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태양광 돛단배

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목차

1. 개요

태양광 돛단배는 빛의 압력을 이용하여 추진력을 얻는 우주선으로, 혜성의 꼬리를 관찰한 요하네스 케플러의 제안에서 시작되어, 제임스 클러크 맥스웰의 전자기 이론과 표트르 레베데프의 실험을 통해 이론적, 기술적 토대가 마련되었다. 여러 과학자들과 소설가들에 의해 아이디어가 발전되었고, NASA를 비롯한 여러 기관에서 기술 개발을 진행해왔다. 태양광 돛은 반사형, 회절형, 전기 태양풍 돛 등 다양한 형태로 연구되고 있으며, 형태에 따라 사각형 돛, 헬리오자이로, 원형 돛 등으로 분류된다. 현재 폴리머 필름에 알루미늄 코팅을 한 재료가 주로 사용되며, 탄소 섬유, 리튬 등 새로운 재료에 대한 연구도 진행되고 있다. 태양광 돛단배는 태양계 내·외부 탐사, 소행성 및 혜성 탐사, 인공위성 궤도 유지 및 제거, 성간 비행 등 다양한 분야에 활용될 수 있으며, IKAROS, NanoSail-D2, LightSail 등 여러 프로젝트를 통해 기술 실증이 이루어졌다.

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태양광 돛단배
개요
태양돛의 개념도
태양돛의 개념도
유형2차원 태양돛
3차원 태양돛 (접시 형상)
헬리오 회전익
작동 원리태양광의 복사압을 이용한 추진
예상 최고 속도광속의 10%
장점연료 불필요, 무한한 가속 가능
단점낮은 추력, 궤도 제어의 어려움
역사
최초 제안콘스탄틴 치올콥스키(1921년)
최초 실현 시도마리너 10호(1973년) - 자세 제어에 활용
주요 개발 프로젝트이카로스 (태양 돛) (JAXA)
나노세일-D (NASA)
라이트세일 (The Planetary Society)
작동 원리 상세
추진력 발생 원리돛에 반사되는 광자의 운동량 변화
추력 크기1 제곱킬로미터당 약 5 뉴턴
(제곱미터당 약 5 마이크로뉴턴)
추력 조절 방법돛의 각도 조절, 돛 면적 변화
재료
일반적인 재료캡톤
마일라
두께수 마이크로미터
반사율높을수록 효율적
디자인
일반적인 모양사각형, 원형, 헬리오 회전익
크기수십 미터에서 수 킬로미터
최적 디자인 고려 사항무게, 내구성, 전개 용이성, 추력 방향 제어
활용
잠재적 응용 분야행성 간 여행
소행성 탐사
태양계 외 탐사
정지 궤도 유지
미래 전망고효율 돛 개발, 소형 위성 추진, 심우주 탐사
관련 용어
관련 용어전기 돛
자기 돛
레이저 돛
기타
참고 자료제롬 라이트, 《우주 항해》 (1992)

2. 역사

요하네스 케플러는 혜성 꼬리가 태양에서 멀어지는 것을 관찰하고 태양이 그 효과를 일으킨다고 제안했다. 1610년 갈릴레오에게 보낸 편지에서 그는 "하늘의 산들바람에 적응된 배나 돛을 준비하라, 그러면 그 공허함에도 맞서는 사람들이 있을 것이다."라고 썼다.[3]

제임스 클러크 맥스웰은 1861~1864년에 전자기장과 복사에 대한 이론을 발표했는데, 이는 빛이 운동량을 가지고 따라서 물체에 압력을 가할 수 있음을 보여주었다. 맥스웰 방정식은 빛의 압력으로 항해하는 데 대한 이론적 토대를 제공한다.

쥘 베른은 1865년에 출판된 『지구에서 달까지』에서 "언젠가 이러한 [행성과 발사체의] 속도보다 훨씬 더 큰 속도가 나타날 것이고, 빛이나 전기가 기계적 매개체가 될 것이다 ... 언젠가 우리는 달, 행성, 별로 여행할 것이다."라고 썼다.[5]

표트르 레베데프는 1899년에 비틀림 균형을 사용하여 빛의 압력을 처음으로 입증했고,[7] 어니스트 니콜스와 고든 헐은 1901년에 니콜스 방사계를 사용하여 비슷한 독립적인 실험을 수행했다.[8]

스반테 아레니우스는 1908년에 성간 거리에서 생명 포자를 분산시킬 수 있는 태양 복사 압력의 가능성을 예측하여 범종설의 개념을 설명했다. 그는 빛이 별 사이에서 물체를 움직일 수 있다고 언급한 최초의 과학자였다.[9]

콘스탄틴 치올코프스키는 우주선을 우주로 추진하기 위해 태양광의 압력을 사용할 것을 제안하고 "매우 얇은 시트의 거대한 거울을 사용하여 태양광의 압력을 이용하여 우주 속도를 얻을 것"을 제안했다.[10]

프리드리히 잔더는 1925년에 태양 항해에 대한 기술적 분석을 포함한 기술 논문을 발표했다. 잔더는 "매우 얇은 거울을 사용하여 빛의 압력 또는 빛 에너지 전달을 사용하여 작은 힘을 가하는 것"에 대해 썼다.[11]

J.B.S. 홀데인은 1927년에 인류를 우주로 데려갈 튜브형 우주선의 발명에 대해 추측했으며 "면적이 1km2 이상인 금속 호일의 날개가 햇빛의 복사 압력을 잡기 위해 펼쳐진다"는 내용의 글을 썼다.[12]

J. D. 버널은 1929년에 "바람 대신 태양 광선의 반발 효과를 사용하는 우주 항해 형태가 개발될 수 있다. 넓은 금속 날개를 수 에이커 펼쳐서 최대한 활용하는 우주선은 해왕성 궤도의 한계까지 불어갈 수 있다. 그런 다음 속도를 높이기 위해, 중력장을 따라 바짝 항해하고, 태양을 지나갈 때 다시 돛을 펼칠 것이다."라고 썼다.[13]

아서 C. 클라크는 SF 단편 소설인 『선재머』를 썼는데, 이 소설은 1964년 3월호 ''보이스 라이프''에 게재되었으며 태양 돛 우주선 간의 요트 경주를 묘사하고 있다.[14]

칼 세이건은 1970년대에 거대한 구조물을 사용하여 빛을 반사하여 운동량을 생성하는, 빛으로 항해하는 아이디어를 대중화했다. 그는 대학 강연, 책, 텔레비전 프로그램에서 자신의 아이디어를 제시했다.[15]

태양 돛에 대한 최초의 공식적인 기술 및 설계 노력은 1976년 제트 추진 연구소에서 핼리 혜성과의 만남을 위한 제안된 임무를 위해 시작되었다.[2]

2. 1. 한국의 태양광 돛 연구 개발

2010년 5월에 발사된 일본의 솔라 전력 세일 실증기 IKAROS는 세계 최초로 솔라 세일에 의한 광자 가속을 실증하였고, 같은 해 12월 8일에는 금성 플라이바이에 성공하는 등 큰 성과를 거두었다.[132][133] 한국은 이 IKAROS 프로젝트에 참여하여 태양광 돛 기술 개발에 기여하였다.

대한민국에서도 우주 항공 연구 개발 기구(JAXA)의 우주 과학 연구소를 비롯한 여러 연구 기관과 대학에서 태양광 돛 관련 기초 연구와 기술 개발이 진행 중이다. 2004년 8월에는 태양광 돛 실현을 목적으로, 직경 10m, 두께 7.5μm의 폴리이미드 필름제 대형 박막을 우주 공간에서 펼치는 실험에 성공했다. 또한 태양광 압력만으로는 추진 및 자세 제어가 어렵기 때문에, 돛에 얇은 막 태양 전지를 붙여 이온 엔진과 솔라 세일을 함께 사용하는 "솔라 전력 세일" 구상이 나왔다.

2006년 7월, 소행성 탐사선 하야부사 (제20호 과학 위성 MUSES-C) 운용에서 태양광 압력을 이용한 자세 제어가 이루어졌으며, 그 후속기 하야부사 2에서는 통상적인 자세 제어 모드 중 하나로 이용되고 있다. 이와 유사한 자세 제어용 광압 이용으로서, 일본의 운수 다목적 위성 MTSAT에는 자세 제어용 태양 돛이 탑재되어 있다.

3. 원리

태양광 돛은 광자의 운동량 전달을 통해 추진력을 얻는다. 광자 또는 전체 플럭스의 운동량은 에너지-운동량 관계에 의해 주어진다.[22][23]

:p = E/c

여기서 p는 운동량, E는 에너지(광자 또는 플럭스), c는 광속이다.

2011년에 개정된 1 AU(지구-태양 거리)에서 태양 복사압은 1361 W/m2의 복사 조도(태양 상수) 값과 관련될 수 있다.[24]



이상적인 돛은 평평하고 100% 경면 반사를 갖는다. 실제 돛은 여러 요인으로 인해 약 90%(약 8.17 μPa)의 전체 효율을 갖는다.[23]

돛에 가해지는 힘은 광자 플럭스의 반사로 인해 발생한다


돛에 가해지는 힘과 실제 우주선의 가속도는 태양으로부터의 거리의 제곱에 반비례하며(태양에 매우 가까운 경우가 아니면[25]), 돛 힘 벡터와 태양으로부터의 반경 사이의 각도의 코사인의 제곱에 비례한다.

:F = F_0 \cos^2(\theta) / R^2 (이상적인 돛의 경우)

실제 사각형 돛은 다음과 같이 모델링할 수 있다.

:F = F_0 (0.349 + 0.662 \cos( 2\theta) - 0.011 \cos( 4\theta)) / R^2

힘과 가속도는 이상적인 돛에서 예상할 수 있는 90°가 아닌 일반적으로 θ = 60° 주변에서 0에 접근한다.[26]

흡수된 에너지는 돛을 가열하고, 이 에너지는 앞면과 뒷면에서 재방사된다.

태양풍은 태양에서 뿜어져 나오는 대전 입자의 플럭스로, 약 3~4 nPa의 공칭 동적 압력을 가한다.[27]

일본 우주항공연구개발기구(JAXA)는 2010년 H-IIA 로켓 17호기로 금성 탐사선 아카츠키와 함께 실증기 IKAROS[134]를 발사했다.
IKAROS의 막면 형상·배치도(14m 사방)
IKAROS는 광자 가속을 실증하고, 솔라 세일로 다른 행성까지 비행한 세계 최초의 사례이다.

3. 1. 반사형 돛

대부분의 태양광 돛은 반사를 기반으로 한다.[16] 돛 표면은 거울과 같이 반사율이 높으며, 표면에서 반사되는 빛은 힘을 가한다.

태양광 돛은 태양풍이 아닌 광자의 반사에 의해 생기는 반작용으로 추진된다. 빛의 입자가 태양 돛을 형성하는 박막에 부딪혀 반사되면, 박막에는 빛의 입사 방향과 반대 방향의 힘이 발생한다. 이 힘은 돛의 면적과 빛의 압력에 비례한다. 점 광원에서 발해진 빛은 구면상으로 퍼져나가 단위 면적당 받을 수 있는 광자의 수가 감소하기 때문에, 빛의 압력은 광원으로부터 거리의 제곱에 반비례한다. 지구에서 태양으로부터의 빛 압력은 약 4.57µN/m2이다. 선박의 돛과는 달리, 유체역학적 양력은 발생하지 않으므로, 돛에 발생하는 힘은 돛에 반사되는 빛의 압력뿐이다.

3. 2. 대안적인 방식

FMI의 페카 얀후넨은 전기 태양풍 돛이라는 새로운 형태의 태양 돛을 제안했다.[19] 전기 태양풍 돛은 기계적으로 기존의 태양 돛 디자인과는 공통점이 거의 없다. 돛은 방사상으로 배치된 곧게 펴진 전도성 테더(와이어)로 대체된다. 와이어는 전기장을 생성하기 위해 전기를 띠고, 이 전기장은 주변 태양풍의 플라즈마로 수십 미터까지 확장된다. 태양 전자는 전기장에 의해 반사되는데, 이는 전통적인 태양 돛의 광자가 반사되는 것과 유사하다. 돛의 반경은 실제 와이어가 아닌 전기장에서 나오기 때문에 돛이 더 가볍다. 또한 와이어의 전하를 조절하여 우주선을 조종할 수도 있다. 실용적인 전기 돛은 길이가 약 20km인 50~100개의 곧게 펴진 와이어를 갖게 될 것이다.[20]

자기 돛 또한 태양풍을 이용한다. 그러나 자기장은 바람 속에 있는 전하를 띤 입자를 편향시킨다. 이는 와이어 루프를 사용하며, 정전압을 가하는 대신 정적 전류를 흐르게 한다.[21] 자기 돛은 태양풍에 있는 하전된 양성자의 경로를 구부린다. 돛의 자세와 자기장의 크기를 변경하여 추력의 양과 방향을 변경할 수 있다.

4. 종류

태양광 돛은 형태와 재료, 배치 방식에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다.

실제로 우주선의 추진력으로 태양 돛을 사용하기 위해서는 극도로 가볍고 넓은 면적을 유지할 수 있는 얇은 막 거울이 필요했으며, 오랫동안 이는 실현하기 어려운 기술로 여겨졌다. 초창기에는 알루미늄 박막 등이 태양 돛의 소재로 고려되었지만, 강도가 부족했고, 특히 거대한 돛을 우주 공간에서 손상 없이 펼치는 기술 개발이 어려웠다. 그러나 21세기에 들어 탄소 섬유 등 소재 연구 개발이 진전되면서, 강도와 가벼움을 겸비한 박막 제작의 실현 가능성이 높아졌다.

태양 돛 연구는 미국 항공 우주국(NASA)을 시작으로 세계 각국에서 진행되고 있다. 행성 협회의 코스모스 1호는 2001년과 2005년에 발사되었으나 로켓 문제로 실패했다. NASA의 나노세일 D 역시 2008년 발사에 실패했지만, 2010년 대체기 나노세일 D2가 돛 전개에 성공했다.

일본 우주 항공 연구 개발 기구(JAXA)의 우주 과학 연구소는 2004년 직경 10m, 두께 7.5μm의 폴리이미드 필름제 대형 박막을 우주 공간에서 전개하는 실험에 성공했다. 또한, 태양광 압력만으로는 추진 및 자세 제어가 어려워 돛에 얇은 막 태양 전지를 붙여 이온 엔진과 솔라 세일을 병용하는 "솔라 전력 세일" 구상이 제안되었다.

2018년에는 회절을 이용한 새로운 태양 돛 추진 메커니즘이 제안되었다.[17][18]

4. 1. 형태에 따른 분류

태양광 돛은 형태에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

  • 사각형 돛: 가장 일반적인 형태로, 구조가 간단하고 제어가 용이하다. 돛의 어두운 쪽에 마스트와 가이선이 있는 정사각형 돛은 지상 조립 가능한 전개형 구조물에 대한 가장 높은 추력 대 질량 설계를 가진다. 일반적으로 돛의 모서리를 펼치는 4개의 마스트와 가이 와이어를 지지하는 중앙의 마스트가 있다. 주름이나 처짐으로 인해 장비에 핫스팟이 없고 돛이 구조물을 태양으로부터 보호한다는 장점이 있다. 따라서 이 형태는 최대 추력을 위해 태양에 가까이 갈 수 있다. 대부분 스파 끝에 있는 작은 움직이는 돛으로 조종한다.[54] 2010년에 발사된 IKAROS는 회전 방식으로 전개되며, 정사각형 돛의 모서리에 질량체가 있다. 돛은 증착된 알루미늄으로 코팅된 얇은 폴리이미드 필름으로 만들어졌다. IKAROS는 전기적으로 제어되는 액정 패널로 조종한다. 돛이 천천히 회전하고, 이 패널이 켜지고 꺼지면서 우주선의 자세를 제어한다. 켜지면 빛을 확산시켜 돛의 해당 부분으로의 운동량 전달을 줄인다. 꺼지면 돛이 더 많은 빛을 반사하여 더 많은 운동량을 전달한다. 이러한 방식으로 돛을 조종한다.[52]

  • 회전형 돛 (헬리오자이로): 1970년대에 JPL은 핼리 혜성과의 랑데부를 위한 임무를 위해 회전 블레이드 및 링 돛을 연구했다. 각운동량을 사용하여 구조물을 강화하고, 지지대가 필요 없게 하여 질량을 절약하고자 하였다. JPL의 참조 설계는 "헬리오자이로"였다. 롤러에서 전개되어 회전하면서 원심력에 의해 유지되는 플라스틱 필름 블레이드를 가지고 있었다. 우주선의 자세와 방향은 헬리콥터의 사이클릭 및 집합 피치와 유사하게 다양한 방식으로 블레이드의 각도를 변경하여 제어되었다. 이 설계는 정사각형 돛에 비해 질량적 이점이 없었지만, 돛을 전개하는 방식이 지지대 기반 설계보다 더 간단했기 때문에 매력적이었다.[54] 헬리오자이로 설계는 헬리콥터 블레이드와 유사하며, 돛의 경량 원심 경화로 인해 제조가 더 빠르다. 또한 블레이드가 가볍고 길기 때문에 비용과 속도 측면에서 매우 효율적이다. 정사각형 및 회전 디스크 설계와 달리 헬리오자이로는 블레이드가 릴에 압축되어 있기 때문에 전개하기가 더 쉽다. 블레이드는 우주선에서 배출된 후 전개될 때 굴러 나오며, 헬리오자이로가 우주를 통과하면서 시스템은 원심 가속도로 인해 회전한다.[54] 큐브세일 (울트라세일)은 헬리오자이로 돛을 전개하는 것을 목표로 하는 현재 진행형 프로젝트이다.

  • 원형 돛: JPL은 회전하는 우주선의 가장자리에 부착된 패널인 "링 돛"도 조사했다. 패널에는 총 면적의 약 1~5% 정도의 작은 간격이 있다. 선은 한 돛의 가장자리에서 다른 돛의 가장자리로 연결된다. 이러한 선의 중간에 있는 질량은 방사 압력으로 인한 원추형에 대해 돛을 팽팽하게 당긴다. JPL 연구원들은 이것이 대형 유인 구조물에 매력적인 돛 설계가 될 수 있다고 말했다. 특히 내부 링은 화성 표면의 중력과 대략 같은 인공 중력을 갖도록 만들 수 있다.[54]

4. 2. 재료에 따른 분류

태양광 돛 제작에 제안된 재료 - 탄소 섬유


현재 설계에서 가장 흔한 재료는 카프톤 필름과 같이 폴리머(플라스틱) 시트에 얇은 알루미늄을 코팅한 것이다. 폴리머는 유연성과 기계적 지지력을 제공하며, 얇은 금속 층은 반사율을 제공한다. 이러한 재료는 태양에 가까이 접근할때 발생하는 열에 저항하며, 적절한 강도를 유지한다. 알루미늄 반사 필름은 태양 쪽에 부착된다. 코스모스 1의 돛은 알루미늄 처리된 PET 필름(마일라)으로 만들어졌다.[54]

에릭 드렉슬러는 폴리머를 제거한 돛에 대한 개념을 개발했다.[56] 그는 질량 대비 추력이 매우 높은 태양 돛을 제안하고 돛 재료의 프로토타입을 제작했다. 그의 돛은 인장 구조로 지지되는 얇은 알루미늄 필름(두께 30~100 나노미터) 패널을 사용하며, 돛은 회전하며 지속적으로 추력을 받아야 한다. 그는 실험실에서 필름 샘플을 제작하고 취급했지만, 재료가 너무 섬세하여 접기, 발사 및 전개를 견딜 수 없었다. 이 설계는 우주 기반에서 필름 패널을 생산하고 이를 전개 가능한 인장 구조에 결합하는 것을 계획했다. 이 종류의 돛은 단위 질량당 높은 면적을 제공하므로 전개 가능한 플라스틱 필름을 기반으로 한 설계보다 "최대 50배" 더 높은 가속도를 제공한다.[56] 드렉슬러 태양 돛을 위해 개발된 재료는 우주 기반 시스템에서 증착하여 제작할 0.1 μm 두께의 얇은 알루미늄 필름이었다. 드렉슬러는 지상에서 필름을 준비하기 위해 유사한 공정을 사용했다. 예상대로 이 필름은 실험실에서의 취급 및 우주에서의 사용에 적합한 강도와 견고성을 보여주었지만, 접기, 발사 및 전개에는 적합하지 않았다.

NASA 첨단 개념 연구소의 자금 지원을 받은 제프리 랜디스의 1998–1999년 연구에 따르면 레이저 광선 돛의 알루미나와 마이크로파 추진 광선 돛의 탄소 섬유와 같은 다양한 재료가 이전의 표준 알루미늄 또는 카프톤 필름보다 우수한 돛 재료임이 밝혀졌다.[57]

2000년에 에너지 과학 연구소는 태양 돛에 유용할 수 있는 새로운 탄소 섬유 재료를 개발했다.[58][59] 이 재료는 기존 태양 돛 설계보다 200배 이상 두껍지만, 다공성이어서 질량은 동일하다. 이 재료의 강성과 내구성은 플라스틱 필름보다 훨씬 더 튼튼한 태양 돛을 만들 수 있게 한다. 이 재료는 자가 전개될 수 있으며 더 높은 온도를 견딜 수 있다.

분자 제조 기술을 사용하여 나노튜브 메쉬 직조를 기반으로 고급의 강하고 매우 가벼운 돛 재료를 만드는 것에 대한 이론적인 추측이 있었다. 여기서 직조 "간격"은 돛에 부딪히는 빛의 파장의 절반 미만이다. 이러한 재료는 지금까지 실험실 조건에서만 생산되었으며, 산업 규모로 이러한 재료를 제조하는 방법은 아직 사용할 수 없다. 하지만, 이러한 재료는 0.1 g/m2 미만의 질량을 가질 수 있다.[60] 이는 현재의 돛 재료보다 최소 30배 가볍다. 비교를 위해 5 마이크로미터 두께의 마일라 돛 재료는 7 g/m2의 질량을 가지며, 알루미늄 처리된 카프톤 필름은 최대 12 g/m2의 질량을 가지고,[54] 에너지 과학 연구소의 새로운 탄소 섬유 재료는 3 g/m2의 질량을 가진다.[58]

가장 밀도가 낮은 금속은 리튬이며, 알루미늄보다 약 5배 덜 밀도가 높다. 신선하고 산화되지 않은 표면은 반사성이 있다. 두께가 20 nm일 때 리튬은 면적 밀도가 0.011 g/m2이다. 고성능 돛은 20 nm의 리튬 단독으로 만들 수 있다(방출 층 없음). 이는 우주에서 제작되어야 하며 태양에 접근하는 데 사용해서는 안 된다. 궁극적으로, 돛은 약 0.02 g/m2의 총 면적 밀도로 제작될 수 있으며, 이는 67의 가벼움 지수와 약 400 mm/s2의 ac를 제공한다. 마그네슘과 베릴륨 또한 고성능 돛에 잠재적인 재료이다. 이 3가지 금속은 서로 및 알루미늄과 합금될 수 있다.

알루미늄은 반사층으로 흔히 사용된다. 일반적으로 두께는 최소 20nm이며, 반사율은 0.88에서 0.90이다. 크롬은 태양 반대편 면의 방출층으로 좋은 선택이다. 플라스틱 필름 위에 5~20nm 두께로 증착하면 0.63에서 0.73의 방사율 값을 쉽게 얻을 수 있다. 사용 가능한 방사율 값은 얇은 막 효과가 지배적이기 때문에 경험적이다; 재료 두께가 방출 파장보다 훨씬 얇기 때문에 벌크 방사율 값은 이러한 경우에 적용되지 않는다.[61]

5. 돛 제작 및 운용

능동적인 자세 제어 시스템(ACS)은 돛단배가 원하는 방향을 달성하고 유지하는 데 필수적이다. 필요한 돛의 방향은 행성 간 공간에서 천천히 변하지만, 행성 궤도에서는 훨씬 더 빠르게 변한다. ACS는 이러한 방향 요구 사항을 충족할 수 있어야 한다. 자세 제어는 우주선의 압력 중심과 질량 중심 사이의 상대적인 이동을 통해 달성되며, 제어 날개, 개별 돛의 움직임, 제어 질량의 움직임 또는 반사율 변경으로 이를 수행할 수 있다.

일정한 자세를 유지하려면 ACS가 우주선에 순 토크 0을 유지해야 한다. 돛에 가해지는 총 힘과 토크는 궤적을 따라 일정하지 않다. 힘은 태양과의 거리와 돛의 각도에 따라 변하며, 이는 돛의 부풀림을 변화시키고 지지 구조의 일부 요소를 편향시켜 돛의 힘과 토크 변화를 초래한다.[28]

돛의 온도 또한 태양과의 거리와 돛의 각도에 따라 변하며, 이는 돛의 치수를 변화시킨다. 돛에서 나오는 복사열은 지지 구조의 온도를 변화시키며, 이 두 요인은 모두 총 힘과 토크에 영향을 준다. 따라서 원하는 자세를 유지하기 위해 ACS는 이러한 모든 변화를 보상해야 한다.[28]

지구 궤도에서 태양 압력과 항력 압력은 일반적으로 고도 약 800km에서 같아지므로, 돛단배는 그 고도 이상에서 작동해야 한다. 돛단배는 회전율이 궤도와 호환되는 궤도에서 작동해야 하며, 이는 일반적으로 회전 디스크 구성에서만 문제가 된다.

돛의 작동 온도는 태양과의 거리, 돛의 각도, 반사율, 앞면과 뒷면의 방사율에 따라 달라진다. 돛은 온도가 재료의 한계를 유지하는 곳에서만 사용할 수 있으며, 일반적으로 태양 가까이(약 0.25AU 부근)에서 사용하거나, 이러한 조건을 위해 신중하게 설계된 경우 더 가까이 사용할 수 있다.

궤도에 있는 코스모스 1형 우주선의 예술적 묘사


2010년에 발사된 IKAROS는 최초의 실용적인 태양 돛 우주선이었다. 2015년 현재에도 추진력을 유지하여 장기간 임무에 태양 돛의 실용성을 입증했다.[51] 이 우주선은 회전 방식으로 전개되며, 정사각형 돛의 모서리에 질량체가 있다. 돛은 증착된 알루미늄으로 코팅된 얇은 폴리이미드 필름으로 만들어졌으며, 전기적으로 제어되는 액정 패널로 조종한다. 돛이 천천히 회전하고, 이 패널이 켜지고 꺼지면서 우주선의 자세를 제어한다. 켜지면 빛을 확산시켜 돛의 해당 부분으로의 운동량 전달을 줄이고, 꺼지면 돛이 더 많은 빛을 반사하여 더 많은 운동량을 전달한다. 이러한 방식으로 돛을 조종한다.[52] 얇은 필름 태양 전지도 돛에 통합되어 우주선에 전력을 공급한다. 이 설계는 매우 신뢰성이 높은데, 대형 돛에 선호되는 회전 배치가 돛을 펼치는 메커니즘을 단순화하고 LCD 패널에 움직이는 부품이 없기 때문이다.

낙하산은 질량이 매우 적지만, 태양 돛에는 실용적인 구성이 아니다. 분석 결과에 따르면 낙하산 구성은 쉬라우드 라인에 의해 가해지는 힘으로 인해 붕괴될 것이며, 방사 압력은 공기역학적 압력처럼 작용하지 않아 낙하산을 열린 상태로 유지하지 못할 것이다.[53]

지상 조립 가능한 전개형 구조물에 대한 가장 높은 추력 대 질량 설계는 돛의 어두운 쪽에 마스트와 가이선이 있는 정사각형 돛이다. 일반적으로 돛의 모서리를 펼치는 4개의 마스트와 가이 와이어를 지지하는 중앙의 마스트가 있다. 가장 큰 장점 중 하나는 주름이나 처짐으로 인해 장비에 핫스팟이 없고 돛이 구조물을 태양으로부터 보호한다는 것이다. 따라서 이 형태는 최대 추력을 위해 태양에 가까이 갈 수 있다. 대부분의 설계는 스파 끝에 있는 작은 움직이는 돛으로 조종한다.[54]



1970년대에 JPL은 핼리 혜성과의 랑데부를 위한 임무를 위해 많은 회전 블레이드 및 링 돛을 연구했다. 의도는 각운동량을 사용하여 구조물을 강화하고, 지지대가 필요 없게 하여 질량을 절약하는 것이었다. 모든 경우에, 동적 하중을 처리하기 위해 놀랍도록 많은 양의 인장 강도가 필요했다. 약한 돛은 돛의 자세가 변경될 때 잔물결이 생기거나 진동할 것이고, 그 진동이 추가되어 구조적 고장을 일으킬 것이다. 실용적인 설계 간의 추력 대 질량 비율의 차이는 거의 없었고, 정적 설계가 제어하기 더 쉬웠다.[54]

JPL의 참조 설계는 "헬리오자이로"라고 불렸다. 이 설계는 롤러에서 전개되어 회전하면서 원심력에 의해 유지되는 플라스틱 필름 블레이드를 가지고 있었다. 우주선의 자세와 방향은 헬리콥터의 사이클릭 및 집합 피치와 유사하게 다양한 방식으로 블레이드의 각도를 변경하여 완전히 제어되었다. 이 설계는 정사각형 돛에 비해 질량적 이점이 없었지만, 돛을 전개하는 방식이 지지대 기반 설계보다 더 간단했기 때문에 매력적이었다.[54] 큐브세일 (울트라세일)은 헬리오자이로 돛을 전개하는 것을 목표로 하는 활성 프로젝트이다.

헬리오자이로 설계는 헬리콥터의 블레이드와 유사하다. 이 설계는 돛의 경량 원심 경화로 인해 제조가 더 빠르다. 또한 블레이드가 가볍고 길기 때문에 비용과 속도 측면에서 매우 효율적이다. 정사각형 및 회전 디스크 설계와 달리 헬리오자이로는 블레이드가 릴에 압축되어 있기 때문에 전개하기가 더 쉽다. 블레이드는 우주선에서 배출된 후 전개될 때 굴러 나온다. 헬리오자이로가 우주를 통과하면서 시스템은 원심 가속도로 인해 회전한다. 마지막으로, 우주 비행을 위한 페이로드는 무게 분배를 균등하게 하여 안정적인 비행을 보장하기 위해 무게 중심에 배치된다.[54]

JPL은 또한 회전하는 우주선의 가장자리에 부착된 패널인 "링 돛"(위 다이어그램의 회전 디스크 돛)도 조사했다. 패널에는 총 면적의 약 1~5% 정도의 작은 간격이 있을 것이다. 선은 한 돛의 가장자리에서 다른 돛의 가장자리로 연결될 것이다. 이러한 선의 중간에 있는 질량은 방사 압력으로 인한 원추형에 대해 돛을 팽팽하게 당길 것이다. JPL 연구원들은 이것이 대형 유인 구조물에 매력적인 돛 설계가 될 수 있다고 말했다. 특히 내부 링은 화성 표면의 중력과 대략 같은 인공 중력을 갖도록 만들 수 있다.[54]

태양 돛은 고이득 안테나로서 이중 기능을 수행할 수 있다.[55] 설계는 다르지만, 대부분은 금속화 패턴을 수정하여 관심 있는 전파 주파수, 즉 가시광선을 포함한 홀로그래픽 단색 렌즈 또는 거울을 만든다.[55]

Advanced Composite Solar Sail System (ACS3)의 태양 돛 전개 렌더링


2010년 제61회 국제 우주 대회에서 IKAROS의 모형


2010년 5월 21일, 일본 우주 항공 연구 개발 기구(JAXA)는 세계 최초의 행성간 비행 태양 돛 우주선 "IKAROS(이카로스)"(태양 복사에 의해 가속되는 행성간 연)를 금성으로 발사했다.[71] 이는 빛의 힘만으로 완전히 추진되는 최초의 진정한 태양 돛 우주선이었으며,[73][74] 태양 돛 비행에 성공한 최초의 우주선이었다.[75]

JAXA는 2010년에 IKAROS를 성공적으로 시험했다. 목표는 돛을 펼치고 제어하며, 빛의 압력으로 인해 발생하는 미세한 궤도 섭동을 처음으로 결정하는 것이었다. 궤도 결정은 IKAROS가 금성으로의 이동 궤도로 들어간 후 분리된 근처의 아카츠키 탐사선에 의해 이루어졌다. 6개월 간의 비행에서 총 효과는 100 m/s였다.[76]

IKAROS는 두께의 폴리이미드 시트로 만들어진 대각선 회전 사각형 돛 14×14 m (196 m2)를 가지고 있다. 폴리이미드 시트의 질량은 제곱미터당 약 10그램이었다. 박막 태양 전지가 돛에 내장되어 있으며, 8개의 액정 디스플레이(LCD) 패널이 돛에 내장되어 있어 이들의 반사율을 조정하여 우주선 자세 제어를 할 수 있다.[81][82] IKAROS는 금성까지 6개월을 여행한 후 태양 반대편으로 3년의 여정을 시작했다.[83]

5. 1. 돛 제작

돛을 펴고 있는 버팀대를 보여주는 0.5km 태양 돛 (광원이 없는 쪽 방향의 나사(NASA) 이미지)

5. 2. 궤도 변경

메신저 탐사선은 수성 궤도를 돌면서 태양 전지판에 작용하는 빛의 압력을 사용하여 미세한 궤도 수정을 수행했다.[34] 태양 전지판의 각도를 조절하여 태양 복사 압력의 양을 변화시킴으로써 추진제를 절약했다.

태양 돛은 돛 각도를 설정하여 안쪽 또는 바깥쪽으로 나선형으로 움직일 수 있다


행성 간 궤도에서 항해 운용은 고도 변화가 낮은 속도로 이루어진다. 바깥쪽 궤적은 돛의 힘 벡터를 태양선보다 앞으로 향하게 하여 궤도 에너지와 각운동량을 증가시켜 태양에서 멀어지게 한다. 안쪽 궤적은 돛의 힘 벡터를 태양선 뒤쪽에 위치시켜 궤도 에너지와 각운동량을 감소시켜 태양으로 이동하게 한다. 궤도 경사각을 변경하려면 힘 벡터를 속도 벡터 평면 밖으로 회전시켜야 한다.

행성 또는 다른 천체 주위의 궤도에서는 돛이 힘 벡터가 속도 벡터를 따라 성분을 갖도록, 바깥쪽 나선형 궤도의 경우 운동 방향으로, 안쪽 나선형 궤도의 경우 운동 방향과 반대 방향으로 향하도록 한다. 궤적 최적화는 종종 추력이 감소하거나 없는 구간을 필요로 할 수 있는데, 이는 돛을 적절한 각도로 설정하여 추력을 줄이거나 제거함으로써 달성할 수 있다.

태양 근접 통과는 우주선의 에너지를 증가시키는 데 사용될 수 있다. 이는 태양계 외곽으로 항해하는 데 필요한 에너지를 증가시킨다. 별에 도착하는 돛 우주선은 근접 통과를 사용하여 에너지를 줄일 수 있으며, 이는 태양계 외곽으로부터 귀환하는 돛 우주선에도 적용된다.

달 스윙바이는 지구를 출발하거나 지구에 도착하는 궤적에 중요한 이점을 가질 수 있다. 스윙바이는 또한 지구에 대한 유리한 출발 또는 도착 방향을 얻는 데 사용될 수 있다. 행성 스윙바이는 코스팅 우주선에서 하는 것과 유사하게 사용될 수 있지만, 궤도의 전반적인 최적화 요구 사항으로 인해 좋은 정렬이 존재하지 않을 수 있다.[63]

5. 3. 스윙바이 기동

태양 근접 통과는 우주선의 에너지를 증가시키는 데 사용될 수 있다. 증가된 복사 압력은 태양의 중력 우물 깊숙이 들어가는 것의 효과와 결합되어 태양계 외곽으로 항해하는 데 필요한 에너지를 실질적으로 증가시킨다. 태양에 대한 최적의 접근은 에너지 수준을 실용적으로 최대한 높게 유지하면서 궤도 이심률을 증가시키는 방식으로 이루어진다. 최소 접근 거리는 돛의 각도, 돛과 기타 구조물의 열적 특성, 구조물에 가해지는 하중 효과, 돛의 광학적 특성(반사율 및 방사율)의 함수이다. 근접 통과는 실질적인 광학적 열화를 초래할 수 있다. 필요한 회전율은 근접 통과 시 실질적으로 증가할 수 있다. 별에 도착하는 돛 우주선은 근접 통과를 사용하여 에너지를 줄일 수 있으며, 이는 태양계 외곽으로부터 귀환 여행을 하는 돛 우주선에도 적용된다.[63]

달 스윙바이는 지구를 출발하거나 지구에 도착하는 궤적에 중요한 이점을 가질 수 있다. 이는 특히 돛에 하중이 많이 실린 경우 여행 시간을 단축할 수 있다. 스윙바이는 또한 지구에 대한 유리한 출발 또는 도착 방향을 얻는 데 사용될 수 있다.[63]

행성 스윙바이는 코스팅 우주선에서 하는 것과 유사하게 사용될 수 있지만, 궤도의 전반적인 최적화 요구 사항으로 인해 좋은 정렬이 존재하지 않을 수 있다.[63]

6. 활용 분야

태양 돛단배의 잠재적 활용 분야는 태양계 전체에 걸쳐 있으며, 태양 근처에서부터 해왕성 너머의 혜성 구름까지 다양하다. 이 돛단배는 화물을 운송하거나 목적지에서 정지 궤도를 유지하기 위해 원거리 항해를 할 수 있으며, 화물 운송뿐만 아니라 인적 왕래에도 활용될 수 있다.[2]

''코스모스 1''과 나노세일-D (약 23cm x 23cm x 34cm)가 발사에 실패했음에도 불구하고, 전 세계의 과학자와 엔지니어들은 여전히 태양광 돛단배 연구를 계속하고 있다. 지금까지 제작된 대부분의 직접적인 응용 분야는 돛을 저렴한 화물 운송 수단으로 사용하려는 것이지만, 일부 과학자들은 태양광 돛단배를 인간 수송 수단으로 사용할 가능성을 연구하고 있다. 유인 우주 비행을 위한 태양광 돛단배 개발은 아직 초기 단계에 있으며, 매우 큰 (1km2 이상) 우주 공간의 표면 관리 및 돛 제작 기술 발전에 크게 의존한다.

6. 1. 행성 간 탐사

태양광 돛은 지구와 다른 행성 간의 궤도 이동에 효율적이다. 특히, 화성 탐사 임무에서 물자 수송 비용을 절감할 수 있다. 제롬 라이트에 따르면, "유인 임무를 위해 필요한 기존 추진제를 지구에서 발사하는 비용은 막대하다. 돛단배를 사용하면 임무 비용을 100억달러 이상 절약할 수 있다."[2]

태양 돛 우주선은 관측 탑재체를 전달하거나 궤도를 유지하기 위해 태양에 접근할 수 있으며, 0.25 AU 또는 그보다 가까운 거리에서 운용할 수 있다. 극궤도를 포함하여 높은 궤도 경사각에 도달할 수 있다.

태양 돛은 모든 내부 행성을 오갈 수 있다. 수성과 금성으로의 여행은 탑재체의 랑데부 및 궤도 진입을 위한 것이며, 화성으로의 여행은 공기 제동을 위한 탑재체 방출과 함께 랑데부 또는 스윙 바이를 위해 이루어질 수 있다.[2]

돛 크기
(m)		수성 랑데부금성 랑데부화성 랑데부화성 공기 제동
일톤일톤일톤일톤
800
(σ = 5 g/m2
화물 제외)		6009200140021312
90019270550052005
120028700933810
2000
(σ = 3 g/m2
화물 제외)		60066200174002313120
900124270365004020040
12001847006633870



목성, 토성 등 외행성으로의 최소 이동 시간은 간접 이동(태양 스윙바이)을 사용하면 이점을 얻을 수 있지만, 이 방법은 높은 도착 속도를 초래한다. 더 느린 이동은 더 낮은 도착 속도를 갖는다.

지구에 상대적인 출발 속도가 없는 1mm2의 ''ac''에 대해 목성까지의 최소 이동 시간은 간접 이동(태양 스윙바이)을 사용할 때 2년이며, 도착 속도(''V''∞)는 약 17km/s에 가깝다. 토성의 경우, 최소 여행 시간은 3.3년이며, 도착 속도는 거의 19km/s이다.[2]

외행성까지의 최소 시간 (''ac'' = 1mm2)
   목성    토성    천왕성    해왕성  
시간 (년)2.03.35.88.5
속도 (km/s)17192020


6. 2. 태양 관측

태양 돛 우주선은 관측 탑재체를 전달하거나 궤도를 유지하기 위해 태양에 접근할 수 있다. 0.25 AU 또는 그보다 가까운 거리에서 운용할 수 있으며, 극궤도를 포함하여 높은 궤도 경사각에 도달할 수 있다.[2]

로버트 L. 포워드는 태양광 돛단배가 지구 주위 위성의 궤도를 수정하는 데 사용될 수 있다고 언급했다. 극단적인 경우, 돛은 위성을 지구의 한 극 상공에 "정지"시키는 데 사용될 수 있다. 태양광 돛을 장착한 우주선은 또한 태양 또는 지구에 대해 정지된 상태로 가까운 궤도에 배치될 수 있는데, 이는 포워드가 "스타테이트"라고 명명한 위성 유형이다. 이는 돛이 제공하는 추진력이 태양의 중력 인력을 상쇄하기 때문에 가능하다. 이러한 궤도는 장기간 동안 태양의 특성을 연구하는 데 유용할 수 있다.[32]

지구 에너지 불균형을 측정하기 위해 돛 역할을 하도록 설계된 일련의 위성이 제안되었는데, 이는 행성의 지구 온난화 속도를 측정하는 가장 기본적인 척도이다. 최첨단 가속도계는 각 위성의 반대쪽에서 들어오는 태양 방사선과 나가는 열 복사 사이의 압력 차이 변화를 측정할 것이다. 측정 정확도는 소형 방사선 측정 감지기로 달성할 수 있는 것보다 더 우수할 것으로 예상된다.[33]

태양 근접 통과는 우주선의 에너지를 증가시키는 데 사용될 수 있다. 증가된 복사 압력은 태양의 중력 우물 깊숙이 들어가는 것의 효과와 결합되어 태양계 외곽으로의 항해에 필요한 에너지를 실질적으로 증가시킨다. 태양에 대한 최적의 접근은 에너지 수준을 실용적으로 최대한 높게 유지하면서 궤도 이심률을 증가시키는 방식으로 이루어진다. 최소 접근 거리는 돛의 각도, 돛과 기타 구조물의 열적 특성, 구조물에 가해지는 하중 효과, 돛의 광학적 특성(반사율 및 방사율)의 함수이다. 근접 통과는 실질적인 광학적 열화를 초래할 수 있다. 필요한 회전율은 근접 통과 시 실질적으로 증가할 수 있다. 별에 도착하는 돛 우주선은 근접 통과를 사용하여 에너지를 줄일 수 있으며, 이는 태양계 외곽으로부터의 귀환 여행을 하는 돛 우주선에도 적용된다.[63]

2019년 8월, NASA는 ''솔라 크루저'' 팀에 9개월간의 임무 개념 연구를 위해 40만달러를 지원했다. 이 우주선은 1672m2의 태양 돛을 갖추고 극궤도로 태양을 공전하며, 코로나그래프 장비는 태양의 자기장 구조와 코로나 질량 방출의 속도를 동시에 측정할 수 있게 해 줄 것이다.[116] 추가 개발이 승인되었다면 2025년에 발사될 예정이었으나, ''솔라 크루저''는 개발 주기의 C단계로 진입하는 것이 승인되지 않아 이후 중단되었다.[117]

6. 3. 소행성 및 혜성 탐사

큐브샛 태양 돛 우주선 NEA Scout 컨셉


태양광 돛은 소행성이나 혜성에 접근하여 탐사 임무를 수행할 수 있다. 근지구 소행성 탐사선(NEA Scout)과 같은 소행성 탐사 임무가 계획되었다.[96]

근지구 소행성 탐사선(NEA Scout)은 미국 항공우주국(NASA)의 마셜 우주 비행 센터(MSFC)와 제트 추진 연구소(JPL)가 공동 개발한 임무로, 근지구 소행성(NEA)을 탐사할 수 있는 제어 가능한 저비용 큐브샛 태양 돛 우주선이다.[96] 7m 붐 4개가 펼쳐져 83m2 알루미늄 폴리이미드 태양 돛을 펼치도록 되어 있었다.[97][98][99] 2015년, NASA는 NEA Scout을 우주 발사 시스템(SLS)의 첫 비행인 아르테미스 1호에 탑재될 여러 보조 탑재체 중 하나로 선정했다.[100] 그러나 2022년 발사 직후 통신이 두절되면서 이 우주선은 손실된 것으로 간주되었다.[101]

6. 4. 오르트 구름 탐사

태양 돛은 장기적으로 오르트 구름까지 도달하여 탐사할 수 있다.[30] 이러한 임무는 이동 중에 유용한 천체 물리학적 관측을 수행하고, 중력 초점 기술을 탐구하며, 은하 기원이 아닌 태양 기원의 입자와 그 지역의 장을 탐구하면서 오르트 구름 물체를 이미징할 수 있다.[30] 베릴륨으로 만들어진 팽창형 돛은 30년 안에 내부 오르트 구름에 도달할 수 있다고 제안되었다.[30]

6. 5. 인공위성 궤도 유지 및 제거

로버트 L. 포워드는 태양광 돛단배가 지구 주위 위성의 궤도를 수정하는 데 사용될 수 있다고 언급했다. 극단적인 경우, 돛은 위성을 지구의 한 극 상공에 "정지"시키는 데 사용될 수 있다. 태양광 돛을 장착한 우주선은 또한 태양 또는 지구에 대해 정지된 상태로 가까운 궤도에 배치될 수 있는데, 이는 포워드가 "스타테이트"라고 명명한 위성 유형이다.[32] 이는 돛이 제공하는 추진력이 태양의 중력 인력을 상쇄하기 때문이다.

마찬가지로 태양광 돛을 장착한 우주선은 행성의 중력에 대응하는 데 필요한 적절한 각도로 돛을 기울여 지구와 같은 행성의 극 태양 종결자 바로 위에 거의 정지된 상태로 유지될 수 있다.[32] 로버트 주브린은 저서 ''화성 탐사: 그럴 만한 이유''에서 거대한 스타테이트가 화성의 극 종결자 근처에 배치되어 반사된 태양빛을 화성 극지방의 얼음 덮개 중 하나에 집중시켜 행성의 대기를 상당히 따뜻하게 할 수 있다고 지적했다.

소형 태양광 돛단배는 지구 궤도에서 소형 인공 위성의 궤도 이탈을 가속화하기 위해 제안되었다. 저궤도에 있는 위성은 돛에 가해지는 태양 압력과 증가된 대기 항력의 조합을 사용하여 위성의 대기 재진입을 가속화할 수 있다.[118] 크랜필드 대학교에서 개발된 궤도 이탈 돛은 2014년에 발사된 영국의 위성 TechDemoSat-1의 일부이다. 이 돛은 2019년 5월, 위성의 5년 수명이 다한 후 펼쳐졌다.[43] 이 돛의 목적은 약 25년의 기간 동안 위성을 궤도 밖으로 내보내는 것이다.[44]

NASA는 2010년 11월 19일 두 번째 NanoSail-D 유닛을 발사했다. 이 미션의 목표는 돛 배치 기술을 시험하고, 태양광 돛단배를 죽은 위성과 우주 파편을 궤도에서 제거하는 간단하고 "수동적인" 수단으로 사용하는 것에 대한 데이터를 수집하는 것이었다.[87] NanoSail-D 구조는 알루미늄과 플라스틱으로 만들어졌으며, 돛은 약 약 9.29m2의 광을 포착하는 표면을 가지고 있다. 초기 배치에 약간의 문제가 있었지만, 태양광 돛단배는 배치되었고 240일간의 미션 동안 수동형 궤도 제거 장치로서의 태양광 돛단배 사용에 관한 "풍부한 데이터"를 생성했다고 보고되었다.[88]

실험용 태양광 돛단배 NanoSail-D 사진

6. 6. 성간 비행

로버트 포워드는 레이저 또는 메이저를 사용하여 거대한 돛을 광속의 상당한 비율까지 밀어 올리는 두 가지 빔 추진 방식을 제안했다.[35] 포워드는 SF 소설 ''로쉬월드''에서 초강력 레이저로 추진되는 광자 돛을 묘사했는데, 우주선이 목적지에 가까워지면 돛의 바깥 부분이 분리되어 바깥 돛이 레이저를 다시 초점을 맞춰 더 작은 안쪽 돛으로 반사하는 방식으로 목적지 항성계에서 우주선을 멈추기 위한 제동 추력을 제공한다.

이러한 빔 추진 방식은 모두 엄청난 기술적 난제를 안고 있다. 레이저는 기가와트 수준의 강도로 수년 동안 지속적으로 작동해야 하는데, 이를 해결하기 위해 포워드는 수성이나 그 근처에 거대한 태양 전지판 배열을 건설해야 한다고 주장했다. 또한 레이저가 돛에 집중되도록 하기 위해 행성 크기의 거울 또는 프레넬 렌즈를 태양에서 수십 천문 단위 떨어진 곳에 배치해야 하며, 거대한 제동 돛은 제동 빔을 안쪽 "감속" 돛에 집중시키기 위한 정밀 거울 역할을 해야 한다.

잠재적으로 더 쉬운 접근 방식은 가시광선보다 마이크로파 복사 조작이 약간 더 쉽기 때문에 돛에 직접 향하는 마이크로파의 파장과 동일한 간격의 와이어 메쉬로 구성된 "태양 돛"을 구동하기 위해 메이저를 사용하는 것이다. 가상의 "스타위스프" 성간 탐사선 설계[36][37]는 가시광선 대신 마이크로파를 사용하여 추진력을 얻을 것이다. 메이저는 파장이 더 길기 때문에 광학 레이저보다 더 빠르게 확산되므로 유효 범위가 크지 않을 것이다. 메이저는 또한 마이크로파 복사에 의해 닿았을 때 증발하도록 설계된 화학 물질 층으로 코팅된 기존 돛인 채색된 태양 돛을 구동하는 데에도 사용될 수 있는데,[38] 이러한 증발에 의해 생성된 운동량은 경량 절제 레이저 추진의 한 형태로 태양 돛에 의해 생성된 추력을 상당히 증가시킬 수 있다.

원거리 태양 돛에 에너지를 더 집중시키기 위해 포워드는 대형 구면대로 설계된 렌즈를 제안했는데, 이 렌즈는 레이저 또는 메이저와 우주선 사이에 배치될 것이다.[35] 또 다른 현실적인 접근 방식은 태양의 빛을 사용하여 우주선을 가속하는 것이다.[39] 우주선은 먼저 태양에 가깝게 통과하도록 궤도에 진입하여 돛에 대한 태양 에너지 입력을 최대화한 다음, 태양의 빛을 사용하여 시스템에서 멀리 가속하기 시작한다. 가속은 태양으로부터의 거리의 제곱에 반비례하여 감소하며, 어느 정도 거리를 벗어나면 우주선은 더 이상 가속하기에 충분한 빛을 받지 못하지만 최종 속도를 유지할 것이다. 목표 별에 접근하면 우주선은 돛을 목표 별을 향해 돌리고 목적지 별의 바깥쪽 압력을 사용하여 감속을 시작할 수 있다. 로켓은 태양 추력을 보조할 수 있다.

유사한 태양 돛 발사 및 포획은 다른 태양계에서 생명체를 확장하기 위한 지향적 범종설에 대해 제안되었다. 0.1 g/m2의 유효 면적 밀도와 0.1 μm 두께의 얇은 돛, 그리고 약 1제곱킬로미터 크기의 얇은 태양 돛 차량을 사용하여 10 kg의 페이로드를 운반하는 태양 돛으로 광속의 0.05% 속도를 얻을 수 있다. 또는, 42 cm 반지름의 태양 돛에 1 mm 캡슐 떼를 발사하여 각각 1억 개의 극호성 미생물 캡슐 10,000개를 운반하여 다양한 목표 환경에 생명체를 뿌릴 수 있다.[40][41] 이론 연구에 따르면 태양 돛이 초신성을 활용하면 상대론적 속도가 가능하다.[42]

지구 기반 레이저로 추진되는 광자 돛의 예술적 묘사


다음 표는 물리학자 로버트 L. 포워드가 제안한 빔 레이저 추진을 사용하는 몇 가지 예시 개념을 보여준다.[64]

임무레이저 출력차량 질량가속도돛 지름최대 속도 (광속의 %)
1. 통과 비행 – 알파 센타우리, 40년
출발 단계65 GW1 t0.036 g3.6 km11% @ 0.17 광년
2. 랑데부 – 알파 센타우리, 41년
출발 단계7,200 GW785 t0.005 g100 km21% @ 4.29 광년
감속 단계26,000 GW71 t0.2 g30 km21% @ 4.29 광년
3. 유인 – 엡실론 에리다니, 51년 (별 시스템 탐사 5년 포함)
출발 단계75,000,000 GW78,500 t0.3 g1000 km50% @ 0.4 광년
감속 단계21,500,000 GW7,850 t0.3 g320 km50% @ 10.4 광년
귀환 단계710,000 GW785 t0.3 g100 km50% @ 10.4 광년
감속 단계60,000 GW785 t0.3 g100 km50% @ 0.4 광년



이름이동 시간
(년)		거리
(광년)		광도
(L☉)
시리우스 A68.908.5824.20
α 센타우리 A101.254.361.52
α 센타우리 B147.584.360.50
프로키온 A154.0611.446.94
베가167.3925.0250.05
알타이르176.6716.6910.70
포말하우트 A221.3325.1316.67
데네볼라325.5635.7814.66
카스토르 A341.3550.9849.85
엡실론 에리다니363.3510.500.50


  • α 센타우리 A와 B에서 연이은 보조를 통해 두 별까지의 이동 시간을 75년으로 단축할 수 있다.
  • 광선 돛은 명목상 그래핀급 돛에 대해 8.6×10−4 g m−2의 공칭 질량 대 표면적 비율(σnom)을 갖는다.
  • 광선 돛의 면적은 약 105 m2 = (316 m)2이다.
  • 최대 속도는 37,300 km s−1 (광속의 12.5%)이다.[65]

7. 진행 및 완료된 프로젝트

태양 돛 연구는 미국 항공 우주국(NASA)을 중심으로 세계 각국에서 진행되고 있다.

태양 돛의 실용화 계획 코스모스 1호


행성 협회는 코스모스 1호를 통해 태양 돛 실증을 시도했으나 로켓 문제로 실패했다. 이후 라이트세일 1호로 돛 전개에 성공하고, 라이트세일 2호로 태양 돛 실증에 성공했다.

NASA는 나노세일 D를 발사했으나 로켓 문제로 실패했고, 2010년 나노세일 D2를 통해 돛 전개에 성공했다. 2015년 발사 예정이었던 실증기는 개발 난항으로 취소되었으며, 2020년에는 소형 탐사기 NEA Scout가 계획되었다.

일본 우주 항공 연구 개발 기구(JAXA)는 2004년 8월, 대형 박막 전개 실험에 성공했다. 2010년 5월 발사된 IKAROS는 세계 최초로 솔라 세일에 의한 광자 가속을 실증하고, 금성 플라이바이에 성공했다.

영국은 CubeSail을 개발하여 2014년 말 발사를 계획했다. ESA는 2014년 가을부터 ESTCube-1을 이용해 전기식 솔라 세일 시험을 진행하고 있다.

7. 1. 자세 제어

메신저 탐사선은 수성 궤도를 돌면서 태양 전지판에 작용하는 빛의 압력을 사용하여 수성으로 가는 동안 미세한 궤도 수정을 수행했다.[34] 태양 전지판의 각도를 태양에 상대적으로 변경함으로써, 태양 복사 압력의 양을 변화시켜 추진기를 사용하는 것보다 더 섬세하게 우주선의 궤도를 조정했다. 사소한 오류는 중력 보조 기동에 의해 크게 증폭되므로, 복사 압력을 사용하여 매우 작은 수정을 수행하면 많은 양의 추진제를 절약할 수 있었다.

마리너 10호와 MESSENGER 임무는 자세 제어 추진제를 절약하기 위해 자세 제어 방법으로 태양 압력을 사용했다.

하야부사 역시 고장난 반작용 휠과 화학 추진기를 보상하기 위한 자세 제어 방법으로 태양 전지판에 태양 압력을 사용했다.

MTSAT-1R (다기능 수송 위성)의 태양 돛은 태양 전지판에 가해지는 햇빛 압력에 의해 발생하는 토크에 대응한다. 태양 전지판의 트림 탭은 토크 균형을 미세하게 조정한다.

7. 2. 지상 전개 시험

NASA는 진공 챔버에서 소형 돛 전개 기술을 시험했다.[66] 1999년에는 독일항공우주센터(DLR)/유럽우주국(ESA)에서 태양광 돛의 실물 크기 전개 시험이 지상에서 진행되었다.[67]

7. 3. 준궤도 시험

행성 협회의 코스모스 1호는 발사 로켓 문제로 궤도에 진입하지 못하고 실패했다.[62]

일본 우주 항공 연구 개발 기구(JAXA)는 2004년 8월, 직경 10m, 두께 7.5μm의 폴리이미드 필름으로 만든 대형 박막을 우주 공간에서 펼치는 실험에 성공했다.

7. 4. Znamya 2

1993년 2월 4일, 러시아는 미르 우주 정거장에서 20미터 폭의 알루미늄 마일러 반사판인 즈나먀 2를 성공적으로 전개했다. 이것은 원심력을 이용해 우주에서 성공적으로 전개된 최초의 얇은 필름 반사경이었다.[70] 전개는 성공했지만 추진력은 시연되지 않았다.

즈나먀-2 (Знамя-2) 전개 후

7. 5. IKAROS (2010)

2010년 5월 21일, 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)는 세계 최초로 행성간 비행 태양광 돛 우주선 "IKAROS(이카로스)"(태양 복사에 의해 가속되는 행성간 연)를 금성으로 발사했다.[71] 이는 빛의 힘만으로 완전히 추진되는 최초의 진정한 태양광 돛 우주선이었으며,[73][74] 태양광 돛 비행에 성공한 최초의 우주선이었다.[75]

JAXA는 2010년에 IKAROS를 성공적으로 시험했다. 목표는 돛을 펼치고 제어하며, 빛의 압력으로 인해 발생하는 미세한 궤도 섭동을 처음으로 결정하는 것이었다. 궤도 결정은 IKAROS가 금성으로의 이동 궤도로 들어간 후 분리된 근처의 아카츠키 탐사선에 의해 이루어졌다. 6개월 간의 비행에서 총 효과는 100 m/s였다.[76]

2010년 5월 21일, JAXA는 IKAROS 우주선을 발사했으며, 6월 10일 200 m2의 폴리이미드 실험 태양광 돛을 펼쳤다.[77][78][79] 7월에는 복사에 의한 가속 시연을 위한 다음 단계가 시작되었다. 7월 9일, IKAROS가 태양으로부터 복사를 수집하고 IKAROS와 지구 사이의 상대 가속 속도 데이터 외에 새롭게 계산된 RARR(범위 및 범위 속도)를 통해 IKAROS의 궤도를 결정하여 광자 가속이 시작되었음이 확인되었다. 이는 도플러 효과가 활용되기 전부터 사용되었다.[80] 데이터는 IKAROS가 돛을 펼친 6월 3일부터 태양광 돛 항해를 해온 것으로 나타났다.

IKAROS는 14×14 m (196 m2) 크기의 대각선으로 회전하는 사각형 돛을 가지고 있으며, 7.5μm 두께의 폴리이미드 시트로 만들어졌다. 폴리이미드 시트의 질량은 제곱미터당 약 10그램이었다. 박막 태양 전지가 돛에 내장되어 있다. 8개의 액정 디스플레이(LCD) 패널이 돛에 내장되어 있으며, 이들의 반사율은 우주선 자세 제어를 위해 조정할 수 있다.[81][82] IKAROS는 금성까지 6개월을 여행한 후 태양 반대편으로 3년의 여정을 시작했다.[83]

2010년 5월 21일, JAXA는 근(近) 행성까지 항행 가능한 실증기 IKAROS[134]를 H-IIA 로켓 17호기로, 금성 탐사선 아카츠키와 함께 발사했다. 이카로스의 돛은 한 변 약 14m의 정사각형으로 두께 7.5μm의 폴리이미드 수지막에 알루미늄을 증착한 것으로, 약 200제곱미터의 돛면의 10%에 박막 태양전지가 붙어있다. 직경 1.6m, 길이 1m, 무게 300kg의 본체를 중심으로 X자 모양으로 접어두고, 발사 후, 기체를 일시적으로 고속 회전시킴으로써 생기는 원심력을 이용하여 돛을 전개시키고, 그 후 천천히 회전시켜 돛의 형태를 유지시킨다.

2010년 6월 3일부터 돛(sail)의 전개를 시작하여, 6월 10일에 지구로부터의 거리 약 770만km에서, 돛의 전개 및 돛에 배치된 박막 태양전지로부터의 발전을 확인했다. 7월 초부터는 광자 가속 실증 단계로 이행하여, 7월 9일, IKAROS가 광자 가속을 하고 있는 것이 확인되었다. 12월 8일 16시 39분 (일본 시간), IKAROS는 금성으로부터 80,800km 지점을 통과하여, 금성 스윙바이를 성공시켰다. 솔라 세일에 의한 광자 가속을 실증하고, 솔라 세일로 다른 행성까지 비행한 것은, 모두 세계 최초이다.

7. 6. NanoSail-D2 (2010)



미국 항공우주국(NASA) 마셜 우주 비행 센터(마셜) 팀은 NASA 에임스 연구 센터 팀과 함께 NanoSail-D라는 태양광 돛단배 미션을 개발했다. 이 미션은 2008년 8월 3일 팰컨 1 로켓 발사 실패로 손실되었다.[84][85] 두 번째 백업 버전인 NanoSail-D2(때때로 단순히 NanoSail-D라고도 불림)는[86] 2010년 11월 19일 FASTSAT와 함께 미노타우르 IV에 탑재되어 발사되었으며, NASA가 저궤도에 배치한 최초의 태양광 돛단배가 되었다. 이 미션의 목표는 돛 배치 기술을 시험하고, 태양광 돛단배를 죽은 위성과 우주 파편을 궤도에서 제거하는 간단하고 "수동적인" 수단으로 사용하는 것에 대한 데이터를 수집하는 것이었다.[87] NanoSail-D 구조는 알루미늄과 플라스틱으로 만들어졌으며, 우주선의 질량은 약 4.54kg 미만이었다. 돛은 약 약 9.29m2의 광을 포착하는 표면을 가지고 있다. 초기 배치에 약간의 문제가 있었지만, 태양광 돛단배는 배치되었고 240일간의 미션 동안 수동형 궤도 제거 장치로서의 태양광 돛단배 사용에 관한 "풍부한 데이터"를 생성했다고 보고되었다.[88]

NASA는 2010년 11월 19일 미노타우르 IV에 FASTSAT 위성 내부에 수납된 두 번째 NanoSail-D 유닛을 발사했다. FASTSAT 마이크로위성에서의 배출 날짜는 2010년 12월 6일로 계획되었지만, 배치는 2011년 1월 20일에만 이루어졌다.[89]

7. 7. Planetary Society LightSail 프로젝트

행성 협회는 라이트세일-1과 라이트세일-2를 발사하여 돛 전개 및 태양광 추진 시험을 성공적으로 수행하였다.[92]

라이트세일-1은 2015년 5월 20일에 발사되어[94] 위성 시스템을 점검하는 테스트를 수행했다. 궤도 배치 고도가 낮아 실제 태양광 항해 시연은 이루어지지 않았다.

라이트세일-2는 2019년 6월 25일에 발사되어[95] 더 높은 저궤도에 배치되었다. 2019년 7월 23일에 태양 돛이 펼쳐졌으며,[95] 2022년 11월 17일에 대기권에 재진입했다.

7. 8. NEA Scout



미국 항공우주국(NASA)의 마셜 우주 비행 센터(MSFC)와 제트 추진 연구소(JPL)가 공동 개발한 근지구 소행성(NEA) 탐사용 저비용 큐브샛 태양광 돛 우주선이다.[96] 7m 크기의 붐 4개가 펼쳐져 83m2 크기의 알루미늄 폴리이미드 태양 돛을 펼치도록 설계되었다.[97][98][99] 2015년, NASA는 NEA Scout를 우주 발사 시스템(SLS)의 첫 비행인 아르테미스 1호에 탑재될 여러 보조 탑재체 중 하나로 선정했다고 발표했다.[100] 그러나 2022년 발사 직후 통신이 두절되면서 이 우주선은 손실된 것으로 간주되었다.[101]

7. 9. Advanced Composite Solar Sail System (ACS3)

미국 항공우주국(NASA)의 첨단 복합 태양 돛 시스템(ACS3)[102]은 미래의 소형 우주선을 위한 태양 돛 기술을 시연하는 장치이다.[103] 2019년 NASA의 큐브위성 발사 계획(CSLI)에 의해 ELaNa 프로그램의 일부로 발사되도록 선정되었다.[104]

ACS3는 12U(유닛)[105] 큐브위성 소형 위성(23cm x 23cm x 34cm, 16kg)으로, 반사율을 높이기 위해 한 면에 알루미늄으로 코팅하고 열 방출을 증가시키기 위해 다른 면에 크롬으로 코팅한 80m2의 사각형 폴리에틸렌 나프탈레이트 필름으로 구성된 태양 돛을 펼친다. 이 돛은 보관을 위해 말리는 4개의 7m 길이의 탄소 섬유 강화 폴리머 붐의 새로운 전개 시스템에 의해 유지된다.[106]

ACS3는 2024년 4월 23일 일렉트론 "시작되는 스웜" 임무에서 발사되었다. 5월 초 전개 후 지상 기지와의 성공적인 통신을 완료했다.[107] 태양 돛은 2024년 8월 29일 임무 운영자에 의해 성공적으로 작동하는 것으로 확인되었다.[108][109] 2024년 10월 25일 "... 굽은 지지대가 (ACS3가) 방향을 잃고 우주에서 통제 불능 상태로 회전하게 만들었다."[110]라고 보고되었다.

Advanced Composite Solar Sail System testing

8. 제안, 취소, 미선정된 프로젝트

선재머는 돛 기술의 가능성과 가치를 증명하기 위해 개발된 기술 시연용 돛단배였다.[111] 각 변이 38m인 정사각형 돛을 가지고 있어, 유효 면적이 1200m2에 달했다. 태양-지구 간 라그랑주 점 L1에서 지구로부터 150만 km 떨어진 곳에서 300만 km 떨어진 곳까지 이동할 예정이었다.[112] 2015년 1월에 팰컨 9에 탑재되어 발사될 예정이었으나,[113] 계약업체인 L'가드의 납품 능력에 대한 불확실성 때문에, 2014년 10월 NASA에 의해 취소되었다.[114]

OKEANOS는 JAXA가 제안한 트로이 소행성 탐사 임무 개념으로, 하이브리드 태양 돛을 추진에 사용할 예정이었다. 이 돛은 태양 전지판으로 덮여 이온 엔진에 전력을 공급할 계획이었다. 수집된 샘플은 직접 접촉하거나 고해상도 질량 분석기를 탑재한 착륙선을 사용하여 현장에서 분석할 예정이었고, 착륙선과 지구로 샘플을 가져오는 것도 연구 대상이었다.[115] OKEANOS 목성 트로이 소행성 탐사선은 ISAS에서 2020년대 후반에 발사될 두 번째 대형 임무 후보였으나, 선정되지 못했다.

8. 1. Sunjammer (2015)

선재머는 돛 기술의 생존 가능성과 가치를 증명할 목적으로 개발된 기술 시연용 돛단배이다.[111] ''선재머''는 각 변이 38m인 정사각형 돛을 가지고 있어, 유효 면적이 1200m2에 달했다. 이는 태양-지구 간 라그랑주 점 L1에서 지구로부터 1.5e6km 떨어진 곳에서 3e6km 떨어진 곳까지 이동할 예정이었다.[112] 이 시연은 2015년 1월에 팰컨 9에 탑재되어 발사될 예정이었다.[113] 이는 DSCOVR 기후 위성이 L1 지점에 배치된 후 방출되는 부차적인 탑재체였다.[113] 계약업체인 L'가드의 납품 능력에 대한 불확실성을 이유로, 이 임무는 2014년 10월 NASA에 의해 취소되었다.[114]

8. 2. OKEANOS

OKEANOS는 JAXA가 제안한 트로이 소행성 탐사 임무 개념으로, 하이브리드 태양 돛을 추진에 사용할 예정이었다. 이 돛은 태양 전지판으로 덮여 이온 엔진에 전력을 공급할 계획이었다. 수집된 샘플은 직접 접촉하거나 고해상도 질량 분석기를 탑재한 착륙선을 사용하여 현장에서 분석할 예정이었다. 착륙선과 지구로 샘플을 가져오는 것도 연구 대상이었다.[115] OKEANOS 목성 트로이 소행성 탐사선은 ISAS에서 2020년대 후반에 발사될 두 번째 대형 임무 후보였으나, 선정되지 못했다.

9. 개발 중이거나 상태가 불분명한 프로젝트



IKAROS는 2010년에 발사된 최초의 실용적인 태양 돛 우주선으로, 2015년 현재에도 추진력을 유지하며 장기간 임무에 태양 돛의 실용성을 입증했다.[51] 이 우주선은 회전 방식으로 전개되며, 정사각형 돛의 모서리에 질량체가 있고, 증착된 알루미늄으로 코팅된 얇은 폴리이미드 필름으로 만들어졌다. 돛은 전기적으로 제어되는 액정 패널로 조종하는데, 돛이 천천히 회전하면서 이 패널이 켜지고 꺼짐에 따라 우주선의 자세를 제어한다. 켜지면 빛을 확산시켜 운동량 전달을 줄이고, 꺼지면 더 많은 빛을 반사하여 운동량을 늘린다. 얇은 필름 태양 전지도 돛에 통합되어 우주선에 전력을 공급한다. 이 설계는 회전 배치가 돛 전개 메커니즘을 단순화하고 LCD 패널에 움직이는 부품이 없어 신뢰성이 높다.[52]

낙하산은 질량이 매우 적지만, 태양 돛에는 실용적인 구성이 아니다. 분석 결과 낙하산 구성은 쉬라우드 라인에 의해 가해지는 힘으로 인해 붕괴되며, 방사 압력은 공기역학적 압력처럼 작용하지 않아 낙하산을 열린 상태로 유지하지 못한다.[53]

지상 조립 가능한 전개형 구조물에 대한 가장 높은 추력 대 질량 설계는 돛의 어두운 쪽에 마스트와 가이선이 있는 정사각형 돛이다. 보통 돛 모서리를 펼치는 4개의 마스트와 가이 와이어를 지지하는 중앙 마스트가 있다. 가장 큰 장점은 주름이나 처짐으로 인한 장비 핫스팟이 없고 돛이 구조물을 태양으로부터 보호한다는 것이다. 따라서 이 형태는 최대 추력을 위해 태양에 가까이 갈 수 있다. 대부분 설계는 스파 끝에 있는 작은 움직이는 돛으로 조종한다.[54]

1970년대 JPL은 핼리 혜성 랑데부 임무를 위해 회전 블레이드 및 링 돛을 연구했다. 각운동량을 사용하여 구조물을 강화하고 지지대를 없애 질량을 절약하려 했으나, 동적 하중 처리를 위해 상당한 인장 강도가 필요했다. 약한 돛은 자세 변경 시 잔물결이나 진동이 발생해 구조적 고장을 유발할 수 있었다. 실용적인 설계 간 추력 대 질량 비율 차이는 거의 없었고, 정적 설계가 제어하기 더 쉬웠다.[54]

JPL의 참조 설계는 "헬리오자이로"로, 롤러에서 전개되어 회전하며 원심력으로 유지되는 플라스틱 필름 블레이드를 가졌다. 우주선 자세와 방향은 헬리콥터의 사이클릭 및 집합 피치와 유사하게 블레이드 각도를 변경하여 제어했다. 정사각형 돛에 비해 질량 이점은 없었지만, 돛 전개 방식이 지지대 기반 설계보다 간단해 매력적이었다.[54] 큐브세일 (울트라세일)은 헬리오자이로 돛 전개를 목표로 하는 활성 프로젝트이다.

헬리오자이로 설계는 헬리콥터 블레이드와 유사하며, 돛의 경량 원심 경화로 제조가 빠르고, 블레이드가 가볍고 길어 비용과 속도 면에서 효율적이다. 정사각형 및 회전 디스크 설계와 달리 블레이드가 릴에 압축되어 전개가 쉽고, 우주선에서 배출된 후 굴러 나오며 전개된다. 헬리오자이로가 우주를 통과하면서 시스템은 원심 가속도로 회전한다. 우주 비행 페이로드는 무게 중심에 배치되어 안정적인 비행을 돕는다.[54]

JPL은 회전하는 우주선 가장자리에 부착된 패널인 "링 돛"(위 다이어그램의 회전 디스크 돛)도 조사했다. 패널에는 총면적의 약 1~5% 정도의 작은 간격이 있고, 한 돛 가장자리에서 다른 돛 가장자리로 선이 연결된다. 이 선 중간의 질량은 방사 압력으로 인한 원추형에 대해 돛을 팽팽하게 당긴다. JPL 연구원들은 이것이 대형 유인 구조물에 매력적인 돛 설계가 될 수 있으며, 특히 내부 링은 화성 표면 중력과 প্রায় 같은 인공 중력을 갖도록 만들 수 있다고 말했다.[54]

태양 돛은 고이득 안테나로 이중 기능을 수행할 수 있다.[55] 설계는 다양하지만, 대부분 금속화 패턴을 수정하여 관심 전파 주파수(가시광선 포함)에 대한 홀로그래픽 단색 렌즈 또는 거울을 만든다.[55]

9. 1. Gossamer 궤도 이탈 돛

유럽 우주국(ESA)은 2013년 12월 기준으로, 700kg 미만의 작은 인공위성의 저궤도 탈출을 가속화하기 위해 "고서머"라고 명명된 궤도 이탈 돛을 제안했다. 발사 질량은 2kg이며, 발사 부피는 15*에 불과하다. 돛이 펼쳐지면 5*로 확장되며, 돛에 가해지는 태양 압력과 대기 항력을 결합하여 위성의 대기 재진입을 가속화한다.[118]

9. 2. Breakthrough Starshot

2016년 4월 12일에 발표된 브레이크스루 스타샷(Breakthrough Starshot) 프로젝트는 소형 카메라를 탑재한 1,000대의 광자 돛 나노크래프트 함대를 개발하여 지상 기반 레이저로 추진하는 것을 목표로 한다. 이 함대는 알파 센타우리로 광속의 20% 속도로 보내질 예정이며,[119][120][121] 이 여행에는 20년이 걸릴 것이다.

10. 대중문화 속 태양광 돛

아서 C. 클라크의 소설 《태양으로부터의 바람》[122]은 태양 돛의 이미지를 확립한 작품으로 널리 알려져 있다. 이 외에도 다양한 과학 소설, 영화, 애니메이션에서 태양광 돛이 미래 우주 항해 기술로 묘사되고 있다.


  • 코르드와이너 스미스는 1960년에 발표한 "영혼을 항해한 여인"에서 태양광 돛으로 움직이는 우주선에 대한 묘사를 제공했다.
  • 잭 반스는 1961년에 출판된 "돛 25"에서 태양광 돛 우주선에서의 훈련 임무에 대한 단편 소설을 썼다.
  • 아서 C. 클라크와 폴 앤더슨(윈스턴 P. 샌더스)은 1964년에 태양광 돛을 다룬 "선재머(Sunjammer)"라는 제목의 이야기를 각각 출판했다. 클라크는 혼동을 피하기 위해 그의 이야기를 재출판할 때 "태양으로부터의 바람"으로 제목을 변경했다.[122]
  • 래리 니븐과 제리 포넬의 1974년 소설 ''신의 눈 속의 티끌''에서 외계인들은 레이저 돛 추진 탐사선을 통해 인간의 우주로 들어온다.
  • ''스타 트렉: 딥 스페이스 나인'' 에피소드 "탐험가들"에서는 바조라인들이 태양광 돛을 이용해 태양계를 넘어 여행하는 고대 기술이 묘사된다.[123]
  • 2002년 ''스타워즈'' 영화 ''스타워즈 에피소드 2: 클론의 습격''에서 두쿠 백작은 태양광 돛 우주선을 사용한다.[124]
  • 2009년 영화 ''아바타''에서 우주선 ''ISV 벤처 스타''는 태양광 돛을 사용하여 지구에서 알파 센타우리로 가속한다.
  • 애플 TV+의 대체 역사 TV 쇼 ''For All Mankind'' 시즌 3에서 가상의 NASA 우주선 소저너 1은 화성으로 가는 길에 태양광 돛을 사용한다.
  • 2024년 넷플릭스 TV 쇼 ''삼체'' 시즌 1 마지막 에피소드에서, 주인공 중 한 명인 윌 다우닝의 냉동 보존된 뇌는 태양광 돛과 핵 펄스 추진을 사용하여 빛의 속도의 일부로 가속되어 삼체인 우주선을 향해 발사된다.
  • 호리 아키라의 『태양풍 교점』에는 태양 돛을 스스로 만들어내는 결정 생명이 등장한다.
  • 고마쓰 사쿄의 『안녕 주피터』 소설판에는 태양 돛으로 지구-목성 간을 항행하는 수송 함대 '단델리온 함대'가 등장한다.
  • 요시오카 타이라의 『하우저 몽키』(앤솔로지 『우주(하늘)로의 귀환』수록)에서는 태양 돛배끼리의 포격전을 나폴레옹 시대 해전에 비유하여 묘사한다.
  • 사사모토 유이치의 『별의 파일럿 4 블루 플래닛』에서는 태양계 밖 지구형 행성 탐사선에 태양 돛이 이용된다(가속에는 레이저 추진 이용).
  • 사사모토 유이치의 『미니스커트 우주 해적』에서는 주인공이 요트부 활동으로 타는 소형 요트 '딩기'와 대형 연습 범선 '오데트 2세'가 등장한다.
  • 트론 (1982년)
  • 우주로부터의 메시지, 우주로부터의 메시지: 은하 대전 - 지루시아인 에메라리다가 타고, 소피아에게 계승된 돛단배형 우주선 에메라리다호가 등장.
  • 보물성 - 디즈니 영화. 보물섬의 우주 버전.
  • 기동전사 건담 SEED C.E.73 STARGAZER - 심우주 탐사용 모빌 슈트, 스타게이저가 태양풍을 추진력으로 사용하는 "보아튀르 뤼미에르"를 장비. 기동전사 건담 SEED DESTINY, 기동전사 건담 SEED C.E.73 Δ ASTRAY에도 유사 시스템 장비 기체 등장.
  • 2001야화 - 호시노 유키노부 작가의 만화. 태양 돛 추진 우주선의 사고로부터의 생환 에피소드가 있다.
  • 21 에몽 - 제21화 '목성 이상 접근!! 충격도 99%의 솔라 요트?'에 등장.
  • 기동전함 나데시코 - 인형 병기를 일반 엔진 대신 솔라 세일로 항행시켜 적의 레이더에 잡히지 않고 접근하는 장면이 있다.
  • 오딘: 광자 범선 스타라이트 - 우주 범선 스타라이트호가 등장.
  • 우주전함 야마토 부활편 - 아마르 방위대 기함 파스칼 함과 주력 전함 아마르 함이 등장.
  • 비스트 워즈 II 초생명체 트랜스포머 - 우주 해적 시콘즈의 범선이 태양의 빛으로 우주를 나아갈 수 있다. 제25화 "최후의 싸움" 내레이션에서 언급.
  • 맹렬 우주 해적 - 소설 『미니스커트 우주 해적』의 애니메이션화 작품. 소설과 마찬가지로, "딩기"와 "오데트 2세"가 등장한다.


성간 태양광 돛단배 우주선의 예술적 묘사


하지만, 실제로 추진력으로 태양 돛을 사용하는 작품은 많지 않다.

참조

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