소형 인공위성 큐브샛이 우주에서 활동하는 장면, 출처: wavemagazineonline.com
요즘 떠오르는 미래 기술 중에 재미있는 것을 하나 소개해 드리도록 하겠습니다. 소형 인공위성 큐브샛(CubeSat)입니다. 마이크로샛(MicroSat), 나노샛(NanoSat)이라고도 합니다. 더 작은 것은 피코샛(PicoSat) 혹은 펨토샛(FemtoSat)이라고 합니다.
인공위성 하면 대표적인 ‘메가사이언스’ 중 하나로 많은 예산과 인력이 필요한 분야 중 하나입니다. ‘메가사이언스’란 국제핵용합실험로(ITER) 혹은 강입자가속기(LHC)처럼 많은 연구 인력과 대규모 예산 또는 시설을 필요로 하는 연구개발을 의미합니다. 우리나라도 우주 발사체를 확보하고 위성을 발사하기 위해 매우 큰 예산을 쓰고 있습니다. 발사 및 운용에 많은 비용이 들기 때문에 인공위성은 지도제작, 자원관리, 도시개발, 지질연구, 기상관측, 해양관측, 과학실험, 통신 등 매우 유용하고 다양한 용도가 있습니다.
상용이나 군용에 사용되는 인공위성은 일반적으로 1,000kg이 넘지만 큐브샛은 무게가 50kg 이하에 해당하는 작은 위성을 말합니다. 1998년 로버트 트윅 스탠퍼드대 교수가 처음 제안했을 때는 교육 및 실습용으로 시작했지만 현재는 전자, 전기 및 광학 기술의 발달로 다양한 고성능 모듈의 초소형화가 가능해지면서 상업 시장에서 그 가능성이 매우 높아지고 있는 상황입니다. 미국 위성 산업 협회(Satellite Industry Association)에 따르면 2017년 상용 위성체 개발 시장은 139억달러이고 위성 서비스 분야는 1,277억달러입니다. 이 중 큐브샛의 시장 규모는 2015년 기준 전체 시장의 1%에 해당합니다.
2013년 스페이스웍스(Spaceworks)사의 시장 분석에 따르면 큐브샛 제작 및 이용 시장은 2014년부터 2020년까지는 매년 약 24%의 평균 성장률을 보이며 이전과는 달리 50% 이상의 큐브샛이 정부 주도가 아닌 민간 기업 주도로 개발될 것으로 예상됩니다. 이는 기술의 발전으로 중대형 위성이 수행하던 임무를 큐브샛이 수행할 수 있게 되면서 새로운 시장이 생겨나고 있음을 의미합니다. 그러한 임무에는 지구 관측, 원격 감지, 소행성 탐사 및 우주비행체 궤적 조사와 같은 것이 포함될 것으로 예측되지만 위성이 작다고 해서 무시하지는 않습니다.
개인으로는 세계 최초로 큐브샛을 제작 중인 송호준 씨, 출처: 다큐멘터리 영화 ‘망원동 인공위성’.
그럼 큐브샛을 만드는데 어느 정도의 비용이 들까요? 다음 기사가 생각날 수도 있어요. 과학전문지 ‘뉴 사이언티스트’의 ‘New Why I’ve built myown satellite?’라는 기사에 따르면 한국인 손호준 씨는 개인으로는 세계 최초로 큐브샛을 발사했습니다. 인공위성 개발에 40만원을 쓰고 발사에 1억2천만원을 썼다는 것입니다. 2010년에 개발된 다목적 실용위성인 아리랑 5호에 2,480억의 개발비가 들었고 300억의 발사비가 든 것을 감안하면 상당히 적은 예산을 들여 개발한 인공위성인 셈입니다. 송호준 씨가 발사한 큐브샛 개발비를 보면 위성체를 개발하는 개발비보다 발사비가 상대적으로 많이 듭니다. 그의 큐브샛은 아두이노 마이크로 컨트롤러와 리튬이온 배터리, J모드 UHF/VHF 수신기로 구성되어 있어 매우 저렴한 가격에 제작이 가능했습니다.
미 항공우주국이 스마트폰을 탑재체로 한 ‘미니 위성’ 폰샛
미국 항공우주국(NASA)도 삼성전자에서 제조한 휴대전화를 이용해 스마트폰을 탑재체로 하는 ‘미니 위성’ 폰샛(Phone Sat)을 만든 적이 있을 정도입니다. 한편 발사에는 많은 비용이 들었는데, 그것은 아무리 작은 위성이라도 발사체에 탑재하기 위해서는 무게에 따라 적지 않은 비용이 들기 때문입니다.
큐브샛을 개발하고 발사하기 위해서는 어떤 것에 신경을 써야 할까요? 가장 먼저 신경 써야 할 일은 물론 어떤 임무를 수행할지를 결정하는 것입니다. 이를 통해 필요한 위성의 기능과 궤도나 고도 등이 결정되기 때문입니다. 임무 수행에 필요한 궤도와 고도를 빨리 결정해야 하는 이유는 큐브샛은 궤도와 고도를 마음대로 정하기가 매우 어렵기 때문입니다. 모든 큐브샛은 비용 절감을 위해 이미 발사된 상용 위성 런처에 합승해 함께 발사합니다. 내가 원하는 궤도와 고도를 가진 주발사 위성이 있는 경우에만 발사가 가능하므로 발사체를 이용할 수 있는 회사와 협의하여 미리 준비하는 것이 필요합니다. 또한 위성과의 통신을 위해 국제전기통신연합으로부터 통신용 주파수를 부여받는 과정이 필요합니다. 그리고 대한민국 법률에 따르면 우주 물체를 등록하는 것이 필요하고 발사일 2년 전에 미리 발사일을 통지해야 하기 때문에 법령 관계에 있는 것도 주의 깊게 봐야 합니다.
인도의 18세 학생 리파스 샤록의 칼럼 세트
비록 이러한 어려움이 있지만 저비용 인공위성 플랫폼을 안정적으로 확보할 수 있다면 인공위성 서비스를 보다 보편적으로 사용할 수 있게 하고 나아가 사람들의 생활이 편리해지도록 하는데 큰 도움이 될 것입니다. 특히 최근 인도의 18세 학생 RifathSharrok이 3D 프린터를 이용해 64그램의 펨토샛인 칼람샛(KalamSat)을 만들어 미국 항공우주국 콘테스트에서 1등을 했다는 기사를 보았습니다. 세계에서 가장 작은 인공위성이래요. 4차 산업혁명의 핵심 중 하나인 3D 프린터와 큐브샛, 그리고 한국의 반도체 설계 기술을 합치면 매우 재미있는 그림이 나올 것 같습니다.