태양을 견뎌내는 내구성!, 파커 태양 탐사선[EP.10]

목차 파커 태양 탐사선(PSP:Parker Solar Probe) 개요 파커 태양 탐사선의 개발 역사 중태양에 다가가기 위한 탐사선, 어떻게 만들었을까?

 

 파커 태양 탐사선(PSP: Parker Solar Probe) 개요

 태양을 항해 떠나다

2018년에 발사된 파커 태양 탐사선(PSP)은 태양의 외부 코로나(Corona)를 관측하는 미션을 수행하는 NASA 우주 탐사선입니다. 이 탐사선은 태양 중심에서 9.86 태양 반경 이내로 접근하며, 2025년까지 가장 가까운 때에는 초당 690,000 km/h로 이동하며 빛의 속도의 0.064%에 달하는 놀라운 속도로 움직입니다. 이는 인간이 만든 물체 중에서 가장 빠른 속도입니다. 프로젝트는 2009년에 발표되었으며 예산은 15억 달러입니다. 존스 홉킨스 대학교 응용 물리학 연구소가 이 우주선을 디자인하고 제작했으며, 2018년 8월 12일에 발사되었습니다. 이는 생존하는 개인의 이름을 따서 지은 첫 번째 NASA 우주선으로, 시카고 대학교 명예 교수인 물리학자 Eugene Newman Parker의 이름을 기리기 위해 지어졌습니다.

 

2018년 5월 18일에는 1.1백만 명 이상의 이름이 담긴 메모리 카드가 우주선의 고성능 안테나 아래에 설치되었습니다. 이 카드에는 파커의 사진과 그가 1958년에 태양 물리학의 중요한 측면을 예측한 과학 논문의 사본도 포함되어 있습니다.

 

2018년 10월 29일, 탐사선은 태양에 대해 기록적인 가까운 거리에 도달했습니다. 1976년에 헬리오스 2 탐사선이 세운 4,273만 km(2,655만 마일)로 기록을 경신하며 역사적 순항을 이어갔습니다. 2021년 11월 21일 현재, 파커 태양 탐사선의 가장 가까운 접근 거리는 850만 km(530만 마일)입니다. 나머지 두 번의 금성(Venus) 플라이바이(flyby) 후에 이 거리는 더욱 늘어날 것으로 예상됩니다.

 

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Parker Solar Probe - Wikipedia

 

파커 태양 탐사선의 개발 역사

 의외로 기나긴 역사 

파커 태양 탐사선(PSP)의 개념은 1958년 Fields and Particles 그룹(미국 국립과학원의 우주과학 위원회 제8 위원회)의 보고서에서 시작되었습니다. 이 보고서는 "태양 주변의 입자와 필드를 연구하기 위해 수성 궤도 내부로 진입하는 태양 탐사선"과 같은 여러 우주 미션을 제안했습니다. 1970년대와 1980년대에도 이 미션의 중요성이 재확인되었지만 항상 비용 때문에 연기되었습니다. 이후 1990년대에는 비용을 줄인 태양 궤도자 미션과 더 강력한 태양 탐사선 미션이 NASA에 의해 Outer Planet/Solar Probe(OPSP) 프로그램의 주요 요소로 고려되었습니다. 이 프로그램의 첫 세 가지 미션은 태양 궤도자, 명왕성과 쿠이퍼 벨트 정찰인 "플루토(명왕성) 케이퍼 익스프레스 미션" 및 유로파 아스트로바이오로지(Astrobiology) 미션 중 하나인 "유로파 오비터"였습니다.

 

최초의 태양 탐사선 설계는 목성의 중력 보조를 활용하여 태양으로 거의 직접 향하는 극 좌표 궤도에 진입하는 것이었습니다. 이 접근 방식은 태양의 중요한 극 지역을 탐사하고 표면에 더 가깝게 접근할 수 있었으나, 태양 복사량의 극심한 변동으로 인해 비용이 많이 들뿐만 아니라, 전력을 위해 방사성 동위원소 열 발전기가 필요했습니다. 또한 목성까지의 여행 시간이 꽤 길었습니다(첫 번째 태양 근일점까지 3년 반, 두 번째까지는 8년).

 

새로운 NASA 관리자 션 오'키프가 임명된 후 OPSP 프로그램 전체는 조지 W. 부시 대통령의 2003년 미국 연방 예산 요청의 일환으로 취소되었습니다. 오'키프 관리자는 NASA와 프로젝트의 재구성이 필요하다고 밝혔으며, 이는 부시 행정부의 "연구 및 개발, 그리고 관리 결함 해결에 집중"하라는 의도와 일치했습니다.

 

2010년대 초에는 태양 탐사선 미션 계획이 비용을 줄인 "태양 탐사선 플러스"로 통합되었습니다. 이 재설계된 미션은 더 직접적인 비행 경로를 위해 여러 번의 글라이바이를 활용하며, 태양 전지판으로 구동될 수 있습니다. 또한 근일점이 더 높아져 열 보호 시스템에 대한 요구가 줄었습니다.

 

2017년 5월, 이 우주선은 "태양 풍"이라는 용어를 만든 천체물리학자 Eugene Newman Parker를 기리기 위해 "파커 태양 탐사선"으로 이름이 변경되었습니다. 이 태양 탐사선은 NASA에 15억 달러의 비용이 들었습니다. 발사 로켓에는 프로젝트에 참여한 APL 엔지니어 Andrew A. Dantzler의 추모를 담은 문구가 새겨졌습니다.

 

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태양에 다가가기 위한 탐사선, 어떻게 만들었을까?

 태양의 심부 : 1,500만 도 / 태양의 표면 : 6,000 도

파커 태양 탐사선은 태양의 낮은 코로나(Corona)로 비행하는 첫 번째 우주선입니다. 이는 태양의 코로나 플라즈마와 자기장의 구조와 역학, 태양 코로나를 가열하고 태양풍을 촉진하는 에너지 흐름, 그리고 에너지가 풀어지는 메커니즘을 조사할 것입니다. 코로나(Corona)는 태양이나 다른 천체의 빛나는 플라즈마 대기를 말합니다. 이는 수백만 킬로미터에 이르는 우주 공간에 퍼져 있으며, 개기일식 시에 쉽게 관측할 수 있으며 코로나그래프로도 관측됩니다. 코로나는 또한 태양의 흑점입니다.

 

코로나의 흥미로운 점은 태양의 "표면"보다 약 200배 정도 더 뜨겁다는 사실입니다. 태양 표면의 평균 온도는 약 5,800 K이지만 코로나의 평균 온도는 100만 K에서 300만 K 사이입니다. 그러나 코로나는 밀도가 약 10^-12로 광구에 비해 상당히 낮기 때문에, 광구의 100만 분의 1 정도만 빛을 발합니다. 코로나는 상대적으로 얕은 층에 의해 광구에서 분리됩니다. 코로나의 가열 원리는 아직 논란이지만, 태양의 자기장과 아래에서의 압력 차이에 의해 발생한다는 주장이 가장 유력합니다. 그러나 후자의 설명은 초기 항성에서도 코로나가 존재한다는 사실로 인해 일부 의문을 제기하기도 합니다. 태양 코로나의 바깥 부분은 지속적으로 태양풍에 의해 손실되고 있습니다.

 

이러한 극한의 태양과 그 주변 공간에서의 활동을 위해서 우주선의 시스템은 태양 부근의 극심한 열과 방사선으로부터

'태양 방패'에 의해 보호됩니다. 근일점에서의 일사량은 약 650 kW/m2로, 지구 궤도에서의 강도의 약 475배에 해당합니다. '태양 방패'는 육각형 모양으로 우주선의 태양을 향한 면에 부착되며 지름은 2.3m(7ft 7in), 두께는 11.4cm(4.5in)이며, 강화된 탄소-탄소 복합재료의 두 개의 패널로 구성되어 가벼운 4.5인치 두께의 탄소 폼 코어로 이루어져 있습니다. 이는 우주선 외부 온도 약 1,370°C(2,500°F)를 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 이 열방패의 무게는 단 73킬로그램(160파운드)으로, 우주선의 기기를 29°C(85°F)로 유지합니다.

 

흰색 반사성 알루미나 겉부분은 태양 에너지의 흡수를 최소화합니다. 우주선 시스템과 과학적 기기는 열방패의 그림자 중심 부분에 위치하여 태양에서 직접 발생하는 복사선을 완전히 차단합니다. 만약 방패가 우주선과 태양 사이에 없다면, 우주선은 손상되고 몇 초 내에 작동하지 않게 될 것입니다. 지구와의 무선 통신이 각 방향으로 약 8분이 걸리기 때문에 파커 태양 탐사선은 자체적으로 빠르게 자동 조치를 취하여 자신을 보호해야 합니다. 이는 방패 한계에서 직접 햇빛의 첫 번째 흔적을 감지하는 네 개의 빛 센서를 사용하고, 반응 휠의 움직임을 활용하여 우주선을 다시 그림자 안으로 재배치함으로써 수행됩니다. 프로젝트 과학자 니키 폭스에 따르면, 이 팀은 이것을 "지금까지 비행한 가장 자율적인 우주선"으로 설명합니다.

 

미션의 주요 전력은 태양 전지판(태양광 배열)의 이중 시스템입니다. 미션의 0.25 천문단위를 초과하는 부분에서 사용되는 주 전지판은 근일점에 가까운 접근 시 그림자 방패 뒤로 들어가며, 훨씬 작은 보조 전지판은 최근 근접 지점을 통해 우주선을 구동합니다. 이 보조 전지판은 솔라 패널 및 계측 장치의 작동 온도를 유지하기 위해 펌프 액체 냉각을 사용합니다.