NASA 심우주 광통신 실험, 기대 이상의 성공! 화성 유인 탐사의 꿈에 한 발 더 가까이

NASA의 심우주 광통신(DSOC) 기술 시연이 모든 기술적 목표를 초과 달성하며 성공적으로 종료되었습니다. 이는 향후 화성 유인 탐사를 위한 초고속 통신의 기반을 마련하는 쾌거입니다. 2년간의 실험 끝에 얻어낸 놀라운 결과는, 지구에서 수억 킬로미터 떨어진 심우주에서도 레이저를 이용한 데이터 전송이 안정적으로 가능함을 입증했습니다.

심우주에서의 레이저 통신: 성공적인 기술 시연

2023년 NASA의 Psyche 임무를 통해 발사된 이후, 약 2년 동안 DSOC 기술은 65회에 걸친 데이터 전송 및 수신 과정을 성공적으로 완료했습니다. 마지막 전송은 지구로부터 약 3억 5천만 킬로미터(화성과 지구의 평균 거리보다 먼 거리) 떨어진 곳에서 이루어졌습니다. 이는 지구와 화성 사이의 거리에 해당하는 심우주 환경에서도 레이저를 이용한 데이터 전송이 가능함을 보여주는 획기적인 성과입니다. 실험을 통해 Psyche 우주선으로부터 13.6 테라비트에 달하는 방대한 데이터를 지구로 전송하는 데 성공했습니다.

NASA의 션 더피(Sean Duffy) 행정관 대행은 "NASA는 미국을 화성 탐사의 길로 인도하고 있으며, 레이저 통신 기술의 발전은 고화질 영상 스트리밍과 화성 표면에서의 귀중한 데이터 전송 속도를 획기적으로 높이는 데 한 걸음 더 다가가게 합니다. 기술은 발견을 가능하게 하고, 우리는 탐험의 황금기를 가능하게 하는 데 필요한 역량을 시험하고 증명하는 데 전념하고 있습니다."라고 강조했습니다.

적외선 사진: JPL의 테이블 마운틴 시설에 있는 광통신 망원경 연구소에서 Psyche 우주선에 탑재된 심우주 광학 통신 비행 레이저 트랜시버로 8개의 레이저 신호를 보내고 있습니다. (NASA/JPL-Caltech)

이러한 성공은 단순한 기술적 진보를 넘어, 미래의 화성 유인 탐사에 필요한 초고속 데이터 전송 시스템 구축의 가능성을 현실로 만들었습니다. 고화질 영상 전송 및 대용량 데이터 전송은 화성 탐사의 성공에 필수적인 요소이며, 이번 실험은 그 가능성을 극적으로 높였습니다.

기록적인 성과: 초고속 데이터 전송과 장거리 통신

DSOC 실험은 발사 한 달 만에 지구와 Psyche 우주선 간의 광학 통신 링크를 성공적으로 구축했습니다. 이후 지속적인 성능 향상을 통해 2년 동안 기대 이상의 성과를 거두었습니다. 2023년 12월 11일에는 지구로부터 약 3천만 킬로미터(지구-달 거리의 약 80배) 떨어진 곳에서 초고화질 영상을 초당 267메가비트의 속도로 지구로 스트리밍하는 데 성공했습니다. 이는 가정용 광대역 인터넷과 비교할 만한 속도입니다. 또한 2024년 12월 3일에는 지구로부터 약 4억 9천만 킬로미터(화성과 지구의 평균 거리보다 먼 거리) 떨어진 곳에서 Psyche의 데이터를 지구로 전송하며 광통신 거리 기록을 경신했습니다.

클레이턴 터너(Clayton Turner) NASA 본부 우주기술 임무국 부국장은 "NASA는 우주 환경에서 하드웨어를 시험하여 그 한계를 이해하고 성능을 입증합니다. 2년 이상 이 기술은 우리의 기대를 뛰어넘어 가정용 광대역 인터넷과 비교할 만한 데이터 전송 속도를 보여주었고, 기록적인 거리에서 지구로 엔지니어링 및 테스트 데이터를 전송했습니다."라고 말했습니다.

레이저 통신 시스템의 작동 원리

캘리포니아 남부에 있는 NASA 제트 추진 연구소(JPL)에서 관리하는 이 실험은 Psyche 우주선에 장착된 레이저 송수신기와 지구에 있는 두 개의 지상국으로 구성됩니다. JPL의 테이블 마운틴 시설에 있는 강력한 3킬로와트 업링크 레이저는 Psyche 우주선에 레이저 신호를 보내, 송수신기가 지구로 광학 통신 레이저를 정확히 조준하는 데 도움을 줍니다.

Psyche 우주선과 지구는 엄청난 속도로 우주를 이동하며 서로 매우 멀리 떨어져 있기 때문에, 빛의 속도로 이동하는 레이저 신호가 목적지에 도달하는 데 몇 분이 걸릴 수 있습니다. 지상 및 우주선의 레이저 송신기를 통해 정밀한 조준을 함으로써 NASA 연구팀은 광학 통신이 태양계 전역의 미래 임무를 지원할 수 있음을 입증했습니다.

또 다른 중요한 과제는 수백만 킬로미터를 이동한 후 희미한 신호를 감지하고 디코딩하는 것이었습니다. 이 실험은 샌디에이고 카운티에 있는 캘텍의 팔로마 천문대에 있는 200인치 망원경을 주요 다운링크 기지국으로 사용했습니다. 이 망원경은 희미한 광자를 수집하기에 충분한 광 수집 영역을 제공했습니다. 그런 다음 광자에 인코딩된 정보를 처리할 수 있는 고효율 검출기 어레이로 광자를 전달했습니다.

JPL의 심우주 광통신 프로젝트 기술자이자 감독관인 아비 비스와스(Abi Biswas)는 "지상국을 폐쇄시킨 기상 이벤트부터 팀 구성원에게 영향을 미친 캘리포니아 남부의 산불에 이르기까지 많은 어려움에 직면했습니다. 그러나 우리는 극복했고, 팀이 Psyche로부터 광학적으로 데이터를 송수신하는 주간 일과를 받아들인 것을 자랑스럽게 생각합니다. 우리는 끊임없이 성능을 개선하고 기능을 추가하여 이 새로운 종류의 심우주 통신에 익숙해지고 기술의 한계를 넓혔습니다."라고 설명했습니다.

다양한 기술적 시도와 미래 전망

추가적인 실험에서 데이터는 캘리포니아주 바스토우 근처 심우주 네트워크의 골드스톤 단지에 있는 실험적인 무선 주파수-광학 "하이브리드" 안테나로 다운링크되었습니다. 이 안테나는 직경 3피트의 7개의 거울 어레이로 개조되어 안테나가 Psyche로부터 무선 주파수 및 광학 신호를 동시에 수신할 수 있도록 했습니다.

이 프로젝트는 또한 캘텍의 팔로마 천문대와 테이블 마운틴에 있는 더 작은 1미터 망원경을 사용하여 Psyche로부터 동일한 신호를 수신했습니다. "어레이링"으로 알려진 이 방법은 일반적으로 약한 신호를 더 잘 수신하고 시스템에 중복성을 구축하기 위해 무선 안테나로 수행됩니다.

NASA 본부의 SCaN(우주 통신 및 항법) 프로그램 부국장인 케빈 코긴스(Kevin Coggins)는 "우주 탐사가 계속 발전함에 따라 데이터 전송 요구 사항도 증가하고 있습니다. 미래의 우주 임무는 우주비행사가 달과 화성에서 고해상도 이미지와 계측기 데이터를 지구로 보내야 합니다. 기존 무선 주파수 통신 기능을 광학 통신의 성능과 이점으로 강화하면 NASA가 이러한 새로운 요구 사항을 충족할 수 있습니다."라고 말했습니다.

이 시연은 NASA 마셜 우주비행센터에서 관리하는 우주기술 임무국 기술 시연 임무 프로그램과 우주 운영 임무국 내 NASA의 SCaN 프로그램에서 자금을 지원하는 일련의 광학 통신 실험 중 가장 최근의 것입니다. Psyche 임무는 애리조나 주립 대학교가 주도하고 있으며, 캘리포니아 대학교 버클리의 린디 엘킨스-탄톤(Lindy Elkins-Tanton)이 책임 연구원입니다. 캘리포니아주 패서디나에 있는 캘텍에서 관리하는 NASA JPL은 임무의 전반적인 관리를 담당하고 있습니다.

레이저 통신 시연에 대한 자세한 내용은 다음 웹사이트를 참조하십시오.

https://www.jpl.nasa.gov/missions/deep-space-optical-communications-dsoc/

출처: https://www.nasa.gov/directorates/stmd/tech-demo-missions-program/deep-space-optical-communications-dsoc/nasas-deep-space-communications-demo-exceeds-project-expectations/