연구실 탐방 (STAR Lab)

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  항공우주를 향한 새로운 감각, STAR Lab을 만나다.

 

우주탐사는 인류가 도전해 온 가장 위대한 과학적 탐사 중 하나입니다. 그러나 우리가 우주로 나아가기 위해서는, 그 미지의 환경을 정확히 이해하고 견뎌낼 수 있는 기술이 반드시 필요합니다. 극한의 환경에서 작동하는 정밀 센서와 첨단소재를 개발하고, 이를 우주 환경에서 검증하며, 나아가 우주 자체를 하나의 연구 플랫폼으로 활용하는 연구실. 바로 KAIST 항공우주공학과 STAR Lab (Space Testing And payload sensoR) 입니다.

 

 

< 김현정 부교수 (STAR Lab PI) >

 

 

2024년 9월, NASA 랭글리 연구센터(Langley Research Center)에서 16년간 연구원으로 활동하며 다양한 우주 미션을 수행했던 김현정 교수가 KAIST에 합류하며 STAR Lab의 문을 열었습니다. NASA 재직시절, 김현정 교수는 광학 및 센서 연구 분야의 연구책임자 (PI)로서 경량형 우주 망원경, 가변형 광학 시스템 기술 개발을 주도했습니다. 또한, 우주정거장 (ISS)에서 수행된 MISSE (Materials International Space Station Experiment) 프로그램을 통해 다수의 우주환경 실증 실험을 이끌며, 극한 환경에서의 소재와 센서 기술을 연구해 온 ‘실전형 항공우주 연구자’ 입니다.
[링크: https://herald.kaist.ac.kr/news/articleView.html?idxno=21769]

 

 

 

 

  STAR Lab의 3대 핵심 연구 분야

 

STAR Lab의 이름은 단순한 별(Star)이 아닙니다. Space testing, Technology for sensors, And Research platform이라는 세 가지 핵심 축을 상징하며, 이 세 가지가 하나의 별처럼 빛나는 연구 방향을 제시합니다.

 

1) 과학 탑재체를 위한 광학 및 센서 (Optics and Sensors for Scientific Payload)

 

 

우주 미션에서 센서는 인간의 눈과 귀 역할을 합니다. STAR Lab은 기존의 무겁고 부피가 큰 광학 시스템의 한계를 극복하기 위해, 가볍고 작으면서도 에너지 효율이 높은 재구성 가능한(Reconfigurable) 광학 메타표면을 연구합니다. 특히 칼코게나이드 기반 상변화물질(PCM)을 활용하여 전자기파를 선택적으로 변조함으로써, 이미징 분광기부터 라이다(LiDAR)에 이르는 다양한 센싱 application의 성능을 끌어올리고 있습니다.

 

 

< 큐브위성 및 소형 위성에 적용되는 재구성 가능한 광학 센서 및 가변형 필터 시스템 개념 >

 

 

핵심은 SWaP(Size, Weight, and Power) 최소화입니다. 우주 탑재체는 무게와 부피, 전력 소비에 극도로 엄격한 제약이 있습니다. STAR Lab은 튜너블 필터와 재구성 가능한 빔 조향(Beam Steering) 기술을 통해, 단 하나의 소형 광학 소자로 다양한 파장대를 실시간으로 전환할 수 있는 시스템을 개발하고 있습니다. 이는 기존에 여러 개의 광학 부품이 필요했던 것을 획기적으로 단순화하는 기술입니다.

 

또한, 우주 공간에서 펼쳐지는 전개형 망원경(Deployable Telescope) 기술도 핵심 연구 주제입니다. 발사 시에는 작게 접혀 있다가 우주 공간에서 크게 펼쳐지는 이 기술은, 소형 위성 (SmallSat)에서도 대형 위성 못지않은 고해상도 관측을 가능하게 합니다. 이는 지구 과학, 태양 물리학, 행성 과학 등 다양한 우주 관측 미션의 비용을 획기적으로 절감하면서도 신호 대 잡음비(SNR)를 극대화할 수 있는 게임 체인저 기술입니다.

 

 

< SmallSat에 탑재되는 전개형 회절 광학 망원경 개념도 >

 

 

< 달·소행성 표면 침투형 초소형 가스분광기 IRMETASPEC 개념도 >

 

 

 

 

2) 우주 환경 테스트 (Space Environment Testing)

 

 

우주용 소재와 부품이 실제 우주에서 어떻게 견디는지 확인하는 것은 미션의 성공을 좌우하는 가장 중요한 단계입니다. STAR Lab은 지상에서 우주 환경(VLEO~GEO)을 모사하는 장비를 개발할 뿐만 아니라, 국제우주정거장(ISS) 외부 플랫폼을 활용한 MISSE(Materials International Space Station Experiment) 미션을 통해 실제 우주 환경에서의 소재 열화 메커니즘을 연구합니다.

 

 

< ISS에서 진행된 MISSE 미션 타임라인과 우주 환경 노출 전후의 광학 투과율 변화 데이터 (MISSE-14) >

 

 

자외선(UV), 원자산소(Atomic Oxygen), 이온화 방사선, 초고진공, 극심한 열 주기, 미세 운석 충돌과 같은 우주 환경은 지구상에서 완벽하게 동시에 구현하기 어려운 복합적인 극한 조건입니다. STAR Lab은 이러한 환경에 소재를 직접 우주에 노출시키고 그 변화를 정밀 분석함으로써, 진정한 의미의 Space Heritage(우주 검증 이력)를 구축하고 있습니다.

 

STAR Lab은 MISSE-9, MISSE-14에 이어 2025년 발사된 MISSE-21 실험에도 참여하여, 연구실에서 자체 설계·제작한 센서를 국제우주정거장(ISS)에 탑재하여 운용하고 있습니다. 이는 STAR Lab이 보유한 실제 우주 환경 기반의 검증 능력과 실전 우주 실험 수행 역량을 보여주는 중요한 사례입니다.

 

또한 이러한 궤도 실험 결과는 연구실에서 자체 구축한 VLEO–GEO Space Environmental Simulator와의 교차 검증을 통해 해석됩니다. 지상 모사 실험과 실제 우주 노출 데이터를 연결함으로써, 우주 환경에서 발생하는 소재 열화와 성능 변화를 보다 정밀하게 이해하고 예측할 수 있습니다.

 

이와 같은 연구는 향후 우리나라의 독자적인 위성 및 우주 탐사선 개발에 필요한 핵심 기초 데이터를 제공하게 될 것입니다. 더 나아가 최근에는 AI 기반 극한 환경 소재 설계 기술과 결합하여, 우주 환경에서 최적의 성능과 내구성을 갖는 차세대 우주 소재를 설계하는 방향으로 연구가 확장되고 있습니다.

 

 

3) 새로운 연구 플랫폼으로서의 우주 (Space, New Research Platform)

 

 

STAR Lab은 우주 환경을 단순히 극복해야 할 장애물이 아니라, 새로운 에너지를 얻고 자원을 활용할 수 있는 기회의 장으로 바라봅니다. 대표적인 예가 달 표면의 정전기 문제를 해결하는 동시에 에너지를 수확하는 L-ESPG(Lunar Electrostatic Power Generator) 기술입니다.

 

 

< 달 표면 정전기를 활용한 전력 생산 및 먼지 완화 L-ESPG 개념도 [링크: https://tinyurl.com/5s572bvj] >

 

 

 

 

달 표면은 태양풍과 우주 방사선에 의해 강하게 대전되어 있으며, 이로 인해 발생하는 미세한 달 먼지(Regolith)는 우주비행사의 건강과 탐사 장비에 치명적인 위협이 됩니다. STAR Lab이 개발 중인 ESPG 장치는 대전된 달 표면에서 전력을 생산하는 동시에, 전자의 정전용량 수집을 통해 대전된 입자를 중화시켜 먼지 문제를 완화합니다.

 

이는 향후 아르테미스 미션과 같은 유인 달 탐사 및 화성, 금성 탐사에서 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 달에서 태양광 패널 없이도 표면의 정전기 에너지만으로 탐사 장비를 구동할 수 있다면, 극지방이나 영구 음영 지역에서의 탐사 가능성이 획기적으로 높아집니다.

 

 

 

 

 

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원문     김현정 교수[hyunjung.kim1@kaist.ac.kr]

편집                         김준서[junnius@kaist.ac.kr]