[229호 과학학술 : 우주기상탑재체(KESM)] 우주기상 예보 시대가 열린다

우주기상탑재체(Korea Space Environment Monitor)는 위성이 관측한 자료를 바탕으로 태양 활동을 연구하며, 지구와 근접 지역의 물리량을 예측한다. 유럽 우주국(European Space Agency)은 이번 공동연구를 위해 약 30억 원 규모의 우주용 첨단 자기장측정 장치를 본교에 기증했으며, 기증한 자기장측정 장치를 제외한 입자 검출기와 대전감지기는 본교 우주과학·우주탐사학과 선종호 교수 연구팀이 국내기업과 협력을 통해 개발에 성공했다. 이에 본보에서는 우주기상탑재체의 구성요소와 임무 및 중요성을 알아보고자 한다.

▲ (그림 1) 우주기상탑재체 구성 및 기능

우주기상탑재체의 개발배경

우주 공간에서 발생하는 총체적인 물리량의 변화를 우주기상1)이라정의한다. 우주기상의 주 에너지원은 태양으로 태양 활동의 대표적인예로는 코로나 질량 분출(CoronalMass Ejection)과 태양풍 등이 있다. 태양에서 방출되는 입자들로 구성된 태양풍은 자기장과 고에너지의대전 입자를 동반하게 되는데, 이러한 높은 에너지의 대전 입자들은 지구에 도달하여 오랫동안 지속하는지자기 폭풍(Geomagnetic Storm)과 지구 저궤도에서 관측되는 극광(Aurora Borealis)을 일으킨다. 이대전 입자들은 공전주기가 24시간인정지궤도를 포함한 지구 근방의 인공위성에도 지대한 영향을 끼칠 수있는 것2)으로 잘 알려져 있다. 우주기상과 밀접하게 관련된 다른 현상으로는 반알렌 방사대(Van Allen Radiation Belt)의 입자가속, 이온층의 전파신호 깜박임(Scintillation), 지표면의 유도 전류 증가 등이 있으며, 기술이발전함에 따라 우주의 자연 현상이 인간의 활동 영역과 관련이 깊어지게 된 1990년대 이후 자연적으로 발생한 개념이라 할 수 있다.

인공위성이 운영되는 저궤도 및 정지 궤도는 우주기상의 집중적인 관심 대상 지역이다. 이지역은 인공위성의 운영 즉, 위성의 운영 실패 혹은 임무 종료와 같은 민감한 운용상의 사건들과 우주기상의 악화가 밀접한 관련을 보이면서 그 관련성이 자연스럽게 유추되었다. 실제로2003년 10월 발생한 지자기 폭풍과 관련된 위성의 이상동작 건수는 46건으로, 당해 관측된 전체70건 중의 상당 부분을 차지하고 있는 것으로 보고되었다.

우주기상에 의한 인공위성의 영향으로 가장 널리 알려진 현상은 단일 사건 효과(SingleEvent Effect)와 대전 현상(Spacecraft Charging)이 있다. 단일 사건 효과는 우주에 존재하는 고에너지 입자(양성자, 중성자, alpha 입자, 중이온)들이 전자 회로의 민감한 부분에 부딪혀생기는 현상으로, 대전된 입자가 반도체 등의 민감한 영역에 축적되어 발생하는 소자의 이상현상을 통틀어 지칭한다. 단일 사건 효과의 가장 주된 원인은 10MeV(Mega election Volt) 이상의 에너지를 가진 양성자이다. 이 양성자들은 위성체의 외벽을 쉽게 통과하여 전자 회로에영향을 미칠 수 있다. 한편 지구 자기장의 중심이 지구의 지질학적 중심에 있는 것은 아니기 때문에 지구 자기권의 분포는 일부 지역에서 매우 낮음을 알 수 있다. 이런 현상에 의해서 저궤도의 남대서양 이상(South Atlantic Anomaly)이 발생하고 다른 지역에 비교해 동일 고도에서최고 1000배 정도 많은 양성자(proton)가 분포하게 된다. 이로 인해서 통계적으로 많은 단일사건 효과가 발생하게 된다.

인공위성의 대전 현상은 주로 에너지가 높고 밀도가 낮은 플라스마가 빈번히 관측되는 정지궤도(Geostationary orbit)나 극궤도(Polar orbit)와 같은 곳에서 관측됐다. 특히 정지궤도에서는 지자기 폭풍·서브스톰과 연관되어 수십 keV(kilo electron Volt)이상의 온도(에너지)를 가지는 입자들이 빈번히 발견되는데, 이들 입자들이 인공위성의 대전과 방전에 크게 영향을미치는 것으로 알려져 있다.3) 따라서 위와 같은 현상들을 연구하고 주요한 자산인 인공위성의운영과 관련된 정보를 예측하며, 우주기상 예보를 위한 연구가 필요하게 되었다. 이러한 우주기상 예보의 필요성에 따라 경희대학교 우주과학탑재체 연구실에서는 2014년 2월부터 정지궤도복합위성 2A에 탑재되는 우리나라의 독자적인 우주기상탑재체의 연구를 시작하였고 올해개발을 완료하였다. 앞으로 예보에 필요한 과학적인 자료를 획득하기 위해 우주기상탑재체를통해 전자, 이온, 자기장을 동시에 측정하게 될 예정이다.

우주기상탑재체의구성요소 및 기능

우주기상탑재체는 크게 3종류의센서와 1개의 전장품으로 구성되어있다. 3종류의 센서 중 PD(ParticleDetector)는 우주기상의 주 관심사인 고에너지의 전자와 양성자를 측정하는 장치이다.또한 MG(Magnetometer)는 지구의 자기장을 측정하는 장치이며,CM(Charging Monitor)은 대전 입자에 의해 생성된 전류를 측정하여위성의 안정적인 동작을 감시하는장치이다.

⑴ Particle Detector (PD)

PD는 고에너지의 입자가 실리콘검출기(Silicon detector)를 통과할때 전달되는 에너지의 양을 입사하는 에너지의 함수로 표시하는 원리를 이용하여 대전 입자의 에너지를 측정한다. 무거운 대전입자(Heavy Ion)의 경우 단위 길이당 검출기에 전달하는 에너지의 양은 잘 알려진‘Bethe-Bloch의 관계식(1932)’으로 표시된다. 여기서 상수 B는 다음과 같이 표시되는 양인데, 주목할만한 점은 에너지 손실이 입사하는 입자의 에너지에 반비례하고, 전하량 Z에 비례한다는 점이다.

대전 입자가 물질을 통과할 때, 주어진 에너지의 입자가 검출기에서 통과할 수 있는 총 거리를‘Range’라고 하는데 우주기상에서 주 관심사인 양성자와 전자의 Range를 실리콘에서 에너지의 함수로 표시하면 다음과 같다.

▲ Bethe-Bloch의 관계식(1932)

MeV단위의 전자 혹은 10MeV 단위의 양성자를 측정하기 위해서는 특정 두께의 실리콘 검출기가 필요하다. 그러나 반도체 공정상의 특징으로 특정 두께의 실리콘 소자를 검출기의 목적으로 제작하는 것은 여러 어려움이 존재한다. 따라서 실제 사용되는 PD의 경우는 여러 장의 얇은 (각 670μm) 실리콘 검출기를 사용하여 대전 입자의 에너지를 측정하도록 구성되어 있다.(그림 2)와 같이 실리콘 검출기는 O-U(3장)-T(3장)-F로 4층 구조를 이루며 각 실리콘 검출기는 670μm의 두께를 갖는다. PD는 양방향을 바라보며 각 방향으로 쌍을 이루고 있다. 각각의 쌍들은 4층을 이룬 실리콘 검출기를 보유하며 F(foil) Stack을 통하여 한쪽 방향으로 입사하는300keV 미만의 이온을 차단한다. 이때 이 방향으로 들어오는 전자의 유속(Flux)은 거의 변화가 없다. 반대쪽 O(open) Stack을 통하여 들어오는 전자는 전자석을 통한 자기장에 의해300keV 미만의 에너지를 가지는 경우 차단이 된다. 이때 O 방향의 이온 유속은 거의 변화가 없다. 입자의 유속이 매우 높은 경우 감쇠기(Attenuator)를 통하여 유속이 높은 지역 혹은 기간동안 유속을 낮춤으로써 반응영역(Dynamic Range)을 확장할 수 있다. 감쇠기를 통해 저에너지 이온의 유속을 낮춤으로써 방사능 효과(Radiation Damage)를 낮추고 이를 통해 센서의수명 연장이 가능하게 된다. 또한 PD는 콜리메이터(Collimator)를 통해 시야각을 조절하고 전치증폭기(Preamplifier)와 성형증폭기(Shaping amplifier)를 통하여 검출된 입자의 신호를감지한다.

PD는 동시발생논리구조(Coincidence Logic)로 연결되어 있으며 입사하는 전자와 양성자의 반응이 각각 F, FT, FTU, FTUO, O, OU, OUT, OUTF의 논리조합과 F, O, U, T Sensor에서 측정한 에너지의 양을 통하여 분명하게 분리되어 자료 분석에 이용된다.

▲ (그림 2) PD Detector Stack 4층 구조(Presentation KSEM PDR)

 

⑵ Magnetometer (MG)

지구의 자기장을 측정하는 자력계인 MG는 유럽 우주국에서 국제공동연구를 위해 기증형태로 제공된 탑재체로, 정식 명칭은 Service Oriented Space Magnetometer(이하 SOSMAG)이다. SOSMAG는 여러 미션에 포괄적으로 적용되기 위해 개발되었기 때문에 저궤도, 중궤도,정지궤도 및 태양계 등의 서로 다른 임무를 수행 가능하다. SOSMAG은 ROSETTA, VenusExpress, BepiColombo, Cluster, Ulysses 등 여러 탐사선 미션을 통해 검증된 탑재체이다.

SOSMAG은 Fluxgate 자력계와 2개의 AMR 자력계, 1개의 전개형 Boom 그리고 1개의DPU(전장박스)로 구성되어 있다. 위의 자력계들은 Ring Core를 보유하고 있어 3축 방향으로직교하는 벡터 자기장을 동시에 측정할 수 있고 저잡음과 높은 온도에서의 안정성을 보장한다.또한 자력계를 통해 우주공간에서의 미세한 지구 자기장 변화와 인공위성에 의해 생성된 인공적인 자지장의 변화를 분리하여 구분하는 핵심기능을 가진다. SOSMAG의 boom은 Frangibolt(breaking point)가 미리 설정되어 있는 heated screw에 의해 (그림 3)과 같이 전개된다.

▲ (그림 3) SOSMAG BOOM 전개사진. Boom Deployment step (ESA Presentation KSEM PDR)

⑶ Charging Monitor (CM)

CM은 대전 입자에 의해 누적된 전하의 방전에 의해 생성되는 전류를 감시하기 위한 목적의센서이다. 최근의 우주 과학 임무인 Van Allen Radiation Probe(Space Science Review:DOI 10.1007/s11241-012-9917-x)에서 운영된 ERM과 Galileo Giove-A에서 운영된 SURF에도 유사한 개념의 CM이 운영된 적이 있다. CM은 1mm 두께의 알루미늄 커버 플레이트(Aluminum Cover Plate)를 사용하여 0.7MeV 이상의 에너지를 가진 전자의 전류를 측정할수 있다. 이때 측정된 전류는 pA DC current source에 의해 산출된 전류-전압 변화 관계식에적용되어 위성체 내부에 발생할 수 있는 대전 현상을 감시하는데 이용된다. 알루미늄 아래에는지름 3.8cm(A=10㎠), 두께 0.25cm인 동일한 동판(Copper Plate)을 장착한다. 알루미늄으로이루어진 커버 플레이트는 동판의 옆으로도 내려와 불필요한 배경영향(Background Effect)을 차단할 수 있도록 설계되어 있다. 동판은 유전 물질로 이루어진 Disc로 분리되어 구조체와전기적으로 차단될 수 있도록 설계되어 있다. 디렉터 플레이트(Charge Plate)에서 발생한 전류는 전치 증폭기(Preamplifier)를 통해 전압으로 증폭되고 시간에 대해 평균처리 된 다음 최대 30pA(~3pA/㎠)의 관측대역에서 자료를 생성하게 된다.

우주기상탑재체의 우주기상관측 임무

정지궤도에서 동작하는 우주기상탑재체에서는 다양한 종류의 입자가 넓은 대역의 에너지에걸쳐 관측되는 특징을 가진다. 또한 전자기장의 변화도 활발하여 저주파수에서 고주파수에 이르는 광대역의 전자기파가 관측되는 것으로 잘 알려져 있다. 이러한 우주기상의 특징을 관측하기 위해 전통적으로 미국이 운영하는 미국의 정지 기상위성(Geostationary OperationalEnvironmental Satellite)과 같은 정지궤도의 우주기상관측탑재체에서 측정한 전자, 이온, 자기장을 우주기상 예보로써 활용했다. 2018년 하반기 발사될 기상관측 전용 위성‘천리안 2A호(정지궤도복합위성 2A)’에 탑재될 우주기상탑재체는 극동아시아 지역 정지궤도에서 전자, 이온, 자기장을 동시에 측정할 것이고 우주기상 예보를 위한 핵심 자료로써 활용될 것이다. 이런우주기상 예보를 통해 2003년 10월 관측된 역사상 가장 큰 우주폭풍 중의 하나인 HalloweenStorm과 같은 우주기상현상을 관측하는 과학적 의의도 남길 수 있을 것으로 기대된다.

우주기상예보의 중요성

2015년에 발표된 영국 로이드 보험회사와 케임브리지 대학의 전 세계 주요 도시 재난 위험성연구결과에 따르면 태양활동에 따른 재난 위험이 지진·단전보다 비중이 높으며, 전 세계 주요도시 중 서울이 7번째로 위험한 것으로 평가하였다. 도쿄가 1위이고, 뉴욕, 모스크바, LA, 파리, 런던 바로 다음이 서울이며 예상 피해액은 약 1조 8백억 원 정도로 추산된다. 우주전파재난이란 태양활동에 의한 우주전파로 인해 전력·통신 등에 발생하는 각종 문제를 말하며, 사회가고도화됨에 따라 중요시되어야 할 신규 재난 영역이다. 이런 우주전파재난 발생 시 위성·항공·항법·전력·방송·통신 등 다양한 분야에 영향을 미치게 된다. 특히 위성의 경우 태양열 전지판이 훼손될 수 있고 위성방송 및 통신이 영향을 받을 수 있으며 위성이 궤도를 이탈하거나자세제어 오류가 발생할 수 있다. 2003년 10월에 발생한 전 세계적인 우주전파재난으로 우리나라는 항공우주연구원에서 운영하는 위성에 운영상의 문제가 발생하였고, 군의 단파통신이 두절되는 상황이 발생하였다. 다른 재난 피해로는 여객기를 이용하여 북극 항로를 지나는 승객및 승무원이 X-ray 100장, CT 촬영의 3배 이상의 방사능에 노출될 수 있다. 또한, GPS 시스템이 영향을 받을 경우 항공기의 이착륙 및 운항에 문제를 초래할 수도 있다. 가장 큰 문제는 전력시설에 대한 것이다. 만일 수도권 인근 변압기가 파손된다면 일상생활에 큰 영향을 미칠 것이다. 이번 우주기상탑재체의 우주환경 관측데이터를 통해 정확한 우주전파재난을 예측하여 핸드폰 문자메시지, 이메일, SNS 등을 이용한 경보서비스를 제공함으로써 우주전파재난에 의한시간과 금전적 손실을 예방할 수 있을 것으로 기대된다.

선 종 호 / 경희대학교 국제대학원 우주탐사학과 교수

 

작성자: khugnews

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