이 세상의 밖에서: 반도체 기술이 우주에서 환경 연구를 가능하게 하는 방법

오랜 인류 역사에 걸쳐 환경적인 사건이 초래하는 파급 효과를 제대로 이해하는 것은 어려운 일이었습니다. 가령, 소나무 숲에 서리가 내린 후 폭풍 전선이 폭우를 몰고 오면서 수백 마일 떨어진 항구에 갑자기 토사가 유입된 이유는 무엇일까요?

지상에서 소나무 숲과 항구 사이의 상관관계를 파악하기 어려울 뿐더러, 심지어 감지하는 것은 불가능합니다. 하지만 지구 관측 위성의 접근성이 높아진 덕분에 과학자와 정책 입안자들은 지구를 위에서 내려다 보며 지질학, 기상학, 생태학 간의 공생 관계를 밝혀낼 수 있게 되었습니다.

Jason Clark TI 우주 및 항공 시스템 매니저는 “위성 이미지 한 장을 찍었다면 거기서 무언가를 유추할 수 있을지도 모릅니다. 하지만 이제는 매일, 또는 더 자주 사진을 찍을 수 있습니다."라고 말합니다. "우리는 시간이 지남에 따라 상황이 어떻게 변하는지 살펴보고 '앞으로 더 많은 지진이 있어날지', '이 빙하가 줄어들지, 아니면 늘어날지'처럼 앞으로 일어날 일을 예측할 수 있습니다." 

큰 그림을 만드는 이미징 기술

광학, 레이더 및 적외선 이미징은 우주에서 환경에 대한 포괄적인 그림을 제공할 수 있습니다.

Laura Mueller TI 항공우주 및 방위 담당 이사는 "우주에서 이러한 모든 센서들을 조합하여 사용하므로써 우리를 둘러싼 세상의 모습을 더 크고, 선명하게 재현할 수 있습니다."라고 말했습니다.

광학 이미지는 카메라를 사용하여 날씨, 구름 또는 지형의 변화를 캡처합니다. 구름을 통과하여 아래 지면을 측정하려면 더 긴 파장을 사용하여 구름을 관통하는 레이더 이미징이 필요합니다. 그러나 레이더 이미징의 단점은 침투력이 증가하면 공간 해상도가 감소한다는 것입니다.

합성 조리개 레이더는 물체에서 전자기파를 반사하고 반사되는 전자파를 수신하여 이러한 한계를 극복합니다. 레이더 안테나 또는 조리개의 크기는 해수면 또는 얼음 팩 두께와 같은 물체를 보다 정밀하게 측정할 수 있습니다.

Jason은 "위성이 궤도를 따라 움직이는 방식을 활용함으로써 실제로 훨씬 작은 물리적 안테나를 사용하여 길이가 몇 킬로미터에 달하는 가상 또는 합성 조리개를 만들 수 있다"며,  "우리는 기상 조건에 상관없이 훨씬 더 정확한 관찰을 할 수 있습니다."라고 말했습니다.

광학 및 레이더 이미징을 통해 깊이 또는 두께와 관련된 측정에 대한 통찰력을 얻을 수 있으며, 초분광 또는 적외선 이미징은 과학자들이 그 안에 있는 물질의 대기와 조성을 이해하거나, 심지어 토양의 화학적 구성을 재구성할 수 있게 해줍니다. 적외선 영상을 통한 측정 역시 온도 변화를 추적할 수 있습니다.

최신 우주 등급 제품 및 분류를 사용하여 안정적인 위성 구축

지구 관측의 미래 기반을 다지는 많은 이미징 기술의 대다수는 새롭지 않습니다. 하지만 이러한 기술들은 변덕스러운 우주 환경에서 살아남을 수 있을 만큼 탄력적인 부품으로 데이터 처리 요구를 충족시켜야 하는 어려움으로 인해 지금까지  상업 및 연구 애플리케이션으로 사용처가 제한적이었습니다.

Jason은 "우주에서 어떤 일을 하든 많은 어려움이 있습니다."라며, "궤도에 진입한 후에는 수리를 위해 하드웨어에 쉽게 접근할 수 없기 때문에 높은 방사선 수준이나 온도 변화에 노출되어도 오랫동안 안정적으로 작동할 수 있도록 장치를 설계하고 테스트합니다."라고 말했습니다.

신뢰성과 생존성은 환경 연구의 맥락에서 특히 중요합니다. 시간에 따른 온도 패턴 또는 토폴로지의 변화를 추적하려면 이 연구에서 요구하는 시간 프레임을 견딜 수 있는 재료와 기술이 필요합니다.

전통적으로 위성 사업자는 군용 규격인 QML(Qualified Manufacturers List) 클래스 V에 따라 제조된 방사선 강화 부품을 사용해야 했습니다. 세라믹 패키지로 밀폐된 클래스 V 부품은 높은 방사선량과 우주 온도 변화로 인해 플라스틱 패키지에서 화학 물질이 방출되어 센서 어레이를 저하시킬 수 있는 오프 가스 현상에 대한 내성이 있습니다.

내방사선 강화 제품인 우주 항공 등급 QML 클래스 P 부품은 특수 플라스틱에 패키징되어 있고 최소한의 가스 배출에 대한 요구 사항을 충족하는 새로운 우주 항공 부품 분류입니다. QML 클래스 P 부품의 크기가 작기 때문에 더 많은 부품을 위성에 탑재하고 그 기능을 높일 수 있습니다. 

방사능 강화 부품은 지구 정지 및 중간 지구 궤도의 지구 관측 위성에 대한 방사선 및 성능 요구 사항을 충족하는 데 도움이 되며, 10년 이상의 연속 모니터링 동안 신뢰할 수 있도록 설계 및 테스트되었습니다.  

지구 저궤도에서 작동하는 위성의 경우 우주 항공 강화 플라스틱과 같은 방사선 내성 부품은 비용 최적화된 플라스틱 패키지로 테스트된 방사능 성능을 제공함으로써 낮은 방사선 요건, 더 짧은 미션 기간 및 더 많은 양의 위성을 충족하도록 맞춤화되어 있습니다.

Laura는 "TI는 고객들이 시스템 요구 사항을 균형 있게 해결하는 데 도움이 되는 다양한 장치 분류를 제공합니다."라며, "TI는 광범위한 방사능 강화 및 방사능 내성 장치를 통해 시스템 수준 사양을 충족하고 안정성 요구 사항을 해결하는 데 도움이 되는 제품을 제공합니다."라고 말했습니다.

이러한 분류 및 장치는 현재는 물론, 미래에도 중요한 요소입니다. 

Jason은 "지구 탄생 이후 수십억 년이 지났지만, 인류가 지구를 측정해 온 시간은 그에 비하면 극히 미미한 수준에 불과합니다. 하지만, 오늘날 과학자들과 함께 협업함으로써 우리는 그들이 내일 필요로 하는 요구사항에  대비할 수 있게 됩니다."라고 말했습니다.