글: 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

 

역사상 가장 진화된 화성 탐사선인 퍼시비어런스(Perseverance) 호가 고대 미생물 생명체의 흔적을 찾는 임무를 맡고 11,900mph의 속도로 화성의 희박한 대기 속으로 진입했다. 이 탐사선이 2021년 2월 18일(미국 현지 시각)에 화성에 도착해서 최초로 보낸 전송이 1억3천만 마일(2억921만 킬로미터) 떨어진 지구까지 도달하는 데는 11.5분이 걸린다.

 

이 로봇 탐사선은 심우주의 고에너지 방사선과 극한의 고온과 저온이 교차하는 가혹한 조건을 견디면서 드릴 코어 샘플을 채취하고 각종 시험을 실시한다. 무게가 약 2,300파운드(1,043킬로그램)이고 고신뢰성 기술을 장착한 로봇 과학자인 퍼시비어런스는 향후 인류가 태양계를 탐험할 수 있는 길을 닦을 것이다.

 

기계 장비와 사람을 우주로 쏘아 올리는 것은 지구 상의 기술을 한 단계 끌어올리는 시험장 역할을 한다. 지난 40년 넘게 혁신을 거듭해 온 아나로그디바이스(Analog Devices, ADI)는 NASA/JPL과 협력해서 발사 시의 극한의 중력을 견딜 수 있고 우주의 가혹한 조건에서 엄격한 품질 요건을 충족하는 부품과 시스템을 개발해 왔다. 퍼시비어런스 미션은 NASA/JPL과 ADI의 또 다른 협력의 성과이자 획기적인 전환점이다.

한 눈에 보기

기관
JPL(Jet Propulsion Laboratory)은 미국의 국립 연구소로서, 최초의 지구 궤도 과학 위성을 개발하고, 최초의 성공적인 행성간 우주선을 개발하고, 행성들을 조사하기 위한 탐사 로봇을 쏘아 올림으로써 우주 시대를 여는 데 일조하고 있다.

목표
화성에서 생명체의 흔적과 물을 찾고, 사람의 거주 가능성을 탐사하기 위해서 기술의 한계를 끌어올린다. 이 기술을 상업용 우주선에 적용해서 지구 상의 인류에게 혜택이 돌아가게 한다.

과제
탐사 로봇이 우주의 가혹한 조건에서도 올바로 작동하고, 행성 및 그의 위성과 소행성, 그리고 그 너머까지 탐사할 수 있도록 극히 어려운 엔지니어링 과제들을 해결한다.

애플리케이션
우주 탐사 장비와 메커니즘에 ADI의 전원 관리, 절연 기술, 센서, 내방사선 부품을 사용한다.

 

 

(이미지 출처: NASA/JPL-캘리포니아 공대, 화성 예제로(Jezero) 분화구)

 

 

화성은 오늘날 거의 공기가 없고 움직임이 없는 사막인데, 35억 년 전에 물이 있던 시기에는 예제로 분화구(Jezero Crater)에 미생물이 살았을 것으로 과학자들은 믿고 있다. 6개의 바퀴로 굴러가는 이 탐사 로봇은 분화구의 퇴적물에 보존되어 있을지 모르는 고대 미생물 생명체의 화학적, 광물적, 조직상의 흔적을 탐사한다. 퍼시비어런스는 최초로 십여 개의 드릴 코어 샘플을 채취하고 이것을 튜브에 밀봉하여 표면에 놔두었다가 향후 임무를 위해 지구로 가져와서 과학자들과 정교한 시험 장비를 사용해서 세밀한 분석을 할 수 있도록 할 계획이다.
 

 

 

ADI의 엔지니어인 크리스틴 청(Kristen Chong)은 화성 탐사 로버인 퍼시비어런스 호의 착륙과 우리가 배울 수 있는 것들에 대해 설명한다.

 

 

 

이 탐사 로봇의 시험 장비, 통신, 이동, 과학 활동을 가능하게 하는 것은 전기이다. 11년에 걸친 로버 임무를 수행하기 위해서는 신뢰할 수 있는 전원과 배터리 수명이 중요하다. 퍼시비어런스는 효율을 위해서 고전압 배터리 버스로 동작한다. 그런데 이 버스로부터 제공되는 전압 출력은 이 화성 탐사선 전자 시스템들의 99%로 너무 높다. 중간 전압으로 효율적인 강압 제어가 되지 않는다면 상당한 양의 에너지가 낭비되어 배터리를 더 자주 충전해야 할 것이다.

 

NASA/JPL은 핵심적인 전원 관리 솔루션을 공급할 파트너로 ADI를 선택했다. 중앙 배터리 버스에서 공급되는 높은 전압을 중간에서 고전압 동기식 전류 모드 컨트롤러가 모든 전자 부품(IC)에 필요로 하는 저전압으로 변환한다. 이 내방사선 컨트롤러는 변환 효율을 극대화하여 낭비되는 전력을 최소한으로 줄인다. 전력 손실은 열을 발생시키고, 과도한 열은 부품을 손상시킬 수 있다. 특히나 화성의 희박한 대기는 열 배출을 훨씬 어렵게 한다.

화성 탐사선 퍼시비이런스 로버의 3D 모델링: 스마트폰이나 태블릿 상에서 이 모델의 AR 3D
아이콘을 터치하면 인터액티브 방식으로 퍼시비어런스를 살펴볼 수 있다.
(URL: https://mars.nasa.gov/gltf_embed/25042/)

(이미지 출처: NASA/JPL–캘리포니아 공대)

 

 

이 화성 탐사 로버는 이후에 계획하고 있는 임무들에 대비해서 다수의 시험 장비를 탑재하고 있다. 이중에서도 MOXIE(Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment)는 특히 야심 찬 것으로서, 화성의 희박한 대기로부터 산소를 추출하는 방법을 시험한다. MOXIE는 화성의 이산화탄소를 산소로 변환할 수 있는지를 살피기 위한 것이다. 이 시험이 성공적이면 이후의 다른 화성 탐사 임무에서는 MOXIE가 필수 장비가 되어 로켓 연료로 산소를 공급하고 미래의 탐사대원들과 거주자들이 숨 쉴 수 있도록 공기를 제공할 수 있을 것이다. 또한 퍼시비어런스는 태양광으로 구동되는 헬리콥터 드론인 ‘인저뉴어티(Ingenuity)’를 탑재하고 있다. 인저뉴어티는 지구의 백분의 일에 불과한 화성의 희박한 대기 속에서 비행 안정성을 테스트하고 최적의 탐사 장소와 안전한 로버 주행 경로를 탐색한다.

화성 탐사 로버인 ‘퍼시비어런스’(왼쪽)와, 함께 다른 행성을 비행하도록
설계된 최초의 헬리콥터인 ‘인저뉴어티’ (이미지 출처: NASA/JPL–캘리포니아 공대)

 

 

퍼시비어런스는 하단부에 4파운드(1.8킬로그램) 무게의 태양광 구동 헬리콥터를 탑재하고 있다. 2개의 로터가 서로 반대 방향으로 약 2,400rpm 속도로 회전한다. 이는 지구에서 운용되는 헬리콥터보다 몇 배 더 빠른 속도이다. 이 조그만 비행체가 지구의 백분의 일에 불과한 화성의 희박한 대기에서 비행하기 위해서는 충분한 양력이 필요하다. 또한 야간에는 화씨 -130도(섭씨 약 -90도)에 이르는 극한의 온도를 견딜 수 있어야 한다.

(이미지 출처: NASA/JPL–캘리포니아 공대)

 

2014년부터 2019년까지 제트 추진 연구소(Jet Propulsion Laboratory, JPL)의 엔지니어들은 특수한 우주 시뮬레이터로 보다 발전되고 가벼운 모델을 개발하기 위해서 연구를 거듭했다. 최종적으로 개발된 모델이 2020년 7월 30일(미국 현지 시각)에 아틀라스 V 행성간 비행을 위해서 플로리다의 케이프 커내버럴 공군 기지를 이륙해서 화성으로 향했다. 착륙 예정일은 2021년 2월 18일이다. 장장 7개월에 걸쳐서 1억3천만 마일을 날아가는 것이다.

 

인저뉴어티는 화성 날짜로 30일의 테스트 기간 동안 최대 5회에 걸쳐서 매회 약 3분 이내씩 동력 비행을 하여 최대 1,000피트(약 305미터)를 이동한다. 이 테스트 비행에서 수집한 데이터들은 다음 세대 헬리콥터들이 화성에서 항공 탐사를 할 수 있게 해줄 것이며, 탐사 로봇과 대원들을 탐색하고, 가벼운 물건을 운송하고, 접근하기 어려운 장소들을 조사할 수 있게 할 것이다.

 

이 임무는 화성에서 “라이트 형제”에 견줄 만한 것이다. 이 시험 비행에 성공한다면 이 헬리콥터는 외계 행성에서 비행한 최초의 비행선이 될 것이기 때문이다. 화성 헬리콥터 미션의 프로젝트 매니저인 미미 아웅(Mimi Aung)은 “화성에서 동력 비행이 가능한 것으로 입증된다면 이후의 화성 탐사에서 화성 헬리콥터가 중요한 역할을 하는 날이 올 것”이라고 말했다.

 

“인저뉴어티”라는 이름은 당초 앨러배마주 노스포트의 고등학생인 바니자 루파니(Vaneeza Rupani)가 화성 로버 이름 공모전에 제출한 것이다. 그런데 NASA는 인저뉴어티가가 로버보다는 이 헬리콥터에 더 어울린다고 생각했다. 이 비행선을 띄워 올리기 위해서 JPL 엔지니어들이 무수히 많은 혁신적인 사고와 고된 작업을 이어가야 했기 때문이다.

 

루파니는 “창의성(Ingenuity)은 사람들이 놀라운 것들을 이룰 수 있게 한다”고 썼다.

화성 헬리콥터 ‘인저뉴어티’의 3D 모델(URL: https://mars.nasa.gov/gltf_embed/25043/):
이 헬리콥터는 약 1.2미터 직경에 서로 반대 방향으로 회전하는 동축 로터들을 사용하며,
상단에는 충전용 태양광 패널을 탑재했다. 하단에는 내비게이션, 착륙,
지형 탐사를 위해 아래로 향하는 고해상 카메라를 탑재했다. 

(이미지 출처: NASA/JPL–캘리포니아 공대)

 

퍼시비어런스에는 화성 탐사 임무에 필수적인 ADI의 63가지 부품들이 사용되었다. ADI의 마케팅 매니저이자 애플리케이션 엔지니어인 크리스틴 청(Kristen Chong)은 “RF/마이크로파(?W)에서부터 연산 증폭기, 전원 관리, 데이터 변환에 이르기까지 다양한 부품들이 포함되어 있다. 아나로그디바이스는 계속해서 NASA/JPL과 협력해서 새로운 우주 프로그램의 과제들을 해결해 왔다”고 말했다.

 

ADI와 NASA/JPL 간 협력 관계는 1980년대 초반으로 거슬러 올라간다. ADI는 NASA/JPL과 함께 필수적 부품, 커스텀 프로그램, 고신뢰성 기술의 한계를 끌어올리고 개발하기 위해서 노력해 왔다. 모든 부품들은 기능이나 임무에 상관없이 극단적인 중력, 진동, 온도 변화, 방사선 같은 혹독한 조건들을 견뎌야 한다.

 

목성 근처에서 비행하고 있는 NASA의 주노(Juno) 우주 탐사선

(이미지 출처: NASA/JPL–캘리포니아 공대, 주노 우주 탐사선)

 

2011년 8월 5일에 발사된 NASA/JPL의 주노 우주 탐사선은 심우주의 극한 환경 속에서 거의 5년을 비행한 끝에 2016년 7월 4일에 목성 궤도권에 도착했다. 주노의 주된 임무는 이 거대한 가스 행성과 그 밖에 다른 행성들이 어떻게 형성되었는지 알아보는 것이다. ADI의 크리스틴 청 매니저는 “우리 태양계의 모든 혹독한 방사선 환경 중에서도 목성은 특히 더 혹독하다. 목성의 자기권은 반 알렌대(Van Allen belts)에 상당히 많은 양의 방사선을 잡아두고 있다. 반 알렌대의 수가 우리 행성이나 태양계의 다른 행성들보다 훨씬 많다. 이 때문에 전자 부품들은 극히 높은 수준의 방사선 내성을 필요로 한다”고 말했다.

 

ADI의 AD590S는 내방사선 온도 센서로서 주노 탐사선에 채택되었다. 탐사선이 행성 주위의 궤도를 돌면서 행성 그림자를 빠져나와 햇빛에 직접 노출될 때마다 온도가 수시로 급격하게 변화한다. 심지어 태양에 노출될 때라도 탐사선 내에서 햇빛을 받는 면과 햇빛을 등진 면 사이에 온도 차이가 상당히 클 수 있다. 쉽게 예상할 수 있듯이, 이러한 온도 차이는 탐사선 내의 IC 부품들에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 이 때 AD590S 온도 센서가 측정한 정보를 사용하면 탐사선 내의 온도 변화를 보정할 수 있다.

 

거의 20년 동안 사용되고 있는 ADI의 AD590S는 지금도 계속해서 온도 데이터를 포착하는 데 사용되고 있다. 이러한 이력을 바탕으로 NASA/JPL은 2020년 퍼시비어런스 호 미션에도 AD590S를 채택했다.

 

지구 자기장의 보호를 벗어나서 여행하는 우주 비행체는 태양이 방출하는 방사선의 해로운 영향을 받는다. 방사선은 임의적인 오류를 발생시키고, 프로세싱 디바이스를 리셋하고, 부품을 손상시킬 수 있다. 좀더 구체적으로 다음과 같은 영향을 미칠 수 있다:

• 단일 이벤트 영향(Single-event effects, SEE): 단일 이온 또는 입자가 디바이스의 특정 영역을 강타해서 다양한 이상 현상이나 오류를 일으킬 수 있다.

• 총 이온화 선량(Total ionizing dose, TID): 이온화 방사선이 부품들에 장기적으로 누적되는 양을 말한다. 일부 부품들에서 TID는 공급 전류를 높이는 것과 같은 변화를 초래할 수 있다.

• 변위 손상(Displacement damage, DD): 중성자 같은 큰 입자가 실리콘 칩의 결정 구조를 깨트림으로써 물리적 손상을 일으킬 수 있다.

 

리니어 테크놀로지(Linear Technology Corporation, LTC)는 고성능 전원 관리 시스템으로 명성을 얻고 있는 회사로서, 2017년에 ADI에 인수되었다. LTC의 엔지니어들은 텍사스 A&M 대학의 사이클로트론 연구소 같은 연구소들로 파견되어, NASA/JPL과 함께 협력해서 우주로 보내기 위한 부품들을 개발했다. 이들은 방사선을 견디는 능력을 높이기 위해서 온갖 방법을 동원했다.

 

ADI의 존 가이(John Guy) 스태프 FAE는 “그들은 IC가 제대로 작동하지 않을 때 까다로운 문제를 가지고 우리에게 연락했다. 우리는 방사선 검증 작업을 위해서 텍사스주 컬리지 스테이션으로 직원을 파견했다. 한번은 방사선 테스트 시에 이상 동작이 나타나는지 살펴보기 위해서 원래의 부품 설계 엔지니어와 FAE를 보내기도 했다”고 말했다. 이 설계 엔지니어와 FAE가 NASA/JPL 엔지니어들과 힘을 모아 문제를 해결하고, 테스트를 실시하고, 문제가 애플리케이션 차원의 문제인지 아니면 설계 상의 문제인지 판단하면서, 최종적인 내방사선 제품을 개발했다.

 

40년 넘게 ADI는 우주의 가혹한 환경을 견딜 수 있는 고신뢰성 기술을 개발하기 위해서 NASA/JPL과 협력해 왔다. 이러한 부품은 아무 결함 없이 동작할 뿐만 아니라, 탐사 임무로 지정된 수명 요건보다도 수년 혹은 수십년 더 길게 동작을 지속하고 있다.

 

이와 같은 장기적 협력관계는 NASA/JPL이 ADI의 제품, 엄격한 테스트, 품질 관리를 계속해서 신뢰한다는 뜻이기도 하다. 이는 또 여러 세대의 우주 임무에 걸쳐서 ADI의 지원 서비스, 깊이 있는 전문성, 기술을 입증하는 것이기도 하다. 

 

이것은 지상에서 그보다 좀 덜 까다로운 애플리케이션을 사용하는 고객들에게 ADI의 기준과 가치를 입증하는 것이기도 하다. 어떤 부품이 혹독한 우주 환경에서 수십 년을 견딜 수 있다면 지상에서도 무결하게 동작할 것으로 믿을 수 있기 때문이다. 제조 플랜트가 되었든, 전기차가 되었든, 병원 수술실이 되었든 말이다.

 

NASA/JPL과 마찬가지로 ADI 역시 미래에 혁신의 중심에 서고자 한다. 그러려면 호기심을 가지고 열려 있고, 민첩하게 변화를 따라가며, 고정관념에서 벗어나 유연하게 사고해야 한다. ADI의 지난 50년의 역사가 무언가 교훈을 줄 수 있는 것이 있다면 그것은 바로, 미래의 기술 혁신이 산업을 한 단계 도약하게 하고 과거에는 상상할 수 없던 세상을 실현할 수 있게 한다는 것이다. ADI가 추구하는 비전은 극히 복잡하고 의미 있고 중요한 문제를 해결하고 가능성의 한계를 뛰어넘는 것이다.

 

우주 물질과 별들을 포착한 허블 망원경 이미지

 

퍼시비어런스 로버 미션과 앞으로 계획되어 있는 많은 미션들은 더 큰 프로그램의 일부에 불과하다. NASA는 2024년에 다시 달로 우주비행사들을 보내고 2028년에는 사람이 체류할 수 있게 한다는 계획을 세웠다. 이것은 인간이 화성으로 이주하는 것에 대비한 준비 작업이다. ADI는 이 야심찬 모험에도 참여할 것이다.

 

“우리는 달에 가고, 화성에 가고, 태양계 외곽 행성의 위성에도 가고, 혜성에도 가고, 혜성에서 또 다른 혜성으로도 가고, 또 다른 별들로 나아갈 것이다” 

- 칼 세이건(Dr. Carl Sagan) 박사, 천문학자이자 우주철학자이자 작가이자 시인이자 과학 해설가