프로시마 센타우리 군집: 성간 거리에서 피코우주선 군집

Proxima Centauri로의 군집 비행: 초소형 우주선의 일관된 군집 비행

개요

• 기사 제목: Swarming Proxima Centauri: Coherent Picospacecraft Swarms Over Interstellar Distances
• 저자: Keith Cowing
• 출처: NASA NIAC
• 날짜: 2024년 5월 18일
• 주제: 'Oumuamua, Interstellar, laser propulsion, NASA, NIAC, Picospacecraft, Proxima Centauri, Proxima Centauri b, smallsats, Thomas Eubanks

주요 내용

초소형 우주선의 가능성

• 초소형 우주선: 그램 단위의 초소형 우주선이 레이저 빛에 의해 추진되어 다른 별에 도달할 수 있는 유일한 기술로 예상됨.
• 레이저 추진: 중반 세기까지 약 100-GW의 강력한 레이저 빔이 몇 그램의 우주선을 상대론적 속도로 가속할 수 있을 것으로 가정함.
• 레이저 돛: 발사를 견딜 수 있는 견고한 레이저 돛과 지구에서 광 신호를 포착할 수 있는 대형 광 수신기(~1 평방 킬로미터)가 필요함.

대표적인 임무

• 임무 목표: 세기 중반에 수천 개의 초소형 우주선 군집을 이용해 Proxima b를 비행하는 임무를 제안함.
• 제약 조건: 발사 질량(그램), 온보드 전력(밀리와트), 통신 구경(센티미터에서 미터) 등의 극단적인 제약이 있음.
• 군집의 필요성: 많은 우주선이 협력하여 강력한 광 신호를 생성해야 함.

자율성 및 네트워크

• 자율성: 8년의 왕복 시간 지연으로 인해 지구에서의 실질적인 제어가 불가능하므로 군집은 높은 자율성을 가져야 함.
• 네트워크: 저전력 광 링크를 통해 메쉬 네트워크를 구축하고, 정확한 위치-내비게이션-타이밍(PNT)을 지원하기 위해 지구 및 서로 간의 시계를 동기화해야 함.

발사 및 비행

• 발사 방식: 약 0.2c의 속도로 하나씩 발사된 긴 우주선 줄로 시작함.
• 시간 동기화: 발사 후 드라이브 레이저를 신호 및 시계 동기화에 사용하여 지속적인 시간 신호를 제공함.
• 속도 조절: 초기 가속이 조절되어 줄의 끝이 머리와 만나도록 함.
• 군집 형성: 수백에서 수천 AU 길이의 초기 줄이 시간이 지남에 따라 렌즈 모양의 메쉬 네트워크로 동적으로 결합됨.

통신 및 데이터 전송

• 위치 동기화: 군집의 구성원이 서로 상대적인 위치를 알고 있으며, 최신 마이크로미니어처 시계를 사용하여 동기화를 유지함.
• 데이터 전송: 모든 우주선이 동일한 데이터를 전송하지만 상대적인 위치에 따라 발신 시간을 조정하여 지구의 수신 배열에 동시에 도착하도록 함.
• 전력 증폭: 군집의 각 우주선이 단일 짧지만 매우 밝은 레이저 펄스를 생성하여 데이터 전송 능력을 극대화함.

군집의 장점

• 위험 완화: 군집은 경로에서 상당한 손실을 견딜 수 있어 "모든 달걀을 한 바구니에 담는" 위험을 완화함.
• 다중 관찰: Proxima b를 여러 관점에서 가까이서 관찰할 수 있음.

실험 및 미래 임무

• 현재 실험: 군집 기술을 시뮬레이션 환경에서 탐구하고 테스트할 수 있음.
• 미래 임무: 지구 또는 달 궤도에서 시작하여 외부 태양계로 확장될 수 있는 여러 임무를 예상함.
• 예시 임무: 빠르게 후퇴하는 성간 물체 1I/’Oumuamua 또는 태양 중력 렌즈를 탐사할 수 있음.

GN⁺의 의견

• 기술적 도전: 초소형 우주선 군집의 자율성과 네트워크 동기화는 매우 높은 기술적 도전임.
• 미래의 가능성: 이 기술이 성공하면 우주 탐사의 새로운 장을 열 수 있으며, 기존 기술을 보완할 수 있음.
• 위험 요소: 군집의 상당한 손실을 견딜 수 있지만, 여전히 많은 기술적 위험이 존재함.
• 비용 문제: 이러한 임무를 실행하는 데 드는 비용과 자원이 상당할 것으로 예상됨.
• 유사 프로젝트: Breakthrough Starshot 프로젝트와 같은 유사한 목표를 가진 다른 프로젝트들도 있음.

[GN⁺]

Hacker News 의견들

• 달 착륙 11년 뒤에 태어났고, 이론상 120세까지 산다면 Proxima 무리 탐사선의 근접비행 데이터를 볼 수도 있음
  2076년 발사, 0.2c로 20년 비행, 정보가 돌아오는 데 4년을 가정한 계산임
  이 계획이 실제 배치될 가능성도, 내가 그때까지 살 가능성도 매우 낮지만, 인류가 거의 한 생애 안에 달에서 가장 가까운 별까지 갈 수 있다는 생각은 여전히 고무적임
  Proxima에도 달처럼 “아무것도” 없겠지만 핵심은 그게 아님
  가치 있는 것은 지구와 함께 사는 사람들에게 있지만, 우리에게는 공동의 야망과 꿈이 필요함
  꿈꿀 가치가 있으려면 꼭 말이 되어야 하는 건 아니고, 오히려 분기 보고서와 성과 평가의 “합리성”이 꿈의 적임

  • “Proxima에는 아무것도 없다”는 건 꼭 자명하지 않음
    가스 거대행성의 위성들도 한때 비활성이고 지루하다고 여겨졌지만, 직접 가 보니 다양하고 흥미로운 특징으로 가득했음
  • 우주여행의 초창기에 있다는 어려움은, 시간이 갈수록 우리가 더 잘하고 더 빨라질 거라는 점임
    이름이 기억나지 않는 어떤 “법칙”이나 “역설”이 있는데, 2076년에 0.2c로 발사해도 나중에 더 빠른 것을 보내 원래 탐사선을 추월할 수 있다는 내용임
  • “아무것도 없다”는 말에서 막혔음
    직접 보기 전까지는 알 수 없음
  • 2124년에는 누군가 이 글과 다른 글들을 바탕으로 당신의 의식을 합성해 “당신”에게 결과를 알려줄지도 모름

• 무리 전체가 지구와 통신하기 위해 동시에 매우 밝은 레이저 펄스를 만든다는 설명은 실현 가능해 보이지 않음
  이해한 바로는 위치 유지 방법이 없고, 성간 매질이 비교적 비어 있어도 광년 단위로는 드리프트가 생길 것임
  독립적인 우주선들이 신호를 지구에서 수신 가능할 만큼 정밀하게 동기화해 겹친다는 건 그럴듯하지 않고, 감쇠도 엄청날 텐데 숫자를 보고 싶음

  • 정확한 위치를 유지할 필요는 없고, 펄스를 동기화하기 위해 지구까지의 상대 거리 오프셋만 알면 됨
    어느 정도 위치 유지도 가능함
    자세를 조정해 항력 벡터의 크기와 방향을 조정한다는 아이디어임
    https://arxiv.org/abs/2309.07061
    현재 기술로는 분명 불가능하지만, 완전히 마법 같은 물질 수준은 아닌 것 같음
  • 동의함
    각 탐사선의 신호를 결맞게 더하는 계획처럼 들리는데, 그러려면 레이저 펄스끼리도 결맞음이 필요함
    가시광 파장은 수백 나노미터라서, 제시된 훨씬 큰 탐사선 간격에 비해 공간적으로 그 정도 정밀도가 필요함
    시간적 결맞음까지 고려하면 탐사선들이 서로의 레이저에 능동적으로 잠그지 않고는 아마 불가능할 텐데, 그러면 각 탐사선에 최소한 가까운 이웃에게 광신호를 보내고 감지할 광학계가 필요함
    무게 제한 안에서 불가능하다고 단정하긴 어렵지만 꽤 거칠어 보임
  • 상대론적 보정 지옥이라고 할 수 있지 않나
    “광년 단위”라는 건 서로 이동을 조율하는 데 문자 그대로 몇 년이 걸린다는 뜻이고, 발사 후 지구에서 보내는 조율 메시지는 말할 것도 없음
  • 위치 유지는 분명 가능함
    각 우주선이 통신 레이저를 추력원으로 쓸 수 있음

• 비슷한 맥락에서, 살아 있는 동안 태양 중력 렌즈로 외계 행성을 촬영하는 걸 간절히 보고 싶음
  아직 시간이 꽤 남았지만 이런 대형 천문학 프로젝트가 너무 조금씩만 움직이는 게 답답함

  • 대신 Terrascope [1] 개념은 어떨까? 지구 대기를 굴절 렌즈로 쓰는 방식임
    태양 중력 렌즈처럼 540AU 떨어진 곳이 아니라 L2에 망원경만 두면 됨
    후자만큼 강력하지는 않지만, 거리 규모만 봐도 훨씬 실행 가능하고 본질적으로 “지구 관측용” James Webb이 될 것임
    [1] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019ESS.....433310K/abstra...
  • 시간이 많다니, 자기복제 공정으로 건설·발사한 수십억 개의 태양 중력 렌즈 관측소를 이용해 수백 광년 떨어진 슈퍼지구의 거대한 숲에서 계절별 단풍 변화를 보게 해 줄 책임을 맡아주면 좋겠음
    게으름 피우지 말고 2050년까지 첫 렌즈 빛도 받아내고
  • 나도 같음
    죽기 전에 실현되는 걸 보고 싶은 꿈의 프로젝트 중 하나임
    이게 무엇이고 무엇을 뜻할 수 있는지 모르는 사람들을 위해:
    https://www.space.com/sun-gravity-could-help-observe-exoplan...
  • 움직임이 적어 보일 수는 있음
    10년 단위 프로젝트라는 개념이 있고, 작업반이나 더 작은 그룹에서 계속 다듬어지는 경우가 있음
    의도적으로 대중 논의가 많지 않을 수도 있음
    아이디어가 아직 실현 가능하지 않다가도 새 기술이 나오면 오래된 아이디어가 다시 서랍에서 꺼내지기도 함
    또 어떤 아이디어는 너무 환상적이라 즉각적인 역풍을 맞고, 의회 사람들이 올라타 자금을 대기 어려워짐
    다행히 JWST가 온갖 지연 뒤에도 대중적으로 성공하면서 이런 프로젝트들을 더 긍정적으로 보게 됐음
    다만 Boeing이 붙지 않길 바랄 뿐임
  • 변화를 보고 싶다면 목표 하나를 고르고 오랫동안 헌신하면 됨
    시간이 많다면 보고 싶은 이 프로젝트를 직접 도울 수도 있음

• 이 용도에 무리 탐사선은 비효율적으로 보임
  너무 많은 질량을 중복하는데, 그 질량은 한 우주선 안에서 “한 바구니”가 아니라 충분한 중복성으로 쓸 수도 있음
  또 수백~수천 AU 길이의 초기 줄이 시간이 지나며 폭 100,000km 렌즈형 메시 네트워크로 합쳐진다는 설명은 불가능해 보임
  줄의 맨 앞이나 뒤에 있는 극도로 작은 물체가, 몇 광년 떨어진 레이저만 에너지원으로 삼아 어떻게 수백 AU를 재배치할 만큼 속도를 낮추거나 높이고, 다시 편대를 유지할 속도로 조정할 수 있나?
  렌즈는 촬영을 위해 목표를 향하나, 아니면 통신을 위해 지구를 향하나? 전자라면 지구로 신호를 보낼 이득을 어떻게 얻고, 후자라면 목표에 대한 유용한 과학을 어떻게 하나?
  통신에 대해 아주 대략적인 링크 예산 계산이라도 한 사람이 있나? 레이저 빔은 발산하고 결맞음을 잃는데, 왜 영원히 수렴하고 결맞음을 유지한다고 가정하는 것처럼 보이나?
  100GW 레이저가 100,000km까지 발산했고 반경 ±50,000km 위치에 있을 때 에너지 밀도는 얼마인가? 렌즈 가장자리의 무리 구성원도 중심부와 같은 전력이 필요할 것이라고 보기 때문임

  • 무리를 쓰는 이유는 현실적인 기술로는 몇 그램보다 무거운 물체를 상대론적 속도까지 가속할 수 없기 때문임
    그래서 작은 우주선을 써야 하고, 그 작은 우주선 하나가 모든 것을 할 수 없으니 여러 개를 보내는 것임
    또 제안이 그런 식은 아님
    각 우주선에는 자체 에너지원이 있을 것이고, 실제 끈도 없음
    여기서 “줄”과 “메시”는 실제 물체가 아니라 기하학적 형태를 가리킴
    어떻게 합쳐지는지는 인용문 바로 앞 문장에 나옴: 초기 가속을 조절해 줄의 꼬리가 머리를 따라잡게 하고, 20년 순항 중 성간 매질이 주는 항력을 이용해 조립 후 무리를 함께 유지한다는 것임
    통신 렌즈는 탐사선 메시의 렌즈 모양이나 데이터 수집 장비와 무관함
    이미지를 찍는 것과 보내는 것에는 서로 다른 것을 씀
    지구로 신호를 보내는 이득은 각 탐사선이 같은 데이터를 보내되 상대 위치에 맞춰 방출 시간을 조정해, 지구 수신 배열에 펄스가 동시에 도착하게 만든다는 기사 설명에 해당함
    100GW 레이저의 발산 후 에너지 밀도는 전원 공급원이 아니므로 무관함
  • stellaser를 보고 싶음
    Asimov가 그런 걸 썼는데, 태양에 충분히 가까이 가져갈 수만 있으면 우주의 어두운 곳에 무제한 전력을 줄 수 있을 것임
  • 지상 기반 레이저와 X-37 같은 궤도 거울을 짝지은 기밀 프로젝트의 위장일 수도 있음

• 피치 낙하 실험을 운영하는 사람들은 자기 생애 안에 확정적 결과를 기대하고 하는 게 아님
  로켓 기술이 더 일상화되기 전 JPL의 박사과정 학생들도 아마 비슷하게 느꼈을 것임
  이 시도에 참여하려는 사람이라면, 근무 생애 안에 얻을 수 있는 건 기껏해야 2차·3차 산출물이라는 점을 받아들여야 즐거움이나 명예를 얻을 수 있고, 장치 자체에서 실질적 결과를 발견하지는 못할 것임
  SKA 건설을 돕거나 Webb을 발사하는 것과 비교하면, 개인당 비용 대비 생애 내 성과는 그쪽이 더 클 수 있음
  그렇다고 그쪽이 “더 낫다”는 뜻은 아니고, 주 임무의 과학 결과를 더 빨리 낸다는 뜻임
  부차적·삼차적 효과 영역에도 좋은 과학은 많음
  우주에서 장기 보관 후 활성화되도록 설계된 시스템의 거동, 새로운 추진 모델 등 좋은 과학은 끝이 없음
  Voyager를 다시 한다면 지금은 10배나 100배 나은 발사 수단과 무선주파수 시스템을 감당할 수 있으니 같은 위치의 결과를 더 빨리 낼 수 있을 거라고 들었음
  하지만 Brilliant dust에서 일하는 누구도 “Proxima Centauri 근접 최신 이미지” 같은 결과를 보지는 못할 것임
  빛의 속도에 의미 있는 비율로 도달하는 비용이 너무 큼

• 레이저가 아무것에도 맞지 않는다면 빔이 꽤 좁게 유지되는 거리는 얼마나 되나? 방출기의 기하 구조 함수인가?
  100GW 레이저를 작은 실리콘 조각에 겨누면 매우 뜨거워질 테니, 먼 곳에서 아주 작은 탐사선을 주기적으로 맞히면 추진뿐 아니라 전원 공급도 될 수 있지 않을까 하는 생각임
  충분히 먼 곳에서도 맞힐 수 있다면 말임
  탐사선을 아주 가볍게 만드는 건 성간 비행에 유용한 속도까지 질량을 가속하는 문제에 대한 설득력 있는 답이고, 실리콘 조각 안에 상당한 기계를 넣을 수도 있음
  칩이 먼 레이저 방출기에서 에너지를 흡수해 일부를 저장하고, 계산을 수행하고, 표면의 LED 같은 것으로 에너지를 방출해 위치를 미세 조정하거나 무리의 다른 칩과 통신하는 건 느슨하게나마 그럴듯함
  SF로는 충분히 작동하고, 현실에서도 구현 가능할지 모름

  • 가우시안 레이저 빔에서는 레일리 거리가 좋은 척도임
    빔이 초기 빔 크기, 즉 허리의 sqrt(2)까지 발산하는 거리임 [1]
    이 거리는 빔 허리의 제곱에 비례하고 파장에 반비례함
    1m 빔과 1um 파장이라면 약 3e6m, 즉 3000km임
    따라서 빔 지름이 크고 파장이 길수록 발산이 줄어듦
    초기 거리 동안 원래 빔 형태를 유지할 수 있는 “비회절” 빔 모양도 있는데, 예를 들어 베셀 빔이 있음 [2]
    [1] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_length
    [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_beam

• 탐사선의 온보드 시계를 지구 및 서로와 동기화해 정확한 위치·항법·시각을 지원한다는 부분은, 적어도 첫눈에는 상대론적 속도로 이동한다는 점을 생각하면 엄청난 난제로 보임
  감속은 어떻게 하나? 어느 시점에 돛을 뒤집어 별빛으로 감속시키나?

  • 아님, 상대론적 근접비행임

• 많은 탐사선을 광학적으로 결맞게 유지할 수 있다면, 태양계 안의 분리된 거울들도 그렇게 할 수 있음
  이 무리 크기인 100,000km 망원경이라면 Proxima Centauri에서 수백 미터 미만의 특징도 분해할 수 있음

  • 문제는 광학 망원경의 요소들을 빛의 파장 정도 정밀도로 아주 정확히 정렬해야 한다는 것이고, 우주에서는 비현실적임
    아니면 계산 간섭계를 쓸 수 있지만, 가시광 파장에서 빛의 위상을 정확히 측정할 수 있어야 하는데 이는 아직 풀리지 않은 문제임

• “그램 단위의 작은 성간 탐사선을 레이저 빛으로 밀어 보내는 것이 이번 세기에 다른 별에 도달할 수 있는 유일한 기술일 가능성이 크다”는 말에 대해서는, 여기서 빔 추진을 살펴보면 다른 관점이 될 수 있음
  http://www.gdnordley.com/_files/2way%20EML%20&%20PB%20prop.p...

• 기술이 아무리 발전해도 낮은 질량의 물체만 빛의 속도에 가깝게 가속할 수 있다면, 고도로 지능적이고 기술적으로 발전한 존재들은 은하를 탐험하기 위해 자기 몸의 질량을 줄였을지도 모름
  가장 진보하고 지능적인 존재가 질량 몇 그램에 불과할 수도 있음
  적어도 흥미로운 SF 소재는 됨 ;-)

  • 아니면 뇌를 냉동 보존해 핵폭발로 추진되는 우주선에 넣고, 0.2c로 이동한 뒤 도착지의 외계인이 호기심을 갖고 뇌를 되살려 새 몸을 만들어 주길 기대했을 수도 있음