기를 사용하면 159일로 더욱 단축된다. 토성 근처에서는 더 큰 이점이 있다. 그 거리에서 돛은 여전히 59.3MW의 전력을 포착하지만 광자만으로는 가속력이 단지 0.00024m/s²로 떨어진다. 전기 추진기는 그보다 28배 많은 가속력을 제공할 것이다. 그리고 이는 돛이 (20+12.6):32.6km/s까지만 감속하면 된다는 것을 의미하며, 이는 748일의 여행을 364일로 단축시킨다.

 

다른 돛에 대해서도 유사한 계산이 가능하다. 페이로드에 엔진과 추진제를 추가하면 돛의 특성 가속력은 낮아지지만 전체 여행 시간을 단축시키는 트레이드오프가 있을 수 있다. 적절한 균형을 찾기만 하면 된다. 이는 매우 높은 비추력을 가진 고출력 밀도(W/kg) 추진 시스템에 유리한 경향이 있다. 그러나 많은 추진 시스템이 쉽게 축소될 수 없다는 사실에 주의해야 한다. 1kg의 페이로드를 가진 현대식 돛은 냉가스 마이크로 추진기를 위한 공간은 만들 수 있지만 전자기 노즐의 공간은 아마도 찾지 못할 것이다. 돛 자체가 매우 약하기 때문에 차폐되지 않은 핵 원자로도 좋은 생각이 아니다.

 

궁극적인 하이브리드 돛은 아마도 돛 재료가 태양 근처에서 광자 추진기로 작용하고, 그런 다음 제동을 위해 두 번째 단계가 사용되며 이때 돛 재료가 추진제로 소비되는 것일 것이다.

그림: VASIMR 추력기, 알루미늄 기체를 추진체로 사용 가능하다.

 

태양 돛 재료를 이온 구름으로 바꿔 자기장으로 노즐을 통해 방출할 수 있는 플라즈마 추진기를 상상해 보자. 이 아이디어를 회절 메타-돛 설계에 적용해 보자. 돛만으로도 우주선 총 질량의 75%를 차지한다. 그 거대한 2,500,000,000m²의 면적은 지구 근처에서 3.4TW의 태양광을 포착할 수 있으며, 목성 근처에서는 125.6GW로, 천왕성 근처에서는 9.23GW로 감소한다. 광자 추력을 생성하기 위해 그 태양광의 90%를 우주 공간으로 방향을 바꾸는 대신, 돛 뒤에 있는 첨단 광전지 수신기에 집중시킬 수 있다. 200MW 추진 시스템(30% 효율)은 666MW 이상의 태양광이 필요하지 않거나, 기능하기 위해 돛 면적의 7%만 필요하다. 따라서 우리는 돛 재료의 93%를 추진제로 소비하면서도 플라즈마 추진기에 전력을 공급할 충분한 면적을 확보할 수 있다. 전체 질량비는 3.3이다. 완전 초전도 설계로 달성 가능한 40kW/kg의 환상적인 전력 밀도를 가정한다면, 전기 추진 시스템은 페이로드 용량(5톤)의 절반을 차지할 것이다. 플라즈마 추진기의 비추력이 12,000초라면, 평균 가속력 0.13m/s²와 총 140.5km/s의 델타V를 얻을 수 있다.

 

다시 말해, 페이로드의 절반을 고비추력 추진 시스템으로 교체한 회절 메타-돛은 목성까지의 112일 여행을 44일 미만으로 단축할 수 있다. 2.1AU까지 태양 돛을 사용하여 가속하면서 최대 속도 210.8km/s에 도달한 후 제동하고, 마지막 12.5일 동안 전기 추진기로 전환할 것이다. 최종 기동은 17.3km/s로 이오 주위를 포획하는 것이다.

 

전기 추진기만 사용해서 가능한 수치일까? 아마도 아닐 것이다. 태양 돛은 무료로 263.8km/s의 델타V를 제공했다 - 지구 중력에서 벗어나는 것까지 계산한다면 더 많다. 전기만 사용하는 임무는 동일한 임무를 완수하기 위해 완전한 (263.8+140.5): 404.3km/s의 델타V를 제공해야 할 것이다. 12000초의 비추력을 가지더라도 31의 질량비가 필요하며, 이는 완전히 비현실적이다.

그림: 핵분열 세일은 매우 얇은 두깨의 우라늄을 사용하며, 반물질이나 원자로의 중성자로 핵분열 반응이 시작된다.

 

태양 돛과 추진 시스템을 결합하는 더 많은 옵션이 있다. 태양열 추진기는 높은 추력과 낮은 지속시간을을 제공하지만 많은 델타V를 제공하지는 않는다. 태양 돛의 뒷면은 방사성 물질로 코팅되어 양면 핵분열 돛으로 전환될 수 있다.

 

사진: 전기 세일이 태양풍을 타는 모습

 

돛은 전기적으로 충전되어 태양풍을 타는 전기 돛으로 변할 수 있다. 이 자원은 태양계 어디서나 사용 가능하며 태양광과 같은 감소율을 갖지 않는다. 태양 돛으로 시작하여 돛 재료를 소비한 다음 전하를 띠는 부분들을 회전시켜 훨씬 더 큰 전기 돛을 만드는 우주선을 상상해 볼 수 있다.

 

태양빛 이상을 타고 이동하기

그림: 사람 크기 화물을 운반 가능한 거대 핀휠 헬리오자이로

 

이전 ToughSF 게시물에서, 우주 인프라가 다양한 추진 시스템과 얼마나 잘 짝을 이루는지 자주 언급했다. 태양 돛에도 동일하게 적용된다.

 

간단한 예로 우주 예인선이 있다. 이들은 태양 돛을 행성의 깊은 중력장에서 벗어나게 하여, 심우주로 몇 주간 나선형으로 이동하는 것을 절약해 준다. 또는, 행성간 궤도에서 들어오는 돛을 '포착'할 수 있는데, 이는 화물 배송을 기다리는 목성이나 토성 주변의 정착지에 특히 유용할 것이다.

그림: 솔라 세일이 낮은 에너지 밀도의 레이저 세일로 작동하지 말라는 법은 없다

 

잘 알려진 또 다른 우주 인프라는 빔 전력이다. 특히 레이저 빔은 태양 돛과 매우 잘 작동한다. 대부분의 돛은 자외선부터 적외선까지 대부분의 태양 파장을 반사하도록 설계되어 있기 때문에 넓은 범위의 레이저 파장을 수신할 수 있다. 레이저는 태양 돛을 지구에서 멀리 밀어내거나, 가스 행성 주위의 포획 궤도로 감속하는 데 도움을 줄 수 있다. 빔 에너지는 복사 압력을 통해 직접적으로 추력을 제공하거나, 전기 추진기에 전력을 공급하는 광전지 셀이 있는 하이브리드 돛(및 유사한 설계)으로 간접적으로 사용될 수 있다. 이미 위에서 제동 델타V를 줄이면 여행 시간을 크게 단축할 수 있다고 언급했다.

그림:저궤도 회전 테더 구조물인 스카이훅

 

회전 테더는 또 다른 고전적인 예이다. 이들은 태양 돛을 더 높은 궤도로 던지거나 내려오는 길에 잡을 수 있다. 만약 태양 돛이 테더 주위를 회전하는 g-힘에서 생존하기에 너무 약하다면, 페이로드를 분리하고 둘은 서로 다른 길을 갈 수 있다: 페이로드는 회전 테더를 따라 짧은 여행을 하고 돛은 다른 궤도에 주차하기 위해 긴 나선형을 수행한다.

 

테더와 돛 사이의 독특한 짝은 자체적으로 감는 테더이다. 이전 게시물에서, 테더가 양방향 모멘텀 교환 장치라고 설명했다. 들어오는 페이로드에서 모멘텀을 흡수하고, 저장한 다음, 더 높은 궤도로 페이로드를 발사하기 위해 모멘텀을 소비한다. 들어오고 나가는 모멘텀 사이의 불균형은 로켓 엔진이나 전기역학적 추진을 사용하여 보상해야 한다. 하지만 이용할 주변 자기장이 없거나 모멘텀 수요를 따라갈 충분한 추진제가 없다면 어떻게 될까? 해결책은 태양 돛일 것이다. 이는 무거운 무게를 높은 고도로 운반한 다음 테더로 떨어뜨릴 수 있다. 테더는 그 모멘텀을 흡수한다. 그런 다음 돛은 테더의 궤도로 나선형으로 내려가 무게를 다시 집어 올리고 다른 낙하를 위해 다시 운반한다. 이 과정은 무한정 반복할 수 있으며, 무료 태양광 외에는 아무것도 소비되지 않는다.

 

태양 돛은 또한 질량 흐름 추진을 가능하게 할 수 있다. 기본적으로, 한 줄에 많은 돛들이 열차처럼 함께 작동하며, 각각 여러 개의 질량을 운반한다. 돛들은 다른 우주선이 앉아 있는 곳에서 멀리 떨어진 긴 루프로 나아간다. 그런 다음 태양광에서 무료 속도를 얻으며 다시 가속한다. 마지막 순간에, 그들은 모두 자신의 질량을 떨어뜨리고 옆으로 방향을 바꾼다. 질량들은 우주선과의 고속 랑데부까지 흐름으로 계속된다. 만약 우주선이 푸셔 플레이트, 자기 노즐 또는 기타 그러한 장치와 같은 일종의 수신기/노즐을 가지고 있다면, 자체 에너지나 추진제를 소비하지 않고도 질량 흐름을 타고 갈 수 있다. 질량 흐름은 효과적으로 태양 돛이 긴 기간 동안 모은 에너지를 짧은 폭발로 집중시킨다.

그림: 솔라 세일 함대로 질량 흐름을 만들어낼 수 있다.

 

질량 흐름 추진은 이전 게시물에서 설명된 바 있다. 본질적으로, 이는 우주선을 페이로드와 노즐만으로 구성된 형태로 축소한다. 노즐은 질량 흐름을 추력으로 변환한다. 우주선에 추진제, 원자로, 방열기 또는 그러한 장비가 없기 때문에 매우 가벼운 무게를 유지한다. 추력은 질량비에 제한받지 않고 외부에서 오며, 가속과 제동 모두에 사용될 수 있다. 이를 통해 태양계 내 빠른 여행을 위해 엄청난 속도까지 강하게 가속할 수 있는 방법을 얻게 된다.

그림: 빠른 질량 흐름은 위와 같은 자기 노즐에서 추력으로 변환 가능하다

 

돛이 선다이버 기동을 사용하면, 400km/s 이상의 속도에 도달하는 돛을 얻게 된다. 그들은 질량 흐름을 방출하거나(또는 희생 마이크로 돛을 사용하여) 그러한 질량 흐름이 되어 질량-흐름-탑승 우주선과 랑데부하며, 이 우주선도 그러한 속도로 가속할 것이다. 이는 지구에서 토성까지 37일 미만으로 여행하기에 충분하다. 제동은 목적지를 공전하는 미리 위치한 질량 흐름에 의해 처리될 것이다. 무엇보다도, 이 모든 질량 흐름을 구동하는 에너지는 태양에서 무료로 수집된다. 출발지와 목적지 모두에 거대한 레일건을 배치할 필요가 없을 것이다.

 

태양 돛의 또 다른 특징은 최대 효과를 위해 활용될 수 있다. 가벼움 비율이 1보다 높은 돛은 정지위성으로 어디든 위치할 수 있다. 이는 회전 테더나 레이저 빔 및 중계 거울이 필요한 곳 어디든 배치될 수 있음을 의미한다. 정지위성은 적절한 장소에서 질량 흐름으로 작용할 수 있는 질량 문자열을 방출하여 고속 우주선이 감속할 수 있게 한다. 태양계의 모든 지점으로 자유롭게 이동할 수 있는 장비나 질량에 대한 창의적인 용도가 무궁무진하다.

 

항해 전망

그렇다면, 태양 돛은 어디서 어떻게 사용될 수 있을까?

태양 돛이 반드시 느리거나 작은 페이로드로 제한되지 않음을 명확히 보여주었다. 이들은 빠르게 목적지에 도달할 수 있으며 사용법이 매우 유연하다. 태양 돛 항해는 미래에 흔해질 것이다.

 

태양 돛은 먼저 암석 행성으로 저비용 탐사선을 보내는 데 가장 많이 사용될 것이다. 그런 다음 제어 전자 장치가 작동하는 한 소행성에서 소행성으로 여행하는 '소행성 호퍼'로 사용될 것이다. 목성과 토성을 공전하는 많은 천체를 조사하는 '달 투어' 임무는 나중에 진행될 것이다. 이러한 종류의 임무는 돛의 무추진제 여행 능력을 활용한다. 그 다음에 일어나는 일은 더 추측적이다.

그림: Lunar Flashlight 미션은 달을 탐사하기 위해 거대한 솔라 세일을 광원으로 사용한다.

 

미래의 핵 추진은 빠를 수 있지만, 우라늄이나 트리튬과 같은 연료가 필요하다. 태양 돛 항해는 돛이 건설되면 거의 무료이다. 무료를 위한 틈새 시장은 항상 존재할 것이다.

돛은 소행성에서 귀중한 금속을 지구로 반환하는 데 사용될 수 있다. 그들은 충분한 시간이 주어진다면 전체 소행성을 리디렉션할 수 있다 - 지구 방어나 다른 작업을 위해.

또한 1년 내내 예측 가능한 일정으로 지구에서 화성으로 물자를 운송할 수 있다. 선다이버 기동과 대기 포획을 통해, 실제로 천왕성이나 해왕성 주위를 궤도하는 첫 번째 임무가 될 수 있다.

그림: 태양 돛을 이용한 채굴

 

태양 돛 기술을 마스터하고 더 좋은 가벼움 비율 설계를 생산하면, 옵션이 크게 확장된다. 무인 임무는 거대한 태양 돛을 사용하여 태양계 어디든 페이로드를 운반할 수 있다. 승객들은 태양 돛에 의해 가속된 질량 흐름을 사용하여 며칠 또는 몇 주 내에 먼 장소에 도달할 것이다. 하이브리드 돛은 그렇게 빨리 목적지에 도달할 필요가 없는 페이로드를 위한 격차를 메우거나, 운송 인프라를 사용할 수 없을 때 사용될 수 있다.

얼음 위성 주변의 식민지를 유지하기 위한 빔 전력 인프라는 정지위성에 의해 위치를 유지하는 거울 중계기에 의존할 수 있다. 우리는 심지어 더 작은 전용 레이저 돛 함대를 움직이기 위한 탑재 레이저를 갖춘 거대한 돛 '모함'을 볼 수도 있다. 한편, 태양의 극 위에 앉아 있는 정지위성들은 태양 활동을 읽고 다가오는 태양 폭풍에 대해 몇 분 내에 다른 모든 사람에게 경고한다.

 

가능성은 무수히 많다. 태양 돛 항해를 무시하지 말라!