AI로 설계한 광돛, 성간 탐사선 개발의 새 길을 열다

빛을 이용해 범선이 바람을 타듯 우주를 항해할 수 있을까? 이 원리는 물리적으로 가능하며 수십 년의 연구를 통해 실제 시험에 가까워지고 있다. 최근에는 인공지능으로 구조를 최적화해 소형 심우주 탐사선에 쓸 수 있는 광돛을 더 효율적으로 제작하려는 연구가 진행되고 있다.

광돛이란 무엇인가?

심우주 여행을 떠올리면 흔히 로켓이나 이온 추진기를 생각한다. 광돛은 매우 얇은 반사막에 광자가 운동량을 전달해 작지만 지속적인 추력을 만드는 다른 원리를 이용한다.

빛으로 우주선을 추진한다는 발상은 적어도 1608년까지 거슬러 올라간다. 당시 요하네스 케플러와 갈릴레오 갈릴레이는 혜성 꼬리가 형성되는 현상을 논의했다.

케플러는 혜성의 꼬리가 태양 반대 방향을 향하는 모습을 관찰했다. 이 관찰은 태양 복사가 언젠가 우주에서 물체를 움직이는 데 이용될 수 있다는 생각으로 이어졌다.

2019년 우주에서 작동한 최초의 광돛

2019년에는 실제 광돛이 우주선에서 펼쳐져 궤도 변경에 사용됐다. 이전 시도는 돛이 제대로 펴지지 않았지만, 이 임무는 광돛이 실험실 밖에서도 작동할 수 있음을 보였다.

광돛의 작동 원리

광돛은 형태가 다양하지만 모두 초박형 반사막을 이용한다. 일부 프로젝트는 광속의 상당한 비율에 도달하는 것을 목표로 하며, 이론적으로는 소형 탐사선을 수십 년 안에 가까운 별까지 보낼 수 있다.

Breakthrough Starshot과 알파 센타우리

유리 밀너가 설립하고 물리학자 스티븐 호킹이 지원한 Breakthrough Starshot은 레이저 가속 광돛을 연구하는 대표적 프로젝트다.

이 구상은 지상의 고출력 레이저를 가볍고 반사율이 높은 돛에 비추는 방식이다. 카메라와 센서를 탑재한 초소형 칩 탐사선을 알파 센타우리 항성계 방향으로 보내는 것이 장기 목표다.

기존 광돛 기술의 한계

광돛은 심우주 탐사의 가능성을 넓힐 수 있지만 제작이 복잡하고 비용이 높다. 정밀한 나노 구조와 우주 환경을 견딜 재료가 필요하다.

또 다른 문제는 규모를 키우기 어렵다는 점이다. 현재 방식은 매우 작은 나노 구조 제작에 적합하며 대형 또는 유인 우주선에 곧바로 적용하기는 어렵다.

광돛에는 질량을 줄이고 광학 특성을 조절하는 미세 구멍이 정교하게 배열된다. 돛이 가벼울수록 가속하기 쉽지만 높은 정밀도 요구 때문에 더 큰 구조를 제작하기가 어렵다.

인공지능으로 최적화한 광돛

브라운대와 델프트공대 연구팀은 인공지능으로 나노광학 광돛을 설계하는 새로운 제조법을 발표했다. 연구 논문 «오각형 광자 결정 거울: 신경 토폴로지 최적화를 통한 향상된 가속을 갖춘 확장 가능한 라이트세일»,¹이 Nature Communications에 게재됐으며, AI를 이용한 설계 및 제작 방법을 소개한다.

 AI 기반 광돛 설계 과정

연구진은 단층 질화규소로 만든 초박형 반사막에 가스 식각 공정을 적용했다. 원하는 두께와 형태가 될 때까지 재료를 정밀하게 제거하는 방식이다.

연구진은 가볍고 견고한 오각 격자형 광결정 반사판을 설계했다. 크기는 약 60 × 60밀리미터이고 두께는 200나노미터로, 사람 머리카락보다 훨씬 얇다.

돛 가장자리의 구멍은 안쪽 구멍보다 3% 크게 만들었다. 이 설계는 반사 스펙트럼을 10~20나노미터 이동시켜 구조의 광학 반응을 개선했다.

출처 – Brown

광결정과 질화규소

격자 구조는 반사율을 최대화하도록 설계됐다. 반사율은 빛의 압력이 돛에 얼마나 효과적으로 전달되는지를 좌우하므로, 연구진은 AI 모델을 이용해 이를 최적화했다.

브라운대와 TU 델프트 연구진은 재료과학, 구조공학, 광학을 결합한 신경망 기반 위상 최적화 모델을 개발했다. 이를 통해 넓고 가벼우면서 견고한 광돛을 설계했다.

연구진은 유한요소 해석보다 먼저 AI 시스템을 적용했다. 신경망의 가중치와 편향을 조정해 구멍의 형태, 크기, 배치를 최적화하는 접근이다.

광돛에는 10억 개가 넘는 나노 구조가 들어 있다. 사용되는 빛의 파장보다 작은 구멍은 질량을 줄이고 광학 반응을 제어한다. 이 설계는 가속 성능과 도플러 편이에 대한 허용도를 높이고 제작 및 발사 비용을 낮추는 것을 목표로 한다.

더 빠르고 훨씬 저렴한 제작

연구진은 60 × 60밀리미터, 두께 200나노미터인 반사판을 제작했다. 10억 개가 넘는 나노 구조를 포함하며, 논문에 따르면 기존 방식보다 비용이 약 9,000분의 1 수준이고 제작에는 수년 대신 약 하루가 걸렸다.

AI 설계 광돛의 성능 시험

시험 결과 새 공정은 비용을 낮추면서 확장 가능한 광돛을 만들 가능성을 보였다. 다만 이는 실험실 결과이며 실제 우주 환경에서의 성능과 내구성은 추가 검증이 필요하다.

이 광돛은 양방향 반응을 고려해 설계됐다. 한쪽 방향의 빛에만 효과적으로 반응하는 기존 구조보다 방향 제어의 유연성을 높일 가능성이 있다.

실험실에서 실제 응용으로

이 방식은 폭에 비해 매우 얇은 나노광학 구조를 24시간 안에 설계할 수 있게 한다. 더 빠르고 반복 가능한 공정은 더 많은 연구팀이 광돛을 실험하는 데 도움이 될 수 있다.

우주 재료 개발에서 AI의 역할

이 연구는 AI가 나노광학 재료의 설계, 제작, 시험에 어떻게 기여할 수 있는지를 보여준다. 연구진은 기존 방식보다 큰 광돛을 제작하는 데 성공했다.

비용 절감도 중요한 장점이다. 공정을 더 큰 규모에서 반복할 수 있다면 더 많은 연구기관이 광돛과 다른 광구동 장치를 시험할 수 있다.

광돛 연구진

연구는 미겔 A. 베사와 리처드 A. 노르테가 이끌었다. 브라운대와 델프트공대의 루카스 노르더, 순위 인, 마테이스 H. J. 더 용, 프란체스코 스탈로네, 한데 아이도그무스, 파올로 M. 스베르나도 참여했다. 유럽연합과 Limitless Space Institute가 연구를 지원했다.

연구팀은 시뮬레이션과 추가 AI 도구로 설계를 개선할 계획이다. 반사율을 높이고 질량을 줄이기 위해 수많은 나노 구멍의 서로 다른 배치를 비교하게 된다.

광돛과 성간 통신

가장 직접적인 응용은 소형 우주 탐사선의 추진이다. 이 제조법은 레이저로 가속하는 초경량 나노광학 돛의 제작 가능성을 높인다. 다른 광구동 또는 광제어 장치에도 응용될 수 있다.

첨단 통신 시스템

장기적으로는 소형 위성 네트워크가 먼 우주에서 통신 중계 역할을 할 수 있다. 이를 위해서는 수십 년 동안 자율적으로 작동하는 신뢰성 높은 장치가 필요하다. 은하 간 통신은 이 연구의 단기 응용이 아니다.

포토닉스 분야 투자

포토닉스와 나노 제조 장비를 개발하는 기업은 많다. 투자자는 기술, 시장, 경쟁, 기업가치를 함께 검토해야 한다. 이 분야의 대표적 장비 공급업체로 Applied Materials가 있다.

Applied Materials Inc.

Applied Materials Inc (AMAT )는 1967년 화학물질 공급업체로 출발했다. 창업자 마이클 A. 맥닐리는 이후 사업 중심을 반도체 장비로 옮겼다. 현재 이 회사의 시스템은 광학 재료와 첨단 반도체 생산에도 쓰인다.

Applied Materials는 Etec Systems, Opal Technologies, Baccini 등 여러 기업을 인수하며 제품과 사업 범위를 넓혔다. 이런 인수는 장비 포트폴리오와 시장 입지를 강화했다.

Applied Materials는 나노 제조와 반도체 생산 장비의 주요 글로벌 공급업체다. 포토닉스 분야에 관심 있는 투자자도 투자 전에 기업의 기초체력, 경쟁 상황, 위험을 따로 검토해야 한다.

Applied Materials 최신 소식

AI 최적화 광돛의 다음 단계

실제 사용에 앞서 연구진은 더 가벼운 재료를 시험하고 우주의 방사선, 온도 변화 등 가혹한 환경을 견딜 수 있는지 확인해야 한다.

이 시스템은 아직 궤도에서 충분히 시험되지 않았다. 다음 단계에서는 소형 시제품을 발사해 반응과 장기 안정성을 관찰할 수 있다.

AI 최적화 광돛의 전망

개발이 계속되면 이 광돛은 소형 탐사선을 다른 항성계로 보내고 장기적으로 심우주 통신망을 구축하는 데 기여할 수 있다. 그러나 10~20년 안에 다른 은하에 도달할 수 있다는 주장은 물리적 거리와 맞지 않는다.

다른 재료과학 연구 성과도 여기에서 확인할 수 있다.

인용 연구:

^{1. Norder, L., Yin, S., de Jong, M. H. J., Stallone, F., Aydogmus, H., Sberna, P. M., Bessa, M. A., & Norte, R. A. (2025). Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization. Nature Communications, 16, 논문 번호 2753. https://doi.org/10.1038/s41467-025-57749-y}