나노 기반 빛 돛 개발로 우주 탐사와 물리학 혁신

네델란드 TU 델프트 대학교(TU Delft)와 미국 브라운 대학교(Brown University)의 연구자들은 우주 탐사와 실험 물리학에 획기적인 변화를 가져올 수 있는 확장 가능한 나노기술 기반의 빛 돛(lightsails)을 개발했다.

대형 반사체를 제작할 수 있는 혁신적인 소재와 생산 방법을 소개하면서 빛돛 기술의 중요한 진전으로 평가된다.

빛돛은 레이저로 발사되는 방사압을 이용해 우주선의 속도를 크게 향상시킬 수 있는 초박형 반사 구조물이다. 전통적인 나노기술이 장치를 미세하게 축소하는 데 집중하는 반면, 빛돛은 매우 얇은 두께로 크기는 커지도록 설계된다. 빛돛은 인간 머리카락의 1/1000에 불과한 두께를 지니면서도 우주를 가로지를 수 있을 정도로 큰 크기를 가질 수 있어, 매우 가벼운 상태에서 먼 거리를 커버할 수 있는 장점을 가진다.

기존의 빛돛 제작은 ‘브레이크스루 스타샷 이니셔티브(Breakthrough Starshot Initiative)’에서 상상한 것처럼 약 15년 정도가 소요된다. 이는 나노 규모의 복잡한 구조물 제작에 시간이 많이 걸리기 때문이다. 그러나 이번 연구팀은 고급 기술을 개발하여 이 과정을 단 하루 만에 완료할 수 있게 되었다.

이 연구를 이끈 TU 델프트 루카스 노르더(Lucas Norder) 박사 과정 학생은 “우리는 단순히 크기를 줄이는 것이 아니라, 전례 없는 크기의 얇은 장치를 설계하고 있다”고 설명했다. 현재 제작된 프로토타입은 60mm x 60mm 크기, 두께는 단 200 나노미터로 대형 빛돛 제작의 가능성을 보여준다. 이 빛돛에는 수십억 개의 나노 크기의 구멍들이 뚫려 있다.

루카스 노르더 박사는 “우리는 나노기술의 기존 방식에 갇히지 않고, 나노 수준의 정밀도를 유지하면서도 규모를 확장하는 새로운 방식을 적용하고 있다”라고 말했다.

최근 캘리포니아공대(Caltech)에서 발표된 연구에서는 나노 크기의 돛 구조 제어에 대한 성과가 있었다. 이번 연구팀은 센티미터 크기에서 나노 크기 정밀도를 유지하며 대형 빛돛을 제작할 수 있는 가능성을 열었다.

이 연구팀은 이 소재의 가장 큰 특징으로 대형 스케일과 나노 수준의 정밀도를 결합하여 무게는 가볍고 반사 능력이 뛰어나다는 점을 들고 있다.

연구팀은 신경망 토폴로지 최적화 기법과 첨단 제작 방법을 도입해 이번 혁신적인 기술을 완성했다. 연구팀은 가스 기반 에칭 공정을 통해 빛돛 밑부분의 재료를 정교하게 제거하고 최종적으로 완성된 빛돛을 제작했다. 이 공정을 통해 빛돛은 매우 튼튼해 실제 사용 시 내구성이 뛰어나다는 특징을 지닌다.

브라운 대학교 미구엘 베사(Miguel Bessa) 박사는 “우리는 나노포토닉스와 대형 제조의 경계를 넘는 기술을 개발했다. 이 기술은 나노 제조뿐만 아니라 대형 제조에서도 획기적인 발전을 이룬 것”이라고 말했다.

빛돛 기술은 레이저로 발사되는 방사압을 이용해 우주선의 속도를 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 지닌다. 예를 들어, 이러한 빛돛을 이용한 우주선은 국제 우편이 여행하는 시간만큼 빠르게 화성에 도달할 수 있을 것으로 예상된다. 현재로서는 이러한 미션이 먼 미래의 목표이지만, 연구팀은 지구 중력 하에서 몇 센티미터의 거리에서 새로운 멤브레인 빛돛을 실험할 준비를 하고 있다.

연구팀은 이를 통해 레이저 추진을 이용해 지금까지 달성된 거리보다 100억 배 더 먼 거리까지 실험을 진행할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

인터스텔라 우주 탐사, 물리학 새로운 기회

이 혁신적인 빛돛의 개발은 우주 탐사뿐만 아니라 실험 물리학에서도 새로운 기회를 열어준다. 고속으로 가속된 물체를 통해 빛-물질 상호작용과 상대성 물리학을 연구할 수 있는 새로운 방법을 제공하며, 속도와 가속도의 본질에 대한 근본적인 질문을 해결할 수 있는 기회를 만든다.

이번 연구는 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 2025년 3월호에 게재됐다.

* 인터스텔라 탐사를 향한 미래: 브레이크스루 스타샷 이니셔티브

브레이크스루 스타샷 이니셔티브는 우주 탐사에 드는 시간을 획기적으로 단축하려는 목표를 가지고 있다. 현재 인간의 가장 빠른 로켓이 태양계를 넘어가기 위해서는 약 10,000년이 걸리지만, 마이크로칩 크기의 빛돛을 이용한 우주선이 레이저로 추진된다면 단 20년 내에 인터스텔라 여행을 현실로 만들 수 있을 것이다.

브레이크스루 스타샷 이니셔티브는 2016년에 유리 밀너(Yuri Milner)와 고(故) 스티븐 호킹(Stephen Hawking)이 시작한 프로젝트로, 인류의 첫 번째 인터스텔라 탐사를 목표로 하고 있으며, 가까운 미래에는 알파 센타우리(Alpha Centauri)까지의 방문이 가능할 것이다.

*논문 DOI: 10.1038/s41467-025-57749-y