전자스모그 오염을 감지하기 위해 대기를 조사하는 PocketQube 위성
주머니 크기의 위성을 궤도로 보내는 교육기관 팀
PocketQube의 초소형 위성은 바지 주머니에 들어가는 크기의 작은 하우징 안에 강력한 페이로드를 담을 수 있습니다. BME(Budapest University of Technology and Economics)의 팀은 각 변의 길이가 불과 5센티미터(약 2인치)에 불과하고 무게가 250그램(8.82온스) 미만인 위성을 설계했습니다.
2013년에 BME의 SMOG 프로젝트 개발이 시작되었을 때 다른 그룹들도 PocketQube 위성을 발사하기 시작했지만 당시 임무를 성공적으로 완수한 그룹은 없었습니다. BME의 광대역 정보통신 및 전자기 이론학과의 András Gschwindt 명예 부교수가 이끄는 이 헝가리 팀에는 수십 명의 학생들이 속해 있었습니다.
그들은 지구의 EM(전자기) 오염을 감지하는 기능에 착안해 위성의 이름을 SMOG-P라고 지었습니다. 6개의 태양광 패널, 온보드 컴퓨터, 리튬이온 배터리, 추가적인 전기 구성요소가 탑재되었지만, 내장 추진, 반동 추진 엔진 또는 보조 배터리 등은 탑재되지 않았습니다.
SMOG-P는 실제로 작동하는 세계 최초의 피코위성입니다. (이미지 출처: Budapest University of Technology and Economics)
2014년부터 이 프로젝트에 참여했고 현재 에너지공학과 부교수로 재직 중인 Viktor Józsa는 "우주 임무의 제1법칙은 '이봐, 가서 렌치로 이것 좀 고쳐줘'라고 말할 수 없다는 것이죠. 처음 시도할 때 완벽히 작동하도록 해야 합니다. 보통 두 번째 기회는 없습니다."라고 언급했습니다.
팀은 발사 중에 높은 관성력을 견디고 지구 궤도를 도는 동안 태양 빛과 추운 그늘에서 극한의 온도를 견딜 수 있는 미니 위성을 설계하기 시작했습니다. 이 프로젝트에 참가한 학생들은 MATLAB®을 사용하여 발사를 시뮬레이션했고 Simulink®의 열 네트워크 모델링 방법론을 사용하여 장기적인 최악의 시나리오를 분석했습니다.
2019년 12월 6일에 SMOG-P는 기업 후원자의 지원을 받아 우주로 발사되었고 지구 저궤도에 진입하여 세계 최초로 운영된 PocketQube가 되었습니다. Józsa는 "우리는 이 등급의 위성이 실제로 작동하고 경제적이라는 점을 보여주었습니다. 고가의 우주 등급 계측기가 필요하지 않았고 단지 엔지니어링 지식만 필요했습니다."라고 회상했습니다.
작은 주머니, 웅대한 연구 목표
Morehead State University의 Robert Twiggs 교수는 피코위성이라고 부르는 10cm(약 4인치) 크기의 기기에 대한 그의 선구적인 연구로 CubeSat의 아버지로 알려져 있습니다. 이후 2009년에 그는 STEM 학생들의 우주 연구 기회를 촉진하기 위해 주 컨소시엄과 함께 더 작은 PocketQube를 공동 개발했습니다.
IC(집적 회로)가 발전하면서 이러한 초소형 위성에 더 많은 기회가 열렸습니다. 오늘날의 IC는 정밀한 측정 결과를 제공하면서도 소비 전류는 마이크로암페어 수준에 불과합니다. Józsa는 특히 궤도당 1메가바이트 미만의 데이터를 수집하는 경우 저렴한 비용으로 빠르고 가벼운 우주 기술 개발을 가능하게 해주는 PocketQube 위성 등급에 찬사를 아끼지 않았습니다. 아마추어 무선 장비로도 PocketQube 신호를 포착할 수 있습니다.
2017년까지 SMOG 프로젝트의 기계공학 그룹 리더를 맡았고 지금은 주로 열공학과 기계적 작업을 지원하는 Józsa는 "측정에 소량의 에너지만 필요하다면 PocketQube가 경제적인 플랫폼입니다."라고 말했습니다.
발사 비용은 다양할 수 있지만 SMOG-P의 발사 비용은 약 20,000달러였습니다. BME의 위성에 사용된 부품은 주로 일반 상용 제품이었고 우주 등급이 아니었기 때문에 비용을 매우 낮게 유지하는 데 도움이 되었습니다. 이 프로젝트는 서른이 넘는 후원자로부터 지원받았습니다. 구성요소 및 제조 비용은 발사 비용과 비슷했습니다.
"몇 년 만에 발사되고 작동하는 걸 보니 정말 뿌듯했습니다. 하지만 우리는 단지 작동하는 소형 위성을 만들 수 있다는 걸 보여주는 게 아니라, 실제로 유용한 데이터를 제공해야 했습니다."
전기 시스템의 블록 다이어그램. 여섯 면에 있는 단일 배터리와 태양광 패널 이외의 중첩된 블록은 중복 시스템을 나타냅니다. (이미지 출처: Budapest University of Technology and Economics)
SMOG 프로젝트에 참여한 학부생들은 졸업 전에 자신들의 위성이 궤도로 향하는 모습을 보았습니다. Józsa는 "몇 년 만에 발사되고 작동하는 걸 보니 정말 뿌듯했습니다. 하지만 우리는 단지 작동하는 소형 위성을 만들 수 있다는 걸 보여주는 게 아니라, 실제로 유용한 데이터를 제공해야 했습니다."라고 말했습니다.
전자스모그
Józsa는 지구 근처의 우주 환경에 상당히 잡음이 많다는 점을 지적했습니다. BME 팀의 목표는 PocketQube 위성을 사용하여 디지털 TV 방송국에서 주로 사용하는 430 ~ 860MHz 범위를 중심으로 지구에서 나오는 전자기 쓰레기를 측정하는 것이었습니다. 전자스모그라고 부르는 이러한 불협화음은 기기 간 통신을 방해할 수 있기 때문에 기업들은 앞다투어 더욱 강력한 기술을 개발하게 되었고, 결국 더 많은 양의 에너지를 소모하게 되었습니다.
Józsa의 설명에 따르면 전자스모그는 생명을 위협하는 문제는 아닙니다. 그러나 이 그룹은 특히 전 세계의 방송사를 대상으로 해당 문제의 심각성을 조명하고 있습니다. SMOG-P에는 전자스모그를 측정하고 그 데이터를 다시 지구로 송신하여 엔지니어들이 방사된 주파수를 분석할 수 있도록 하는 장비가 포함되어 있습니다.
Józsa는 "통신 산업은 전기 소모량에서 많은 비중을 차지하지 않지만, 통신은 과도한 잡음으로 인해 어려움을 겪고 있습니다. 단순히 전력 소모량을 줄이면 정보 송신 능력이 떨어지기 때문에 이는 복잡한 주제입니다. 안테나 설계를 개선하는 방향으로 나아가야 합니다."라고 말합니다.
BME 팀의 목표는 PocketQube 위성을 사용하여 디지털 TV 방송국에서 주로 사용하는 430 ~ 860MHz 범위를 중심으로 지구에서 나오는 전자기 쓰레기를 측정하는 것이었습니다. (이미지 출처: Budapest University of Technology and Economics)
BME의 SMOG 임무에서 측정한 고도 320 ~ 420km 사이 우주의 무선 오염 추정도. (이미지 출처: Budapest University of Technology and Economics)
위험 부담이 큰 위성 모델링
초소형 위성은 측정을 시작하기도 전에 우선 믿을 수 없을 정도로 혹독한 조건을 견뎌내야 합니다. Józsa는 "가장 중요한 지점은 첫 번째 발사 단계 중 로켓에서 분리되는 것입니다. 마치 망치로 위성 탑제체를 때리는 것과 같죠. 또 위성이 로켓에 있는 다른 위성이나 주요 탑재체와 충돌하여 발사를 위험에 빠뜨리지 않도록 해야 합니다."라고 설명했습니다.
"열 측면에서 주변 온도는 쉽게 재현하기 힘든 것입니다. 저희는 창의력을 발휘하고, 모델이 작동하도록 할 방법을 연구해야 했습니다."
위성이 발사 로켓으로부터 정확하게 궤도로 발사되지 않으면 위험한 우주 잔해물이 될 수 있습니다. 국제우주정거장은 우주 쓰레기와의 충돌을 피하기 위해 움직일 수 있지만 이는 최근 꽤 자주 발생하고 있으며, 초속 8킬로미터(약 5마일)로 비행하는 PocketQube 위성은 North American Aerospace Defense Command의 우주 모니터의 탐지 한계 범위 내에 있습니다.
일단 궤도에 오르면 SMOG-P의 배터리는 섭씨 -270도(화씨 -454도)까지 떨어질 수 있는 우주 환경에서 섭씨 0도(화씨 32도) 이상으로 유지되어야 하며, 그렇지 않으면 민감한 부품이 고장 날 수 있습니다. 동시에 위성은 배터리의 상한 온도 미만으로 유지되어야 합니다. 그렇게 범위가 좁고 위험은 크기 때문에 이 팀은 모델 기반 설계를 채택했습니다.
졸업 전에 설계 검증과 열 모델 설계에 참여한 SMOG 프로젝트 팀의 BME 에너지공학과 학생인 Ágnes Welsz는 “열 측면에서 주변 온도는 쉽게 재현하기 힘든 것입니다. 저희는 창의력을 발휘하고, 모델이 작동하도록 할 방법을 연구해야 했습니다.”라고 설명했습니다.
SMOG-1/SMOG-P 위성의 인증 표본. 팀은 11개의 노드가 있는 교차 연결된 열 네트워크 모델을 Simulink에서 구축했으며 각 노드는 여기 나온 단일 PCB를 나타냅니다. PCB는 큰 신발 상자에 들어갈 정도로 작습니다. (이미지 출처: Budapest University of Technology and Economics)
연구 초기에 Welsz는 열역학과 열전달 주제에 익숙해졌지만, MATLAB과 Simulink는 전혀 경험이 없었습니다. 그녀는 내장 Simulink 모델로 실험한 후에, 처음부터 블록을 만드는 것이 모델을 만드는 가장 좋은 방법이라고 결론을 내렸습니다. 연구와 온라인 튜토리얼 비디오 시청, Józsa와의 상담을 통해 Welsz는 모델을 조금씩 정교화했습니다.
Welsz, Józsa, 그리고 다른 팀원들은 복잡한 네트워크에 대한 명확한 개요를 얻기 위해 블록 다이어그램 환경의 대화형 방식의 프로그래밍을 활용하여 Simulink에서 11개의 노드가 교차 연결된 열 네트워크를 구축해 냈습니다. 그러한 과정을 거쳐 팀은 통신 및 스펙트럼 분석기 서브시스템 등이 포함된 PCB(인쇄 회로 기판)의 반대쪽 면에 배터리를 장착하여 안전한 동작을 보장할 온보드 로직을 고안하게 되었습니다. 팀은 위성의 구성요소가 최저 작동 온도보다 높은 온도로 유지되도록 장기적인 열평형 예측을 생성하기 위해 수백 개의 궤도를 시뮬레이션했습니다. 팀은 최근에 Simulink 모델과 SMOG 프로젝트 코드를 File Exchange에 공개했습니다.
피코위성 베이에서 분리되는 기계 운동도 시뮬레이션을 해야 했습니다. 너무 빠르게 회전하면 태양광 패널의 최대 전력점 추적 시스템이 따라가지 못하고 유입되는 전력이 충분하지 않습니다. SMOG 프로젝트의 참가자들은 포드로부터의 발사가 순조롭게 진행되도록 하기 위해 MATLAB 스크립트를 실행했습니다.
다른 소프트웨어와의 상호운용성도 프로젝트에 도움이 되었습니다. Józsa는 "시간 함수로 위성의 궤도와 회전을 시뮬레이션하여 경계 조건을 얻을 수 있었습니다. 하지만 당시에는 검증에 사용할 데이터를 제공할 수 있는 이만한 크기의 정상 운용 중인 위성이 없었기 때문에 저희는 ANSYS Workbench에서 유한 요소법 분석을 통해 계산을 검증했습니다"라고 말했습니다.
MATLAB 및 Simulink를 사용하여 팀은 간단한 모델을 통해 복잡한 분석을 수행할 수 있었습니다. Józsa는 "MATLAB에는 엄청난 양의 온라인 자료가 있습니다. 그 어떤 소프트웨어보다 좋은 지원을 제공해 줍니다."라고 말했습니다. 또 그는 통신 및 스펙트럼 분석기 서브시스템을 모델링하는 과정에서 발생한 문제에 대해 열성적인 커뮤니티가 이미 답변을 게시해 주었기 때문에 따로 새로운 프로그래밍 질문을 게시할 필요가 없었다고 덧붙였습니다.
모델 기반 설계는 Welsz에게 놀랄 만큼 유용했습니다. 그녀는 "이제 저는 MATLAB에서 거의 모든 과제를 해결할 자신이 있습니다."라고 말했습니다.
교육기관의 우주 연구의 도약
Twiggs는 SMOG-P를 성공시킨 BME 팀에게 개인적인 축하를 전했습니다. 위성은 2020년 9월 말에 궤도에서 잠깐 이탈했는데 이는 지구에서 방사된 무선 주파수 신호를 모니터링할 수 있을 동안만 발생한 의도적인 짧은 여정이었습니다.
임무 기간 동안 이 주머니 크기 위성은 매일 지구 표면 전체를 2회 스캔하여, 연구자들이 전 세계 전자스모그 지도를 수 주 안에 생성할 수 있는 충분한 양의 스펙트럼 모니터 서브시스템 데이터를 수집하고 송신했습니다. 팀은 초소형 온보드 방사선 선량계로 공전 중에 전자기기에 도달하는 방사선의 양을 측정하여 노출이 과다한지 확인할 수 있었습니다.
이후 SMOG 프로젝트는 유사한 PocketQube 위성인 SMOG-1을 개발했으며, 이는 2021년 3월 22일에 발사되었고 3월 24일에 최초로 신호가 수신되었습니다. 위성의 궤도는 고도 550km로 원형에 가까웠고 SMOG-P보다 높은 궤도였습니다. 이 신형 위성은 기술적으로는 궤도에 20년 넘게 머무를 수 있지만, 태양광 패널과 상용 등급의 부품은 그보다 훨씬 일찍 노후화됩니다. 시간이 흐르면서 에너지 포획량이 감소하여 지구와의 통신이 끊기기 때문에 궤도 이탈을 가속화하여 너무 오랫동안 이 기기가 우주 쓰레기로 변해 궤도를 돌지 않도록 하기 위해 SMOG-1의 설계에는 양쪽에 연철 부속품 프로토타입이 포함되었습니다.
Józsa는 2022년 5월 23일에 마지막으로 송신한 후 SMOG-1의 임무는 완료되었으며 위성에서 온도 및 주파수에 관한 방대한 데이터셋을 수집했다고 덧붙였습니다.
SMOG 프로젝트가 시작된 이후로 팀은 과학 저널인 Applied Thermal Engineering에 위성 모델링에 관한 논문을 발표했습니다. 그들의 논문은 전 세계적인 관심을 받았고 국제우주정거장의 알파 자기 분광기의 분석 논문 등 많은 논문에 무수히 인용되었습니다.
임무 기간 동안 이 주머니 크기 위성은 매일 지구 표면 전체를 2회 스캔하여, 연구자들이 전 세계 전자스모그 지도를 수 주 안에 생성할 수 있는 충분한 양의 스펙트럼 모니터 서브시스템 데이터를 수집하고 송신했습니다.
지구 궤도를 도는 SMOG-1을 전문가가 렌더링한 모습. (이미지 출처: Budapest University of Technology and Economics)
헝가리는 우주 탐사 분야에서 저명한 나라로 알려져 있진 않지만, 이 프로젝트는 헝가리에 큰 도약이 되었습니다. Józsa는 헝가리가 2015년에 공식적으로 유럽우주국 회원국이 되고 역시 BME에서 개발한 MaSat-1이라는 이름의 헝가리 최초 위성이 성공한 것과 이 프로젝트와 무관하지 않다고 보고 있습니다. 그에 따르면 최근에 인접 국가인 슬로바키아와 세르비아의 연구자들도 위성 개발에 관한 지침을 그들에게 요청했습니다.
팀의 업적 덕분에 BME는 새로 우주공학 석사 프로그램도 도입하게 되었습니다. Józsa는 "프로젝트 팀원 대부분이 후배들에게 강의와 강연을 하면서 우주공학 프로그램에 기여하고 있습니다. 시간이 걸리겠지만 저는 여기서 졸업한 헝가리 엔지니어들이 유럽과 미국의 대형 프로젝트에 쉽게 참여할 수 있을 것으로 봅니다."라고 말했습니다.
SMOG 프로젝트를 통한 개괄적인 연구 협력을 통해 대학생들은 자신의 진로에 관해 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있는 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다. BME의 공학부 학생들은 박사학위를 취득하고 교육 기관에 남을지, 또는 자신의 기술을 산업 문제 해결에 적용할지 등 진로에 대해 더 명확한 이해를 얻을 수 있습니다. 졸업 후에 Welsz는 전기 공학을 연구하여 석사학위를 취득하고 대형 에너지 스토리지 개발을 위해 Tesla에 입사했습니다.
Józsa의 경력도 프로젝트 초기와 비교하면 변화가 있었습니다. 그는 BME의 에너지공학부의 연소 연구 그룹에 합류하여 그가 21세기 인류의 문제라고 부르는 지속 가능한 에너지 문제를 다루게 되었습니다.
단기적으로는 부품의 크기가 지속적으로 축소되고 있으므로 그는 초소형 연구 위성의 미래가 밝다고 보고 있습니다. 그는 "우리의 삶을 개선하는 과학 임무에는 한계가 없습니다. 가능성이 무한에 가까워지고 있습니다."라고 말했습니다.
