Notice
1. KIASC 기고문 (2012.3.6)
NASA Goddard Space Flight Center
2012 년 3월 6일
KAIST 기계공학과 정상권
저는 여기 NASA Goddard Space Flight Center 에서 2012 년 1 년 동안 연구 연가를 하게 되어, 우리 학회 회원들에게 이곳 얘기를 좀 해 드릴 려고 합니다. 여러 가지 이유로 저 같은 외국인이 여기 오는 것은, 신원조회도 철저히 하고 paper work도 복잡해서 시간이 많이 걸리고 힘들게 오게 되었는데, 모든 면에서 천천히 그러나 철저하게 일을 처리하는 인상을 받고 있습니다.
이 곳 NASA Goddard Space Flight Center 는 미국 정부의 다양한 우주 기술 개발을 담당하는 11 개의 연구 센터 중의 하나로서, 근대 로켓 추진의 선구자인 Goddard 박사의 이름을 따서 1959 년에 세워진 미국 NASA 의 첫 번째 우주 비행 센터입니다. Washington DC 근교의 매릴랜드 주에 위치하고 있으며, 약 10,000 명 정도의 인원이 지구 생태계, 우주 관측과 우주 탐험에 대한 첨단 연구 기술 개발을 담당하고 있는 연구 기관입니다. 제가 있는 Cryo genics and Fluids Branch 는, 여기서 Code 552 라 불리우며, 각종 우주 관측 장비와 관련하여 Adiabatic Demagnetization Refrigerator (ADR), cryogenic insulation and packaging, cryogenic fluid management 등에 대한 연구를 다른 팀들과 함께 매우 유기적으로 수행하고 있습니다. 더 흥미로운 기술적인 내용은 NASA 홈페이지에 상세하게 나와 있으므로 오늘은 간단하게 CRYOGENICS와 관련하여 두 가지 거대 천문 과학 프로그램에 대하여 요약하면서, 첨단 과학 연구의 수준을 향상시키기 위하여 극저온 냉각 기술이 왜 중요한 지 소개하겠습니다.
(1) Astro-H (NeXT for New X-ray Telescope) 프로그램
이 프로그램은 일본의 우주 항공기관인 JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency)에 의하여 2014 년에 지구 상공 550 km에 X-ray 관측 망원경을 설치하는 것이 주 임무 이며, X-ray 스펙트럼은 천문학에서 우주에 존재하는 극한의 에너지 환경에 존재하는 블랙홀 (black hole), 초신성 (supernova) 또는 여러 천문학적인 물질들이 방출하는 신호를 검출하는데 유용합니다. 매우 먼 공간과 시간의 지평선에서 출발한 엄청나게 미약한 신호를 찾아내어 해독하는 데에는 극저온의 microcalorimeter 기술이 필수적이며, NASA 는 이러한 장비를 장착한 X-Ray Spectrometer (XRS)의 개발과, 그 장비의 정상적인 작동을 위해서 필요한 60 mK의 극저온 냉동 장치에 대한 책임을 지고 있습니다. 액체 헬륨 온도 부터 60 mK을 가능하게 하는 극저온 냉동기는 여러 단의 Adiabatic Demagnetization Refrigerator (ADR) 이며, 그 이상의 온도 대역에 대한 냉각은 일본 Sumitomo 사에서 제작한 Stirling + JT 가스 냉동기가 담당을 합니다. XRS 위성 발사체에 희석 냉동기 (Dilution Refrigerator)를 적용하지 않고, ADR을 채택한 이유는 다음과 같은 장점이 있기 때문입니다.
첫째, ADR은 본질적으로 효율이 매우 높습니다. 특히 우주에서 한정된 에너지원을 사용하는 위성의 경우에는 냉동기의 냉각 효율과 냉각 용량이 매우 중요한데, 이는 곧 전체 시스템의 무게를 결정하는 것입니다. 둘째, 극저온 희석 냉동기의 경우에는 기본적으로 작동유체 (He 3 와 He 4 그리고 액체와 기체상)의 밀도 차이에 의해 작동을 하는데, 이러한 작동을 위한 배관설비가 필요하며, 무중력 공간에서는 안정된 작동을 보장할 수 없다는 문제점이 있습니다. ADR 이 60 mK을 만들어 내기 위해서는, 보통 고온부의 온도를 초유체 헬륨 (superfluic helium)으로써 1.3 K 정도로 유지시켜 주기도 하는데, 액체 헬륨은 ADR 고온부의 열을 흡수함과 동시에 우주로 증발하게 되며, 이러한 위성 발사체의 무게를 최소화하기 위해서, 약 20리터 정도로 할당된 액체헬륨의 저장 공간을 고려하여 볼 때, 전체 냉동 시스템은 액체 헬륨의 증발을 절대적으로 최소화 하는 방향으로 설계되어야 합니다. 즉, 최고의 극저온 단열 기술과 최대의 냉동 효율이 결합될 때, XRS 시스템은 위성 발사체 발사 후 약 2 년 동안 작동할 수 있습니다. 다음은 NASA의 Goddard Space Flight Center에서, X-ray 관측 망원경과 관련되어 수행하였고, 현재 진행 중인 프로그램의 목록을 나타내고 있습니다.
- XRS-1 (February, 2000)
첫 번째의 위성 발사체(ASTRO-E)는 일본의 Kagoshima Space Center에서 발사되었으나 1단 로켓의 문제 때문에 실패.
- XRS-2 (July, 2005)
첫 위성 발사체 발사로부터 5년 이후에 재 발사(ASTRO-E2) 되었지만, 발사 후 19일째 액체 헬륨 공급에 문제가 생겨 작동이 중지. 액체 헬륨의 공급 없이는 ADR의 작동이 불가능 하기 때문에 XRS의 작동도 중지됨. 비록 성공하지는 못한 미션이지만, NASA 에서는 액체 헬륨 손실의 원인을 증발한 헬륨 분자가 비정상적으로 저온부에 흡착됨으로써 열손실이 증가한 원인으로 규명하였으며, ASTRO-E2에 적용했던 몇 가지 기술들에 대한 유용성도 검증하였음. 이러한 것 들 중에는 ADR, X-Ray sensor 등이 있다. ASTRO-E2 비행체 발사 경험은 Soft X-ray Spectrometer(SXS)를 적용할 예정인 ASTRO-H의 토대가 될 것임.
- SXS (Scheduled February, 2014)
2014년 2월 발사 예정인 ASTRO-H에 탑재 될 것으로서, 기본적인 작동원리는 앞의 X-Ray Spectrometer와 동일하나, 냉각장치가 변경될 예정임. 특히 액체 헬륨의 고갈 이후에 대한 대책을 마련하였음.
현재까지의 기술수준을 살펴보면, 아래 그림에서와 같이 우주에서 여러 단으로 구성된 ADR의 저온부 온도를 50 mK 정도로 유지하기 위해서는, 고온부의 온도를 액체 헬륨을 이용하여 1.3 K으로 냉각시키거나, 기계적인 냉동기로써 고온부의 열을 흡수하게 됩니다. 한편, XRS-1 과 XRS-2 의 한시적인 운용을 극복하기 위하여, 2014 년에 발사 예정인 차세대의 XRS 장치는 ADR의 고온부 온도를 더욱 상승시켜 4 K 또는 10 K 정도까지 확장시키고, 위성 발사체에 탑재 가능한 소형 기계적인 냉동기 (cryocooler) 로 액체 헬륨을 대체하고자 하는 연구가 진행되고 있습니다. 구체적으로 NASA Goddard Space Flight Center 가 보유하고 있는 최첨단 과학 기술은, ADR의 자기 냉동 재료 (Salt pill) 선정과 제작 기술, 여러 개의 ADR을 직렬로 연결하여 좀 더 넓은 작동 온도 범위를 가질 수 있게 구성하는 기술, 기계적인 냉동기 (cryocooler)를 이용하여 초전도 자석 및 ADR의 고온부 열을 흡수하는 열스위치 (heat switch) 기술, 고자기장 차폐 기술, 극저온 단열 기술 등이라 할 수 있습니다.
(2) James Webb Space Telescope
James Webb 우주 망원경은 Hubble 우주 망원경의 후속으로 2018 년에 우주로 쏘아 올릴 거대 망원경으로서, 인간의 천제 관측 역사상 가장 먼 곳을 그리고 가장 오래된 과거의 사건을 볼 수 있게 될 것입니다. 과거를 볼 수 있다는 사실이 신기하겠지만, 우주에서 수 백만 광년 떨어진 은하를 관찰한다는 것은, 실제로 수 백만 년 전의 모습을 보는 것이고, 좀 더 강력한 망원경을 개발하려는 노력은, 우주가 생성되었다고 생각하는 수 십 억 년 전의 모습, 즉 빅 뱅 (Big Bang) 이 일어난 후 얼마 안 된 시기인 초기 우주의 상황에 대한 수수께끼를 풀고자 하는 노력입니다. James Webb 우주 망원경 (JWST)은 주로 적외선 영역의 빛을 관측하기에 적합하게 제작이 되는데, 아래 그림에서 보듯이 130 억년 전의 초기 우주에서 별과 은하가 처음 생성되는 단계 까지 찾아가면서, 빅 뱅 (Big Bang) 이후 우리 은하가 생성되기 까지 발생한 우주의 사건을 관측하려고 합니다.
[출처] Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP),
http://www.jwst.nasa.gov/firstlight.html
JWST 는 베릴륨으로 만들어 지는 6.5 m 직경의 반사경과 태양빛을 차단하는 5 단의 복사 차폐막이 주요 구성품 으로서 구성이 되며 지구에서 1500 만 km 떨어진 L2 라고 하는 Lagrangian 위치에서 우주를 관측하게 됩니다. 특히 주 반사경은 차체 복사열 (또는 복사빛)을 감소시키기 위하여 복사 냉각 방식 (radiative cooler)을 이용하여 50 K 정도의 극저온으로 유지될 것이며, 중 적외선 관측 센서의 온도는 펄스튜브 냉동기를 이용하여 7 K 으로 유지 되어야 하므로 cryogenics 가 역시 중요한 역할을 합니다. 이 외에도 상온에서 작동을 해야 하는 JWST 의 전자 장비 부분과 관측을 담당하는 극저온 부분과의 열적인 격리 (thermal isolation) 가 절대적으로 중요한 문제이므로 최고의 극저온 조립 기술 (cryogenic packaging technology) 이 요구 됩니다. 이 모든 것이 엔트로피 생성을 최소화하는 노력이라는 것을 우리 극저온 공학자 들은 잘 이해할 수 있을 것입니다.
JWST 는 현재 NASA에서 매우 적극적으로 지원하는 중요한 프로그램으로서, 인간의 인지할 수 있는 시간과 공간의 지평선을 확실하게 넓히는 거대과학 기술이며, 유럽의 ESA 와 캐나다 우주국의 공동 노력으로 진행되고 있습니다. 바쁘게 돌아가는 현실의 시계를 쳐다보며 바로 눈 앞의 상황들만 너무 열심히 생각하는 가운데, 이러한 엄청난 시공간을 초월하는 세상의 과학에 대한 연구를 수행하는 사람들이 있다는 사실이 신선한 지적 자극이 될 수 있고, 우주 천문학의 첨단 연구를 가능하게 하는 기술 (enabling technology)이 우리가 연구하는 cryogenics 라는 사실에 자부심을 느낍니다. 좀 더 자세하고 매우 흥미로운 과학 상식과 비디오 내용들이 아래 웹 사이트에 잘 수록되어 있으니, 우리 학회 회원들도 한 번 보면서 새로운 영감을 얻어 보시기 바랍니다.