달에서 가장 춥고 어두운 분화구 내부에 레이저를 설치하면 달 전용 GPS와 유사한 내비게이션 시스템 구축에 활용할 수 있다는 연구 결과가 나왔다.

우주과학매체 스페이스닷컴은 미국 국립표준기술연구소(NIST) 연구진이 달 남극 인근의 영구 음영 분화구를 초정밀 레이저 시스템 구축에 적합한 자연 환경으로 활용할 수 있다는 연구 결과를 발표했다고 최근 보도했다. 해당 논문은 이번 달 초 미국 국립과학원회보(PNAS)에 발표됐다.

연구진에 따르면 초안정성 레이저(ultrastable laser)는 미래의 우주비행사와 탐사 로봇, 우주선이 지구 기반 추적 시스템 의존도를 낮추고 달 표면을 스스로 탐색하는 데 핵심 역할을 할 수 있다.

현재 미국 항공우주국(NASA)는 유인 달 탐사 아르테미스 프로그램과 달 기지 건설을 추진 중이다. 이에 따라 달에서도 위치 확인과 항법, 시간 정보를 제공하는 독자적인 내비게이션 시스템 필요성이 커지고 있다. 지금까지 과학자들과 우주기관들은 달 궤도 항법 위성과 전파 발신기, 원자시계 등을 활용한 달 GPS 기술을 연구해 왔다.

이번 연구는 여기에 초안정성 레이저라는 새로운 요소를 추가했다. 초안정성 레이저는 거의 완벽하게 일정한 주파수의 빛을 생성하며, 여러 레이저 간 거리 측정을 극도로 정밀하게 수행할 수 있다. 연구진은 이러한 기술이 장기적으로 달 표면 전역의 내비게이션 시스템 구축 기반이 될 수 있다고 설명했다.

특히 달 남극의 영구 음영 분화구는 태양빛이 직접 닿지 않는 특수 환경을 갖추고 있다. 달의 자전축 기울기가 매우 작기 때문에 일부 분화구 내부는 영원히 어둠에 가려져 있으며, 내부 온도는 섭씨 영하 223도까지 떨어져 명왕성보다 더 차갑다. 과학자들은 오래 전부터 이 지역을 얼음 형태의 물이 존재할 가능성이 있는 장소로 주목해 왔다.

연구진은 이러한 극저온 환경이 오히려 정밀 레이저 시스템 운영에 최적이라고 분석했다. 연구팀은 매우 정밀한 간격으로 배치된 거울 사이에서 레이저 빛을 반사시켜 안정화하는 ‘실리콘 광학 공동(optical cavity)’ 장치를 제안했다.

지구에서는 아주 미세한 온도 변화나 진동만으로도 레이저 주파수가 흔들릴 수 있다. 따라서 지구에서 이 시스템을 사용하려면 복잡한 극저온 냉각 장치와 진동 차단 설비가 필요하다. 반면 달의 영구 음영 분화구는 자연적으로 극저온 상태를 유지하고 진동도 적어, 추가 장비 없이 안정적인 환경을 제공할 수 있다는 설명이다.

연구진은 이런 안정성이 우주선 위치 계산과 이동 추적에 필요한 초정밀 레이저 주파수 유지에 핵심 역할을 할 것으로 보고 있다.

이번 연구의 주저자인 준 예는 성명을 통해 “영구 음영 지역의 환경을 이해한 순간 이곳이 초안정성 레이저를 위한 가장 이상적인 장소가 될 수 있다”고 밝혔다.

현재 지구의 GPS 위성은 원자시계 기반 시간 신호를 지속적으로 송출하고, 수신기는 여러 위성 신호의 도달 시간을 계산해 자신의 위치를 파악한다. 하지만 달 탐사선은 여전히 지구 기반 추적 시스템에 크게 의존하고 있어 향후 달 활동이 증가할 경우 한계에 직면할 수 있다는 지적이 나온다. 특히 달 남극은 험준한 지형과 열악한 조명 환경 때문에 우주비행사와 탐사 로봇의 이동이 더욱 어렵다.

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연구진은 영구 음영 분화구 내부에 설치된 초안정성 레이저가 향후 달 위성과 통신 네트워크의 핵심 시간 기준 역할을 수행하며 사실상 달 GPS 인프라의 일부가 될 수 있다고 설명했다.

또 분화구 내부 또는 인근에 설치된 광학 공동 장치는 인접 레이저의 빛을 단일 고정 주파수에 맞춰 안정화할 수 있으며, 이를 통해 달 탐사선용 GPS 비콘 역할까지 수행할 수 있다고 밝혔다. 연구진은 해당 기술이 위성 기반 원자시계와 연결될 경우 “지구 밖에서 설치되는 최초의 광학 원자시계 기반” 구축에도 도움이 될 것으로 기대했다.