안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
연료 없이 빛을 이용해 추진력을 얻는 우주선의 핵심은 태양 돛이라 불리는 초박형 막과 태양 광자 사이의 역학적 상호작용에 있습니다. 이 장치는 화학 연료를 태워 가스를 분출하는 대신, 태양에서 쏟아져 나오는 광자의 운동량을 직접적으로 활용합니다.
물리화학적 관점에서 보면, 전자기파인 빛의 최소 단위인 광자는 질량은 없지만 플랑크 상수를 파장으로 나눈 값만큼의 운동량을 가집니다. 이 광자들이 우주선의 돛에 부딪히면 돛을 구성하는 물질의 전자들과 상호작용하게 됩니다. 이때 돛의 표면에는 가시광선 영역에서 반사율이 매우 높은 알루미늄이 얇게 증착되어 있습니다. 알루미늄의 자유 전자들은 입사된 광자를 흡수했다가 즉시 재방출하며 정반사를 유도합니다.
광자가 돛에 부딪혀 단순히 멈추지 않고 반대 방향으로 튕겨 나갈 때, 돛은 광자가 들어올 때의 충격량뿐만 아니라 반사되어 나갈 때의 반작용까지 더해진 운동량 변화를 겪게 됩니다. 즉, 돛에 가해지는 추진력은 광자가 가진 운동량 변화량에 비례하여 발생합니다.
거대한 면적의 무기 박막 돛은 이 미세한 개별 광자들의 충돌을 수조 번 이상 누적하여 거대한 우주선을 가속하는 힘을 만들어냅니다. 비록 초기 가속도는 매우 낮지만, 마찰이 없는 우주 공간에서 지속적인 태양광의 압력을 받으면 시간이 지날수록 엄청난 속도에 도달할 수 있는 효율적인 추진 방식입니다. 이러한 원리는 물질의 표면 처리 기술과 양자역학적 운동량 보존 법칙이 결합된 현대 우주 공학의 정수라고 할 수 있습니다.