국제우주정거장 원자시계와 국내 이터븀 광시계 간 시간비교 프로젝트가 추진된다. 10경분의 1초 오차를 비교하게 될 것으로 예상됐다.

한국표준과학연구원(KRISS)과 한국천문연구원(KASI)은 오는 2030년께 시간 단위 ‘초(Second)’의 재정의에 기여할 목적으로 7일 ‘SLR 활용 초정밀 광시계 비교 융합연구 협력’을 위한 업무협약을 체결헀다.

이원규 KRISS 양자기술연구소 원자양자센싱그룹 책임연구원은 "이 협약을 계기로 국제우주정거장(ISS) 원자시계와 한국 이터븀 광시계를 정밀하게 비교하는 국제 공동 프로젝트에 본격 착수한다"고 말했다.

이 책임연구원은 "우리가 10의 -18제곱분의1초 오차(100경분의 1초)를 갖고 있지만, ISS 원자시계는 10의 -17제곱분의 1초 오차(10경분의 1초)여서 이 기준에 맞춰 우주와 지상 간 시간비교가 가능할 것"으로 내다봤다.

광시계는 현재 시간 단위인 ‘초’를 정의하는 세슘 원자시계보다 100배 이상 정밀하다. 정확성 때문에 차세대 시간 표준으로 주목받으며, 전 세계 광시계 성능을 비교·검증하는 작업이 ‘초’의 재정의를 위한 핵심 과제로 떠올랐다.

그러나 GPS 등 위성 기반 방식은 정밀도가 떨어지고, 광섬유망 방식은 대륙 간 연결이 어렵다는 물리적 한계로 그동안 전 세계 광시계 간 정밀 비교 연구에는 어려움이 있었다.

이를 해결하기 위해 유럽우주국(ESA)이 1997년 국제우주정거장(ISS)에 초정밀 원자시계 앙상블을 설치하는 '우주원자시계앙상블(ACES)'이라는 프로젝트를 시작했다. 설치 완료는 28년 만인 2025년 4월이다.

ACES는 ISS에 탑재된 원자시계 시스템을 활용해 아인슈타인 상대성 이론을 검증하고 기초 물리 법칙을 정밀하게 시험하는 국제 우주 프로젝트다. 특히 기존 위성 방식보다 10배 정밀한 10의 -17제곱분의1초 오차를 갖고 있다. 

이로 인해 기술적·지리적 제약을 넘어 전 세계 광시계 성능을 검증할 최적 대안으로 꼽힌다는 것.

이 앙상블과 시간 비교를 추진 중인 KRISS의 이터븀 광시계(KRISS-Yb1)는 지난 2021년 완성, 세계생성시에 참여했다. 20억 년에 1초 미만의 오차를 가지는, 세상에서 가장 정확한 시계다. 현재 KRISS를 비롯해 미국, 일본, 프랑스, 이탈리아만 보유한 차세대 표준시계다.

KRISS는 ACES 미션 중 레이저 기반 시각 비교 방식인 ELT(유러피언 레이저 타이밍) 프로젝트에 참여한다. ELT는 유인우주선 ISS로 레이저를 발사해 시간을 측정한다. 이때문에 우주인 안전을 위해 ESA 승인 절차를 거쳐야 한다.

한국은 현재 독일에 이어 세계 두 번째로 ESA 승인을 획득하고, ACES-ELT 프로젝트에 합류했다. 한국과 독일은 ISS 관측 시간대가 엇갈리는 지리적 이점이 있다.

양 기관은 국제 공동 프로젝트 ‘ACES-ELT’에 참여하기 위해 지난해 KRISS ‘이터븀 광시계(KRISS-Yb1)’와 KASI ‘세종 인공위성 레이저추적 시스템(SLR)’을 전용 광섬유망으로 연결했다.

이원규 책임연구원은 "KRISS 정밀 시각 신호를 세종 SLR로 전달하고, 레이저에 실은 신호를 우주로 쏘아 올려 ISS 원자시계와 직접 비교하는 것이 가능해졌다"고 설명했다.

이번 양 기관 협약의 주요 내용은 ▲SLR·원자시계 등 양 기관 주요 연구장비의 공동 활용 ▲ACES-ELT 미션을 포함한 SLR 기반 광시계 비교 측정 공동연구 ▲연구 인력 교류 및 전문인력 양성 등이다.

이호성 KRISS 원장은 “그동안 기술적 한계로 어려웠던 광시계 성능 검증을 국제 공동 연구를 통해 수행할 수 있게 됐다”며, “2030년 예정된 ‘초’의 재정의에 주도적으로 기여할 기반을 마련할 것"이라고 밝혔다.

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박장현 KASI 원장은 “국가 전략 인프라인 세종 SLR을 중심으로 두 출연연이 보유 기술을 활용, 융합 연구에 나선 것은 매우 뜻깊은 일”이라며, “국제 우주 미션에서 한국 과학기술의 위상을 높여 나가는 계기가 될 것"이라고 덧붙였다.

한편, KRISS는 ‘ACES-ELT’ 프로젝트 참여와 더불어 차세대 이터븀 광시계인 ‘KRISS-Yb2’를 올해 내 선보일 계획이다. 또 예산 등 일부 어려움은 있지만, 산업계 등을 위한 이동형 광시계도 몇 년내 선보일 계획으로 연구를 진행중이다.