[논문 리뷰] A Roadmap to Interstellar Flight

Philip Lubin|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 05.

Space Science and Extraterrestrial Life참고 문헌 9인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 지구 기반 레이저 어레이를 이용해 경량의 '웨이퍼위어'—그램 수준의 위성으로 통합된 기구를 갖춘 우주선—를 방사 에너지 추진으로 가속하여 상대론적 속도(빛의 속도의 1/4 이상)로 이동시키는 우주 비행의 비전을 제시한다. 이 방법은 태양계 근처의 별로의 임무를 수십 년 내에 수행할 수 있도록 가능하게 하며, 확장 가능한 광자 추진 기술과 미니어처라이제이션 기술을 통해 현재의 추진 기술 한계를 극복한다.

ABSTRACT

In the nearly 60 years of spaceflight we have accomplished wonderful feats of exploration that have shown the incredible spirit of the human drive to explore and understand our universe. Yet in those 60 years we have barely left our solar system with the Voyager 1 spacecraft launched in 1977 finally leaving the solar system after 37 years of flight at a speed of 17 km/s or less than 0.006% the speed of light. As remarkable as this is we will never reach even the nearest stars with our current propulsion technology in even 10 millennium. We have to radically rethink our strategy or give up our dreams of reaching the stars, or wait for technology that does not currently exist. While we all dream of human spaceflight to the stars in a way romanticized in books and movies, it is not within our power to do so, nor it is clear that this is the path we should choose. We posit a technological path forward, that while not simple, it is within our technological reach. We propose a roadmap to a program that will lead to sending relativistic probes to the nearest stars and will open up a vast array of possibilities of flight both within our solar system and far beyond. Spacecraft from gram level complete spacecraft on a wafer ("wafersats") that reach more than $1/4c$ and reach the nearest star in 20 years to spacecraft with masses more than $10^5$ kg (100 tons) that can reach speeds of greater than 1000 km/s. These systems can be propelled to speeds currently unimaginable with existing propulsion technologies. To do so requires a fundamental change in our thinking of both propulsion and in many cases what a spacecraft is. In addition to larger spacecraft, some capable of transporting humans, we consider functional spacecraft on a wafer, including integrated optical communications, imaging systems, photon thrusters, power and sensors combined with directed energy propulsion.

연구 동기 및 목표

• 현재의 화학 추진 및 전기 추진 방식은 현실적인 시간 범위 내에서 간행성 비행에 필요한 속도를 달성할 수 없다는 근본적인 한계를 해결한다.
• 질량과 속도 제약로 인해 기존의 우주선 설계가 간행성 임무에 비실용적임을 극복한다.
• 지향 에너지 추진을 이용해 근처의 별로 상대론적 탐사선을 보낼 수 있는 확장 가능하고 기술적으로 실현 가능한 길을 개발한다.
• 기존 능력 이상의 추진 및 우주선 설계 기술 발전을 통해 무인 임무뿐 아니라 잠재적인 인류 임무도 가능하게 한다.
• 기존의 우주선 개념을 재정의하여 깊은 우주에서 상대론적 속도로 비행할 수 있는 통합형 미니어처라이제이션 시스템으로서의 우주선을 새로운 탐사 패러다임으로 선도한다.

제안 방법

• 지상 기반 레이저 어레이를 활용해 지향 에너지 추진을 제공하고, 경량 우주선을 상대론적 속도로 가속화한다.
• 전체적으로 통합된 '웨이퍼위어'—그램 수준의 우주선—를 설계하며, 내장된 전원, 영상 촬영, 통신 장치 및 광자 추진기 기능을 포함한다.
• 심지어 태양계 외부에서 지구로의 고대역폭 데이터 전송을 위해 광학 통신 기술을 구현한다.
• 광자에서의 동량 전달을 통해 추진제를 장착하지 않아도 고가속도를 달성한다.
• 적용 가능한 레이저 어레이 기술을 활용해 0.25c 이상의 속도로 운반물을 가속화하기 위한 필수 출력 수준을 확보한다.
• 고성능 재료와 미니어처라이제이션 전자기기를 통합해 고속도에서의 구조적 안정성과 功能을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지향 에너지 추진이 인간의 일생 내에 간행성 비행에 필요한 상대론적 속도(≥0.25c)를 달성할 수 있는가?
• RQ2 그램 수준의 탐사선을 간행성 속도로 가속화할 수 있는 확장 가능한 레이저 어레이 시스템을 개발하는 데 있어 기술적 및 공학적 과제는 무엇인가?
• RQ3 완전히 통합된 미니어처라이제이션 우주선(웨이퍼위어)이 간행성 비행 중에도 정상적으로 기능하고 통신 기능을 유지할 수 있는가?
• RQ4 현재의 추진 및 재료 기술의 성능 한계는 이러한 임무를 수행하는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 돌파구 기술이 필요하지 않은 단계적이고 점진적인 개발 접근 방식이 간행성 비행의 실현 가능한 비전을 이끌 수 있는가?

주요 결과

• 지상 기반 레이저 어레이를 이용한 지향 에너지 추진은 그램 수준의 우주선을 0.25c를 초과하는 속도로 가속화할 수 있으며, 이는 가장 가까운 별로의 도착을 약 20년 내에 가능하게 한다.
• 제안된 시스템은 1g에서 100,000kg(100톤) 이상의 질량을 가진 적재물도 발사할 수 있으며, 속도는 1,000km/s를 초과할 수 있다.
• 웨이퍼위어는 통합된 광학 통신 장치, 영상 촬영 장치, 전원 장치, 광자 추진기를 장착할 수 있어 자율 운용과 데이터 복귀를 가능하게 한다.
• 이 비전은 기존 또는 근접한 기술—확장 가능한 레이저 어레이와 고성능 마이크로일렉트로닉스—기반으로 하여 기술적으로 실현 가능하다.
• 이 방법은 간행성 임무뿐 아니라 태양계 내외의 다양한 심우주 탐사 임무도 가능하게 한다.
• 본 연구는 기존의 화학 추진에서 지향 에너지 추진으로의 전환은 현재의 공학 능력으로도 필수적이고 실현 가능하다는 것을 입증한다.