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심우주  탐사를  위한  원자  시계  개발

작성 : 한국항공우주연구원 이동헌 (선임연구원)

지구와  거리가  매우  먼  심우주를  탐사하기  위해서는  탐사선의  정밀한  위치와  경로를 

결정하는  항법  기술이  중요하다.  항법을  위한  여러  기술  요소  중  정확한  시간을  측정하는 

것이  무엇보다  중요한  기술이라  할  수  있다.  NASA(미국  항공우주국)에서는  미래의 

심우주  탐사에  탑재될  기술  검증을  목표로  ‘Deep  Space  Atomic  Clock  (DSAC)’ 

프로젝트를  진행하고  있다. 

DSAC  프로젝트는  NASA  JPL에서  임무  개발  및  응용에  관한  연구  및  관리가 

이루어지고  있는데,  위  프로젝트에는  기존  원자시계  보다  정밀하고  안정한(stable) 

원자시계가  탑재될  예정이다.  현재,  개발이  완료된  DASC  원자시계  안정도는  지구 

표면상의  실험실  내에서는  10일  동안  1나노세컨드  이하의  drift  안정도  성능을  나타내고 

있는데,  이  수치는  현존하는  원자시계  중에  최고의  성능이라고  언급하고  있다. 

우주공간상에서는  온도  변화가  매일  다르고  계절마다  편차가  심하며,  발사  과정에서  지구 

중력보다  수~수십  배  이상의  힘이  구조체에  가해진다.  이에,  JPL의  DSAC  임무  책임자는 

환경적으로  안정한  실험실보다  많은  변수  존재하는  우주환경에서  요구되는  성능의 

원자시계  설계  및  제작  기술은  매우  도전적인  작업이라고  언급하고  있다.  이  원자시계는 

수은  이온을  이용하여  만들어졌으며,  현재,  소형화  단계를  거쳐  환경시험과  성능  최적화 

작업  등이  완료되어  있는  상태이다.  원자시계  검증용  유닛은  우주비행체에  탑재되어 

Space  X사의  Falcon  9으로부터  발사될  예정이다.

DSAC  프로젝트에서는  개발된  원자시계  검증과  함께  차세대  무선  통신기술이  시험될 

예정이다.  위  차세대  무선  통신  기술은  기존의  two-way  방식의  트래킹(tracking) 

아키텍처에서  효과적이고  확장성이  용이한  one-way  방식의  트래킹(tracking)  아키텍처로 

전환하여  사용할  예정으로,  이는  기존의  패러다임을  변환하는  기술을  검증한다는데  큰 

의미가  있다.

  DSAC가 

궤도상에 

올려지면, 

궤도상에서 

기술 

검증을 

위한 

실험 

단계는 

commissioning  단계를  시작으로  여러  단계로  구성되어  있다.  먼저  원자시계의  전원을 

켜고,  정상  상태로  가져다  놓은  뒤,  몇  달  동안  가정했던  모델링들을  확인하고 

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업데이트를  수행을  반복한다.  이  작업을  통하여,  향후  원자시계  기반의  여러  성능을 

확인하고,  관측  데이터로부터  DSAC의  성능을  결정하게  된다.  또한,  One-way  방식의 

항법  활용  가능성  증명하기  위해  약  수개월  동안  운용될  예정이다.  위  과정에서  궤도 

결정  정밀도과  성능을  확인하기  위해  GPS  위성의  신호가  사용할  예정이다.

DASC는  향후  응용  분야가  다양하다.  예를  들어  DASC에서  검증될  onw-way방식의 

항법을  이용하면,  화성의  대기  진입과정의  aero-brake  과정에서  발생할  수  있는  오차를 

보상하여,  이전의  착륙  보다  정밀하게  목표  착륙지에  착륙할  수  있을  것으로  예상하고 

있다.  또  다른  예로,  목성의  달인  유로파  탐사를  들  수  있다.  유로파는  액체/얼음  바다로 

구성된  것으로  판단되고  있는데,  목성의  영향을  많이  받아  조석이  발생하게  되어  미세한 

중력의  주기적  변화가  발생한다.  DSAC  기술은  유로파를  탐사하는  탐사선의  정밀  궤도 

결정기술에  적용되어  유로파  중력에  관한  연구에  사용될  수  있으며,  위  데이터를  통하여, 

유로파의  액체/얼음  바다  내부  구조를  추정하는데  유용하게  사용이  가능할  것으로 

예상하고  있다. 

그림.  Deep  Space  Atomic  Clock  임무  상상도

 

(사진  출처:  https://www.nasa.gov/directorates/heo/scan/engineering/technology/txt_dsac.html)

※  이  글은  아래  링크의  기사를  참조하여  작성하였습니다.

      http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=4567