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소형 인공위성 ‘큐브샛’의 현재와 미래

2017.09.20 FacebookTwitterNaver

▲ 소형 인공위성 큐브샛이 우주에서 활동하는 장면, 출처: wavemagazineonline.com

요즘 떠오르고 있는 미래 기술 중에서 재미있는 것을 하나 소개하고자 합니다. 바로 소형 인공위성인 큐브샛(CubeSat)입니다. 마이크로샛(MicroSat), 나노샛(NanoSat)이라고도 불립니다. 더 작은 것은 피코샛(PicoSat) 혹은 펨토샛(FemtoSat)이라고 합니다.

인공위성이라고 하면 대표적인 ‘메가 사이언스’ 중의 하나로 많은 예산과 인력이 필요한 분야 중의 하나입니다. ‘메가 사이언스’는 국제 핵용합 실험로(ITER) 혹은 강입자 가속기(LHC)와 같이 많은 연구 인력과 대규모의 예산 또는 시설을 필요로 하는 연구 개발을 의미합니다. 우리나라도 우주 발사체를 확보하고 위성을 쏘기 위해서 매우 큰 예산을 쓰고 있습니다. 발사 및 운용하기에 많은 비용이 들어서 그렇지 인공위성은 지도 제작, 자원 관리, 도시 개발, 지질 연구, 기상 관측, 해양 관측, 과학 실험, 통신 등의 아주 유용하며 다양한 쓰임새가 있습니다.

상용이나 군용으로 사용되는 인공위성은 일반적으로 1,000kg이 넘지만 큐브샛은 무게가 50kg 이하에 해당하는 작은 위성을 말합니다. 1998년 스탠포드 대학의 로버트 트윅(Robert Twiggs) 교수가 처음 제안했을 때는 교육 및 실습용으로 시작했으나 현재는 전자, 전기 및 광학 기술의 발달로 다양한 고성능 모듈의 초소형화가 가능해지면서 상업시장에서 그 가능성이 매우 커지고 있는 상황입니다. 미국 위성산업협회(Satellite Industry Association)에 따르면 2017년 상용 위성체 개발 시장은 139억 달러이고, 위성 서비스 분야는 1,277억 달러입니다. 이 중 큐브샛의 시장 규모는 2015년을 기준으로 전체 시장의 1%에 해당합니다.

2013년 스페이스웍스(Spaceworks)사의 시장분석에 따르면 큐브샛 제작 및 이용 시장은 2014년부터 2020년까지는 매년 약 24%의 평균 성장률을 보일 것이며 이전과 달리 50% 이상의 큐브샛이 정부 주도가 아닌 민간 기업체 주도로 개발될 것으로 예상됩니다. 이는 기술 발전에 의해 중대형 위성이 수행하던 임무를 큐브샛이 수행할 수 있게 되면서 새로운 시장이 생기고 있음을 의미합니다. 그런 임무들에는 지구 관측, 원격 감지, 소행성 탐사 및 우주 비행체의 궤적 조사와 같은 일들이 포함될 것으로 예측되는데 위성이 작다고 무시할 일은 아닙니다.

▲ 개인으로서는 세계 최초로 큐브샛을 제작 중인 송호준 씨, 출처: 다큐멘터리 영화 ‘망원동 인공위성’

그렇다면 큐브샛을 만드는 데에는 얼마만큼의 비용이 들까요? 다음의 기사가 생각나실 지 모르겠습니다. 과학전문지 「뉴사이언티스트」의 ‘New Why I’ve built my own satellite?’라는 기사에 따르면 한국인 송호준 씨는 개인으로서는 세계 최초로 큐브샛을 발사했습니다. 인공위성 개발에 40만 원을 쓰고 발사에 1억2천만 원을 썼다고 합니다. 2010년 개발된 다목적 실용위성인 아리랑 5호에 2,480억의 개발비가 들어가고 300억의 발사비가 들어간 것을 생각해 보면 상당히 적은 예산을 들여서 개발한 인공위성인 셈입니다. 송호준 씨가 발사한 큐브샛의 개발비를 보면 위성체를 개발하는 개발비보다 발사비가 상대적으로 더 많이 듭니다. 그의 큐브샛은 아두이노 마이크로 컨트롤러와 리튬이온 배터리, J모드 UHF/VHF 수신기로 구성돼 있어서 매우 저렴한 가격에 제작이 가능했습니다.

▲ 미국항공우주국이 스마트폰을 탑재체로 만든 ‘미니 위성’ 폰샛

미국항공우주국(NASA)도 삼성전자에서 제조한 휴대폰을 이용해, 스마트폰을 탑재체로 하는 ‘미니 위성’ 폰샛(PhoneSat)을 만든 적이 있을 정도입니다. 반면 발사에는 많은 비용이 들었는데 그건 아무리 작은 위성이라도 발사체에 탑재하기 위해서는 무게에 따라서 적지 않은 비용이 들기 때문입니다.

큐브샛을 개발하여 발사하기 위해서는 어떤 것들에 신경을 써야 할까요? 제일 처음 신경 써야 할 것은 물론 어떤 임무를 수행할 것인가를 정하는 것입니다. 이것에 따라서 필요한 위성의 기능 및 궤도와 고도 등이 결정되기 때문이죠. 임무 수행에 필요한 궤도와 고도를 빨리 결정해야 하는 이유는, 큐브샛은 궤도와 고도를 마음대로 결정하기가 매우 어렵기 때문입니다. 모든 큐브샛은 비용 절감을 위해서 이미 발사되는 상용 위성의 발사체에 합승하여 같이 발사합니다. 내가 원하는 궤도와 고도를 가지고 있는 주 발사 위성이 있는 경우에만 발사가 가능하기 때문에, 발사체를 이용할 수 있는 회사들과 협의하여 미리 준비하는 것이 필요합니다. 또한 위성과의 통신을 위해서 국제전기통신연합에서 통신용 주파수를 부여받는 과정이 필요합니다. 그리고 대한민국의 법률에 따르면 우주물체를 등록하는 것이 필요하고 발사일 2년전에 사전에 발사일을 통보해야 하므로 법령 관계된 것도 주의 깊게 보아야 합니다.

▲ 인도의 18세 학생 Rifath Sharrok이 만든 칼람샛

비록 이러한 어려움들이 있지만 저렴한 비용의 인공위성 플랫폼을 안정적으로 확보할 수 있다면 인공위성 서비스를 보다 보편적으로 사용할 수 있게 만들고 나아가 사람들의 생활이 편리해지게 하는데 많은 도움이 될 거라고 생각합니다. 특히 최근에 인도의 18세 학생 Rifath Sharrok이 3D 프린터를 이용하여 64그램의 펨토샛인 칼람샛(KalamSat)을 만들어 미국항공우주국 콘테스트에서 일등을 했다는 기사를 보았습니다. 세계에서 가장 작은 인공위성이라고 하는데요. 4차 산업혁명의 핵심 중 하나인 3D프린터와 큐브샛, 그리고 우리나라의 반도체 설계 기술을 합치면 매우 재미있는 그림이 나올 수 있을 것 같다는 생각이 듭니다.

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