우주 개발에 적용된 종이접기 기술

우주 개발에 적용된 종이접기 기술

태양광의 힘으로 나아가는 작은 태양열 돛 시범선 "이카로스"의 일러스트

일본에서는 종이 접기 기술이 우주 개발에 적용되어 행성 간 항법에 기여할 것으로 기대됩니다.

일본에서 게임으로 개발되어 대중화된 종이접기는 최근 다양한 분야에 적용되고 있습니다. 대표적인 예가 1970년에 미우라 고려 박사(현 도쿄대학 명예교수, 일본 종이접기 학회 회장)가 고안한 '미우라 접기'입니다. 미우라 접기는 큰 종이라도 종이의 대각선 부분을 밀고 당기는 것만으로 즉시 펼쳐서 보관할 수 있는 접는 방법입니다. 이 기능을 활용하여 일본의 휴대용 지도, 관광 가이드, 기차 노선도 등의 제품에 사용되고 있습니다.

미우라 폴드는 우주 공간에 배치할 수 있는 구조물에 대한 연구에서 고안되었습니다. 1995년에 발사된 우주 실험 및 관측용 위성인 SFU(Space Flyer Unit)는 평평한 표면을 보관하고 배치하는 방법으로 미우라 폴드를 장착했습니다. 미우라 폴드는 위성의 한정된 공간에 태양 전지판을 컴팩트하게 보관할 수 있을 뿐만 아니라 쉽게 배치할 수 있기 때문입니다. 실제로 SFU의 태양 전지판을 우주에 배치하고 저장하는 실험이 수행되어 성공했습니다.

최근 몇 년 동안 일본의 연구자들은 이 종이접기 기술을 우주 개발에 더욱 활용하기 위해 노력하고 있습니다. 그 중 하나가 연료를 사용하지 않고 햇빛을 받는 '우주 요트'입니다. 지구의 요트는 돛을 펼치고 바람과 함께 앞으로 나아가지만, 우주 요트는 태양에서 방출되는 광자*의 압력(태양압)을 받아 태양 돛이라고 하는 큰 사각형 모양의 얇은 막을 사용합니다. 엔진이나 연료가 필요 없는 꿈의 우주선으로 행성 간 항해에 사용될 것으로 기대된다. 2010년 5월, 우주항공연구개발기구(JAXA)는 이 우주 요트의 실현을 위해 세계 최초의 태양열 돛 시범선으로 이카루스를 발사했으며, 종이접기 기술을 사용하여 태양 돛을 보관하고 배치했습니다.

이카루스의 돛은 정사각형이며 한 변의 길이는 약 14m입니다. 막의 두께는 7.5미크론으로 매우 얇으며 사람 머리카락의 약 1/13(약 100미크론)입니다. 이카루스는 돛의 태양 압력을 사용하여 스스로 추진하며, 돛의 일부에 부착된 태양 전지의 박막에서도 전기를 생산합니다. 크고 얇은 태양 돛은 발사 시 접혀 원통형 몸체를 감쌉니다. 그런 다음 위성체는 우주에서 회전하고 회전에 의해 생성된 원심력은 돛을 확장하는 데 사용됩니다. 이 기술은 원래 JAXA에서 개발했습니다. 본체는 돛을 펼친 상태를 유지하기 위해 그 후에도 계속 회전합니다.

"이카루스 미션에서 가장 어려웠던 부분은 첫 번째 돛을 펼치는 것이었는데, 양쪽 14m의 커다란 태양 돛이 성공적으로 깔끔하게 열리고 칠흑 같은 공간에서 반짝이는 것을 보았을 때 감격했습니다." 이카루스의 프로젝트 리더를 맡았던 JAXA 우주과학연구소 조교수 모리 오사무(Osamu Mori)는 말했다.

이카루스 돛을 개발하는 과정에서 프로젝트 멤버들은 직접 손으로 종이를 접고 다양한 접는 방법을 고민했습니다. 어린 시절부터 종이접기에 노출된 일본 특유의 자연스러운 발상이었다. 멤버들은 머릿속으로 상상하는 것이 아니라 먼저 손을 움직여 종이접기를 하면서 생각한다. 그 후, 실물에 가까운 거대한 사이즈로 전개 실험을 반복해, 최적의 접는 방법을 정한다. 멤버들이 이미지를 미리 공유한 덕분에 실제 프로덕션에서 이카루스 돛을 접을 때 멤버 전원이 정확하고 신중하게 협업할 수 있었습니다. 모리 씨는 종이 접기 문화에 근거한 경험과 노하우의 축적이 없었다면 이카루스는 성공하지 못했을 것이라고 말합니다.

"돛의 얇은 막을 작은 크기로 접어 우주에서 확장하는 우리의 기술은 우주 발전에 극적인 변화를 가져올 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 미국 항공 우주국(NASA)이 실제로 종이 접기 기술의 적용에 주목하고 있다고 들었습니다."

이카루스에서 성공한 이 기술은 소형 위성의 박막 태양 전지판 등 향후 실용화될 예정이며, 현재 검토 중인 이카루스보다 크고 약 40m²의 거대한 박막 돛을 가진 태양광 동력 돛 탐사선 '오케아노스'에도 활용될 예정이다. 일본의 전통적인 종이접기 기술은 향후 우주의 대발전에 기여할 것으로 기대됩니다.

태양열 돛의 전개
1 로켓에서 분리 된 후 사각 돛의 모서리에 부착 된 4 개의 추를 동시에 해제합니다.
2 감긴 돛을 고정하는 후크 로드를 조금씩 밀고 원심력으로 돛을 서서히 당겨 빼냅니다. 완전히 빼내면 십자가가 됩니다.
세 갈고리 낚싯대를 쓰러뜨리면 접힌 돛이 풀리고 원심력으로 돛이 한 번에 팽창합니다.
4 전개 종료 후에도 회전을 유지함으로써 돛은 확장된 모양의 사각형 상태를 유지합니다.

미우라 폴딩을 이용한 평면 구조를 탑재한 SFU(Space Flyer Unit) 위성

미우라 폴딩으로 접힌 지도