20년 안에 다른 별에 닿을 수 있다면, 믿으시겠습니까? 저도 처음 이 이야기를 접했을 때 솔직히 드래곤볼에서 나메크성으로 날아가는 우주선 장면이 먼저 떠올랐습니다. 그냥 만화 속 이야기인 줄만 알았는데, 현실에서 그 그림을 그리겠다고 나선 프로젝트가 실제로 존재합니다. 바로 브레이크스루 스타샷(Breakthrough Starshot)입니다.
스티븐 호킹이 왜 이 프로젝트에 이름을 올렸을까
브레이크스루 스타샷은 2016년 러시아 출신 억만장자 유리 밀너가 주도하고, 고 스티븐 호킹 박사와 마크 저커버그가 참여를 선언하면서 전 세계의 시선을 끌었습니다. 목표는 단순하지만 어마어마합니다. 인류와 가장 가까운 외계 항성계인 프록시마 센타우리(Proxima Centauri)까지, 단 20년 안에 탐사선을 보내는 것입니다. 프록시마 센타우리는 지구에서 약 4.24광년 떨어진 항성으로, 현재 가장 빠른 탐사선인 파커 솔라 프로브(Parker Solar Probe)로도 6,500년 이상 걸리는 거리입니다.
스티븐 호킹 박사는 생전에 이 프로젝트를 통해 광속의 20%, 즉 초속 6만 킬로미터에 도달하는 것이 가능하다고 분석했습니다. 이 속도면 4광년 거리를 20년대로 주파할 수 있다는 계산이 나옵니다. 제가 처음 이 수치를 들었을 때 느낀 건, 이게 정말 물리적으로 허용되는 숫자냐는 의심이었습니다. 스페이스X나 NASA가 지금도 로켓 하나 쏘는 데 얼마나 공을 들이는지 생각하면, 이 숫자는 어딘가 꿈같이 느껴졌습니다.
그 원리는 복사압(radiation pressure)을 추진력으로 전환하는 방식입니다. 복사압이란 빛 입자인 광자(photon)가 물체 표면에 부딪힐 때 발생하는 미세한 압력을 말합니다. 솔라 세일(Solar Sail), 즉 태양빛을 돛으로 받아 항해하는 개념과 원리는 같지만, 스타샷은 태양 대신 지상에 설치한 100기가와트(GW) 규모의 초강력 레이저 배열을 사용합니다. 100GW는 대형 원자력 발전소 약 100기가 동시에 내뿜는 수준의 출력입니다. 이 레이저가 지상 100만 킬로미터 상공에 떠 있는 탐사선을 향해 일제히 광자 빔을 쏘아내면서 추진력을 만들어냅니다.
탐사선은 '스타칩(StarChip)'이라는 초소형 칩으로, 무게는 겨우 수 그램에 불과합니다. 여기에 16제곱미터짜리 돛이 달립니다. 그 가벼운 무게와 거대한 돛 면적의 조합이 레이저 에너지를 속도로 바꾸는 핵심입니다. 현재 목표로 잡은 로드맵은 2036년 발사, 2056년 프록시마 b 행성 도달, 그리고 2060년경 인류 최초의 외계 행성 근접 촬영 사진과 탐사 데이터를 지구로 전송받는 것입니다(출처: 브레이크스루 이니셔티브 공식 사이트).
100GW 레이저에서 성간 먼지까지, 해결해야 할 현실의 벽
직접 공부해 보니, 이 프로젝트에서 제일 먼저 걸리는 것이 '경량화와 내구성의 모순'이었습니다. 광자를 최대한 많이 받으려면 돛이 넓어야 하고, 돛이 넓으면 무게와 열에 의한 손상 위험이 올라갑니다. 과학자들이 이 딜레마를 풀기 위해 연구하는 소재가 마일라(Mylar)와 그래핀(Graphene)입니다. 그래핀은 탄소 원자 하나 두께의 2차원 결정 구조 소재로, 강철보다 200배 이상 강하면서 무게는 극도로 가볍습니다. 아직 수 그램짜리 칩에 적용 가능한 수준으로 양산하는 기술이 완성되지 않았다는 점이 현재의 병목입니다.
성간 물질(interstellar medium)과의 충돌 문제도 심각합니다. 성간 물질이란 별과 별 사이 우주 공간에 떠다니는 먼지와 기체 입자를 말합니다. 광속의 20% 속도로 비행 중인 탐사선이 모래알 하나만 한 입자에 부딪혀도 그 충격은 총알 수천 발에 맞먹습니다. 이에 대한 해법으로 채택된 전략이 스웜 전략(Swarm Strategy)입니다. 수천 대의 스타칩을 동시에 발사해서, 일부가 파괴되더라도 살아남은 개체들이 데이터를 전송하면 임무를 성공으로 간주하는 방식입니다. 어떻게 보면 무식한 방법 같기도 한데, 제 경험상 복잡한 시스템일수록 이렇게 중복성(redundancy)을 확보하는 방식이 오히려 현실적입니다.
스타샷이 넘어야 할 기술적 과제를 정리하면 다음과 같습니다.
- 100GW 레이저 배열의 전력 조달 및 에너지 변환 손실 최소화
- 수억 킬로미터 거리에서 탐사선을 오차 없이 추적하는 정밀 조준 기술
- 마일라·그래핀 기반 초경량 고내열 돛 소재의 실용화
- 성간 먼지 충돌에 대비한 탐사선 전면부 내충격 코팅 기술
- 광년 단위 거리에서 수년의 신호 지연 없이 스스로 판단하는 자율 항법 시스템
특히 레이저 정밀도 문제는 생각보다 까다롭습니다. 대기 교란을 최소화하기 위해 습도가 낮은 사막 고지대를 발사 기지로 검토하고 있다고 합니다. 이 부분은 현재 칠레 아타카마 사막 같은 곳이 후보지로 거론됩니다. 국제천문연맹(IAU)이 우주 환경과 대기 투명도 연구를 지속적으로 발표하고 있는데, 그 데이터가 발사 기지 선정에도 활용될 것으로 보입니다(출처: 국제천문연맹 IAU).
만화 속 이야기가 현실이 되는 날을 기다리며
솔직히 저는 스페이스X를 볼 때도 비슷한 감정을 느낍니다. 기대와 의심이 동시에 존재하는 상태입니다. 로켓 재착륙을 성공하고, 스타링크 위성 수천 개를 띄우고, 이제 화성 이야기까지 나오는데, 그 모든 것이 정말 제 생애 안에 완성될지는 여전히 물음표입니다. 브레이크스루 스타샷도 마찬가지입니다. 개인적으로는 이 프로젝트가 성공하길 진심으로 바라는 마음이 있습니다.
생각해 보면, 인터넷이 처음 나왔을 때를 떠올리게 됩니다. 그때는 텍스트 한 줄 받는 데도 한참 걸렸는데, 지금은 초고속 연결이 당연한 시대가 됐습니다. 이전 속도가 오히려 답답하게 느껴지는 것이 변화의 본질이라면, 우주도 언젠가 그 변화의 국면을 맞이할 수 있다고 생각합니다. 저보다 제 아이들 세대가 프록시마 b의 사진을 실시간으로 보는 날이 온다면, 그것이 진짜 인류사의 변곡점이 될 것입니다. 이 프로젝트가 성공하기를 바라는 한편, 지금 어디까지 왔는지 계속 지켜볼 생각입니다.