[심층기획] 스타십 13차 비행, 마침내 이륙했다 & MIT, 라이다 칩의 '시야각 딜레마'를 풀다

스타십 13차 비행, 마침내 이륙했다 — 스타링크 V3 첫 배치의 이면

일주일 넘게 이어진 기다림이 끝났다. 지난 7월 16일 점화 실패로 발사가 중단되고, 이후 태풍급 열대폭풍 버사(Bertha)로 하루를 더 미뤘던 스페이스X의 스타십 13차 비행 시험이 현지시간 7월 24일 저녁, 텍사스 스타베이스에서 마침내 발사대를 떠났다. 스페이스X는 발사 중단 직후 슈퍼헤비 부스터에서 최소 두 개의 랩터3 엔진을 교체했고, 재점검과 예비 연료 주입 시험을 거쳐 이번에는 33개 엔진 전체가 정상적으로 점화되며 리프트오프에 성공했다. 90분의 발사 창 초반에 이뤄진 이번 발사는, 어제까지만 해도 "엔진이 왜 침묵했는가"를 되짚어야 했던 흐름을 뒤집고 실제 비행 데이터로 답을 내놓은 순간이었다.

이번 비행의 가장 중요한 목표는 스타십이 처음으로 실제 가동되는 3세대 스타링크 위성, 즉 스타링크 V3 위성 20기를 배치하는 것이었다. 위성들은 상단 우주선의 PEZ 디스펜서 형태의 payload bay를 통해 순차적으로 방출됐고, 태양전지판과 안테나를 펼친 뒤 레이저 링크로 기존 스타링크 성단과의 연결을 시도했다. 이 중 6기는 고해상도 카메라를 탑재해 스타십의 열차폐 타일 상태를 실시간으로 지구로 전송하는 임무도 함께 수행했으며, 위성들은 남아프리카공화국의 지상국과도 짧은 교신을 시도한 것으로 전해졌다. V3 위성은 이전 세대보다 훨씬 큰 안테나와 위성 간 레이저 통신, 그리고 휴대폰 직접 연결(direct-to-cell) 기능을 지원해, 이번 배치가 성공적으로 검증되면 스타링크 네트워크의 용량과 사용자 속도를 크게 끌어올릴 발판이 마련되는 셈이다.

사진: Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0 (SpaceX Starship, 조립 완료 상태)

반면 슈퍼헤비 부스터의 귀환 과정은 완벽하지 않았다. 부스터는 발사 약 2분 만에 상단과 분리된 뒤 멕시코만으로 귀환해 통제된 착수에 성공했지만, 스페이스X 중계진 댄 휴엇(Dan Huot)은 방송에서 "착륙 연소 때 예정했던 13개 엔진이 모두 점화된 것 같지는 않다"며 "좀 더 부드러운 착수를 목표로 했는데, 보시다시피 상당한 속도로 들어왔다"고 인정했다. 그럼에도 이번 결과는 지난 5월 12차 비행 때 33개 해수면 엔진 중 5개가 말썽을 일으켜 역추진 연소 자체가 무산되고 부스터가 조기에 유실됐던 것과 비교하면 분명한 진전이다. 랩터3 엔진 개발은 미국 회계감사원(GAO)이 최근 보고서에서 아르테미스 유인 달 착륙선(HLS) 프로그램의 "최우선순위 리스크"로 지목했을 만큼 관심이 집중된 부분으로, 이번 비행에서 착륙 연소 엔진 일부가 여전히 점화되지 않았다는 사실은 랩터3의 신뢰성 검증이 아직 끝나지 않았음을 보여준다.

사진: SpaceX, CC0/퍼블릭 도메인, Wikimedia Commons (스타링크 위성 스택 예시 이미지)

이번 비행에 쓰인 스타십 V3 사양은 훗날 NASA 아르테미스 3호 임무에서 오리온 우주선과 도킹할 유인 착륙선과 사실상 동일하다는 점에서, 이번 결과가 갖는 의미는 단순한 시험비행 성공을 넘어선다. 스타링크 V3의 첫 배치가 확인되면 스타링크 사업의 다음 단계로 넘어가는 중요한 이정표가 되고, 동시에 슈퍼헤비의 착륙 연소가 여전히 완벽하지 않다는 사실은 향후 재사용성과 궤도상 재급유, 그리고 2028년 목표인 유인 달 착륙 일정에 남은 과제가 무엇인지를 분명히 보여준다. 완벽하진 않았지만 한 걸음 전진한 이번 13차 비행 이후, 스페이스X가 다음 시험에서 33개 착륙 엔진까지 완벽하게 제어할 수 있을지가 계속 지켜봐야 할 대목이다.

MIT, 라이다 칩의 '시야각 딜레마'를 풀다 — 크로스토크 100%에서 1%로

자율주행차나 드론, 건설현장 모니터링 장비가 주변 환경을 3차원으로 인식하는 핵심 센서 중 하나가 라이다(LiDAR)다. 적외선 펄스를 쏘아 주변 사물까지의 거리를 측정하는 방식인데, 기존 라이다는 회전하는 기계 장치로 빔의 방향을 바꾸다 보니 부피가 크고 비싸며, 움직이는 부품 특성상 시간이 지나면 마모되는 문제를 안고 있었다. 이 때문에 최근에는 빛을 다루는 반도체 소자인 실리콘 포토닉스 칩으로 이 기계 장치를 대체하려는 연구가 활발한데, 문제는 이런 칩 기반 라이다가 시야각이 좁다는 고질적인 약점을 갖고 있었다는 점이다. 칩 위에 촘촘히 배열된 안테나에 위상을 다르게 걸어 빛의 방향을 전자적으로 조향하는 이른바 광위상배열(OPA) 방식을 쓰는데, 안테나를 가까이 붙이면 이웃한 안테나끼리 신호가 뒤섞이는 '크로스토크'가 발생하고, 반대로 안테나 간격을 넓히면 원래 빔과 똑같이 생긴 가짜 빔 여러 개, 이른바 '그레이팅 로브(grating lobe)'가 생겨 센서를 혼란시키는 이율배반적인 상황에 부딪혀 있었다.

MIT 전기공학·컴퓨터과학과(EECS) 옐레나 노타로스(Jelena Notaros) 교수 연구팀은 이 딜레마를 해결할 열쇠를 안테나의 '모양'에서 찾았다. 연구팀은 모두 똑같이 생긴 안테나를 촘촘히 배열하는 대신, 폭과 길이 방향의 미세한 홈(코러게이션) 크기·위치가 서로 다른 세 가지 형태의 안테나를 반복적으로 배치했다. 각 안테나의 형태가 다르면 빛이 그 구조를 따라 퍼져나가는 정도를 나타내는 '전파계수(propagation coefficient)'도 서로 달라지는데, 연구에 참여한 안드레스 가르시아 콜레토(Andres Garcia Coleto)는 "전파계수가 서로 크게 다르기 때문에 안테나를 가까이 붙여놔도 각 안테나가 사실상 옆 안테나를 '보지' 못하게 되고, 그래서 서로 결합하지 않는다"고 설명했다. 다만 안테나 형태를 다르게 만들면서도 방출하는 빛의 양과 각도는 똑같이 유지해야 하는 조건까지 동시에 만족시켜야 했는데, 제1저자인 헨리 크로퍼드-엥(Henry Crawford-Eng)은 "안테나마다 구조가 다르면 보통 그 동작 방식도 달라지기 마련이라, 이 조건을 동시에 만족시키는 것은 극히 어려운 일이었다"고 이번 설계의 난이도를 짚었다.

자체 제작 도표 (MIT 연구팀의 실험 결과를 바탕으로 재구성, Nature Communications 게재 논문 기준)

실제 제작해 시험한 결과는 극적이었다. 기존 방식대로 동일한 안테나를 촘촘히 배열했을 때 나타나는 크로스토크는 약 100%에 달했지만, MIT의 새로운 설계는 이를 약 1% 수준까지 낮추면서도 깨끗하고 정밀한 단일 빔을 만들어냈다. 그 결과 그레이팅 로브 없이 훨씬 넓은 시야각에 걸쳐 빔을 정밀하게 조향하는 데 성공했다. 이 연구에 참여하지 않은 토론토대학교 옌스 포온(Joyce Poon) 교수(막스플랑크 미세구조물리연구소 소장)는 "이 연구는 넓은 시야각을 위해서는 안테나를 촘촘히 배치해야 하고, 동시에 높은 빔 품질을 위해서는 이웃 안테나 간 낮은 크로스토크가 필요하다는, 집적 광위상배열 분야의 오랜 난제를 동시에 풀어낸 것"이라며 "우아한 안테나 설계로 이 문제를 해결한 것은 칩 스케일의 고체(solid-state) 빔 조향 기술에 있어 중요한 진전"이라고 평가했다. 이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 최근 게재됐다.

이 기술이 실제로 자율주행차나 드론, 항공 측량, 건설현장 모니터링 등에 쓰이는 라이다 센서에 적용되면, 지금보다 훨씬 작고 저렴하면서도 고장 날 부품이 없는 견고한 3차원 인식 장비를 만들 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 앞으로 시야각을 한층 더 넓히는 후속 연구와 함께, 설계 과정에서 발견한 또 다른 접근법도 검토하고 있다고 밝혔다. 반도체로 빛을 다루는 실리콘 포토닉스 기술이 그동안 데이터센터 내부의 광통신에 주로 쓰여왔다면, 이번 성과는 그 활용 범위를 자율주행·로보틱스 같은 '피지컬 AI'의 눈 역할까지 넓히는 흐름을 보여준다는 점에서, 단순한 센서 개선을 넘어 AI가 물리적 세계를 인식하는 방식 자체를 값싸고 견고하게 바꿔놓을 잠재력을 지닌 연구로 평가된다.