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우주는 진공 공간이다. 보통 대부분의 파동은 매질이 있어야 전송된다. 이 논리에 따르면 진공 공간인 우주에서는 전파가 전달되지 않아 통신이 되지 않을 것으로 보인다. 그러나 우린 미국항공우주국(NASA)에서 우주로 쏘아올린 각종 탐사선들이 보내온 정보들을 NASA 홈페이지를 통해 보고 있다. NASA가 지난 8월6일 화성에 쏘아 올린 탐사 로봇 ‘큐리오시티’의 활약상을 큐리오시티 전용 웹사이트를 통해 보고 있는 것처럼 말이다.
큐리오시티는 화성에 미생물이 존재했는지 등 화성에서의 인류 생존 가능성을 평가하기 위해 NASA가 쏘아 올린 탐사 로봇이다. 길이 3m, 무게 900kg으로 경차 1대 크기다. 큐리오시티는 화성 표면에 무사히 안착하기 무섭게 사진과 동영상 등 각종 정보를 지구로 전달하고 있다. 대체 어떻게 지구로 정보를 전달하고 있는 것일까.
“전파는 다른 매질이 없어도 전송할 수 있습니다. 대기중이든 진공인 공간에서든 상관 없습니다. 우주 공간에서도 통신이 가능하다는 얘기지요.”
이성팔 한국전자통신연구원 위성시스템팀 책임연구원은 우주와 지구 간 통신에는 라디오나 텔레비전 같은 방송기기나 휴대폰 같은 통신기기에 사용되는 전파가 사용된다고 설명했다. 탐사 로봇이 수집한 데이터를 지구로 전송하는 통신 원리가 지구에서 텔레비전 영상과 음향을 송수신하는 원리와 크게 다르지 않다는 얘기다.
차이가 있다면 우주에서 사용하는 주파수들은 지상과 비교했을 때 먼 거리를 다니다보니 전파 세기가 강한 높은 주파수 대역을 사용한다. 이렇게 주파수가 높아지면 직진성이 강해서 장애물이 있거나 비가 올 때 세기가 약해지는 감쇠 현상이 두드러지진다. 매질이 없는 우주 공간에서 방향만 잘 맞춘다면 거의 일직선으로 주파수가 지구에 전송돼 정보를 받을 수 있다.
“우주에서 사용하는 주파수 대역은 1GHz에서 30GHz 사이입니다. 라디오가 700MHz를 수준의 주파수를 사용한다는 점에 비쳐봤을 때 약 1천배 이상 높은 주파수를 사용하고 있는 셈이지요. 지상에서 사용하는 텔레비전과 라디오 주파수 대역이 나뉘어 있는 것처럼 우주에서 사용하는 주파수 대역이 나뉘어 있습니다.”
큐리오시티에는 하루에 두 번 극초단파(UHF) 주파수를 통해 정보를 보낸다. 내장된 3개의 안테나는 이때 사용된다. 큐리오시티가 보낸 데이터가 지구에 도달하기까지는 약 15분이 걸린다.
지구와 화성 간 거리는 2억5천만km다. 여기에 큐리오시티가 지구의 공전과 자전을 염두에 두고 주파수를 지구에 보내기 때문에 전송 시간 차이가 발생한다. 우주와 지구 간 실시간 통신은 거의 불가능하다.
그렇다 보니 NASA는 조금이라도 정보를 전달 받는데 걸리는 시간을 줄이고자, 인공위성 오디세이를 활용한다. 2001년 발사돼 화성 궤도를 돌고 있는 오디세이는 화성 탐사 로봇의 데이터 대부분을 화성과 지구 사이에서 중개하고 있다. 오디세이가 탐사로봇 큐리오시티와 통신하고 이를 지구로 다시 전송하는 셈이다. 화성 궤도를 돌고 있는 또 다른 위성 화성 궤도 정찰위성(MRO)과 유럽 화성 익스프레스(EME)도 큐리오시티로부터 정보를 전달받아 지구로 전송하는 중개 역할을 담당하고 있다.
예를 들어 큐리오시티가 화성 표면에서 찍은 사진을 지구로 전송하는 경우 이 사진은 15분이나 지나서야 지구에 도착한다. 사진은 그것을 구성하는 무수히 많은 점으로 분해돼 전기 신호로 변환된 뒤 전파에 담아 인공위성에 전송하고, 인공위성은 이 신호를 받아 다시 지구로 전송한다. 이 과정에서 각각의 점들은 밝기에 따라 전기 신호로 변환된다.
아무리 높은 주파수를 사용해도 지상과 달리 우주 공간에서의 통신은 수신신호가 약한 탓에 방해 신호가 섞일 수 있다. 지구에서는 이 전파를 받아 원래의 과정을 되감기하는 식으로 다시 전기 신호로 바꾸고 신호에 섞여 들어온 잡음을 제거한다. 그 다음에야 겨우 큐리오시티 같은 탐사선이 우주에서 보낸 사진을 받아볼 수 있다.
정보를 수신하기 위해 지구에서는 접시형의 거대한 전파망원경 여러 대를 동원한다. 전파망원경은 전파를 반사해 한 곳에 모을 수 있는 구조로 되어 있기에 아주 약한 전파라도 탐지할 수 있어 우주탐사선과의 교신에 사용된다.
NASA는 이렇게 큐리오시티로부터 받은 정보를 클라우드에 저장한 다음 웹사이트로 사용자들과 공유하고 있다. NASA 산하 제트 추진 연구소(JPL)은 아마존웹서비스(AWS)의 서비스를 도입해 큐리오시티가 수집한 이미지와 메타데이터를 실시간 비디오 스트리밍으로 서비스 중이다. 이를 위해 AWS의 가상서버, 데이터베이스(DB), 스토리지(S3), 라우팅, 콘텐츠딜리버리서비스(CDN) 등을 도입했다.
태권V(權宗垣)
조요셉
재미있게 잘 읽었습니다. 감사합니다.