[재미있는 원자력] 우주 방사선 연구 왜 하냐구요?/김계령 한국원자력연구원책임연구원

입력 : ㅣ 수정 : 2016-11-21 17:06

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김계령 한국원자력연구원책임연구원

▲ 김계령 한국원자력연구원책임연구원

2013년 개봉한 SF영화 ‘그래비티’는 우주 왕복선에 탑승한 두 명의 과학자가 인공위성을 수리하기 위해 우주 공간에서 작업하는 장면으로 시작된다. 영화를 보면서 누구나 ‘지구의 궤도에 존재하는 인공위성의 수는 얼마나 되며, 수명은 얼마일까?’, ‘인공위성이 우주 공간에서 고장 나면 어떻게 하지?’ 같은 궁금증이 생겼을 것이다.

실제 지구 궤도상의 인공위성 수는 2500기가 넘지만 정상적으로 운용되는 것은 절반에도 못 미친다. 우리나라는 1992년부터 지난해까지 18개의 인공위성을 쏘아올렸고 현재는 9기를 운영하고 있다. ‘무궁화’나 ‘천리안’ 같은 대형 정지궤도 인공위성은 12~20년, ‘우리별’ 같은 저궤도 인공위성은 3~7년 정도의 수명을 갖고 있다.

인공위성의 고장은 태양에서 방출되는 고속입자로 인한 태양전지 손상, 주요 부품 고장, 우주 방사선으로 인한 장애가 주요 원인이다. 태양에서는 끊임없이 핵융합 반응이 일어나고 그 핵융합 반응으로 인해 태양의 표면에서 초속 수백~수천㎞의 입자들이 우주로 방출된다. 이렇게 방출된 입자들이 지구 궤도를 돌고 있는 인공위성들에 작용해 고장이나 오류를 일으키는 것이다.

수백억원의 예산을 들여 개발한 인공위성을 고장 없이 오랫동안 안정적으로 운용하기 위해서는 우주 방사선에 강한 반도체 소자 개발, 오래 가는 태양전지 개발, 우주 방사선 차폐 물질과 방법 개발 등의 연구가 필수적이다. 이 때문에 미국항공우주국(NASA)도 오래전부터 브룩헤이븐 국립연구소의 대형 입자 가속기에 시험시설을 갖추고 연구를 하고 있다.

우리나라는 경주 양성자가속기연구센터에서 100MeV(메가전자볼트)급 양성자 가속기를 이용한 우주 방사선 시험시설을 내년 하반기부터 가동할 예정이다. 이곳의 양성자 가속기는 초당 약 12만조개 이상의 양성자를 동시에 100MeV로 가속할 수 있는 장치인데 100MeV 양성자는 광속의 43% 수준인 초속 13만㎞의 속도를 갖게 된다.

양성자 가속기는 우주 방사선의 대부분을 차지하고 있는 양성자가 인공위성에 미치는 영향을 분석하기 위해 사용되고 있다. 이 시험에서 빠른 속도로 가속된 양성자가 인공위성에 사용되는 재료와 부딪치면 물질을 통과하면서 에너지를 전달해 구성 원자 간의 결합을 끊어 변형이나 손상을 유발하게 된다. 인공위성의 핵심 부품인 반도체 소자의 경우 오작동이 유발되거나 수명이 단축된다. 이런 원리로 우주 방사선이 재료와 부품에 미치는 영향을 시험하고, 인공위성의 내구성과 수명을 개선할 수 있게 된다.

지상에서 양성자 가속기를 이용한 우주 방사선 연구는 인간이 더 먼 우주에서 오랜 기간 안전하게 지낼 수 있는 방법을 찾는 데 기여하게 될 것이다.
2016-11-22 29면
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