전파는 나아가는 거리의 제곱에 반비례하여 그 밀도가 줄어든다. 거리가 멀어질수록, 송신하거나 수신하는 전파의 세기가 급격하게 감소한다는 의미다. 그렇다면 상상조차 하기 힘든 머나먼 거리에 있는 우주 탐사선들과는 어떤 방식으로 통신을 하는 것일까?

와이파이(wi-fi)나 이동통신같이 지구상에서 사용하는 일반적인 통신 방법으로는 이들 탐사선들과 연락하기가 어렵다. 설사 통신이 된다 하더라도 그 신호가 워낙 미약하여 제대로 된 이미지 하나조차 얻기가 쉽지 않다.

이 같은 문제를 개선하기 위해 미 항공우주국(NASA)은 현재 혁신적인 통신 시스템 개발에 매달리고 있다. 레이저 광선을 이용한 초고속 우주 통신 시스템으로서, 기술 개발에 성공한다면 지금의 무선 전파 시스템보다 수백에서 수천 배 빠른 통신이 가능해질 것으로 NASA는 전망하고 있다. (관련 기사 링크)

우주 통신 시대를 열어 준 딥스페이스네트워크 시스템

우주탐사에 필요한 통신 기술은 그동안 눈부신 발전을 거듭해 왔지만, ‘전파를 이용한 무선 통신’이라는 본질은 과거에 비해 변한 것이 없다. 지구라는 한정된 공간에서는 엄청난 속도를 낼 수 있지만, 그 무대가 우주 공간으로 바뀌게 되면 이야기가 달라진다.

예를 들어 목성 부근에서 탐사선이 보내는 데이터의 전송 속도는 초당 38Kb정도일 정도로 약하지만, 이 정도 속도도 태양계를 넘어선 보이저2호의 통신 속도에 비하면 양호한 편이다. 지구로부터 168억km 떨어진 곳에서 보내오는 데이터 속도는 초당 1Kb에 불과하다.

그나마 이 정도 속도를 낼 수 있는 이유도 NASA가 개발한 ‘딥스페이스네트워크(Deep Space Network)’ 덕분이라는 것이 통신 전문가들의 의견이다. 딥스페이스네트워크란 전 세계 각지에 건설되어 있는 거대 안테나를 NASA가 하나로 연결한 네트워크 시스템을 말한다.

탐사선에서 보내온 미세한 디지털 신호를 하나로 모아서 완성된 데이터 정보로 만들어 주는 것이 딥스페이스네트워크의 핵심 기능으로서, 탐사선이 태양계의 어디에 위치하든지 최소한의 통신이 가능하게 해준다.

딥스페이스네트워크의 경우도 통신을 위해 전파를 활용하지만, 일반적으로 잘 사용하지 않는 마이크로웨이브(microwave)라는 고주파를 이용한다. 이 전파는 대부분의 전파와는 달리 주파수가 넓게 퍼지지 않는 대신에 직진성이 강한 특징을 갖고 있다.

NASA의 관계자는 “마치 광선처럼 마이크로웨이브를 탐사선이나 지구 방향으로 쏘게 되면 해당 방향으로 직진하면서 통신이 이루어지게 된다”라고 설명하며 “하지만 이 같은 고주파를 사용하더라도 탐사선이 수집한 정보를 지구로 보내는 데는 수개월 씩 걸리는 것이 현재 우주 통신 시스템의 수준”이라고 말했다.

그는 “딥스페이스네트워크가 예상보다 훨씬 먼 거리에서 통신을 주고받을 수 있다는 점이 확인됐지만, 너무 느리고 태양계 안에서나 가능하다는 점 때문에 한계에 봉착했다”라고 밝히며 “이 같은 문제를 근본적으로 해결하기 위해 ‘우주공간광학통신(FSO, Free space optical communication)’ 시스템을 연구하고 있다”라고 말했다.

전파의 한계를 레이저로 해결하는 우주 광통신 시스템

FSO는 레이저 광선을 활용하여 통신하는 시스템을 의미한다. 전파가 아닌 빛을 매개로 하여 통신하는 이른바 광통신 시스템이다.

빛을 통신의 매개체로 활용하려는 시도는 거의 아무것도 존재하지 않는 우주 공간의 상태와 관련이 깊다. 지구와 같은 환경에서는 빛을 이용하여 통신하는 것이 쉽지 않은데, 그 이유는 대기층과 먼지, 그리고 눈이나 비 등 빛의 전진을 막는 방해물이 많기 때문이다.

반면에 우주 공간의 경우는 빛의 전진을 가로막는 물질이 없다고 볼 수 있다. 물론 작은 먼지나 운석 등이 존재하지만, 텅 빈 공간에 비해 이들의 밀도는 매우 낮아서 빛으로 통신을 하는 것을 방해하는 물질은 없다고 봐도 무방하다.

NASA는 이 같은 우주 공간의 상태를 고려하여 직진성과 세기가 강한 빛인 레이저를 선택한 뒤, 2000년대 초반부터 우주통신 시스템 개발에 본격적으로 나섰다. 그리고 마침내 2013년에 접어들어 달 주변 궤도에서 레이저를 이용하여 초당 622Mb의 데이터 전송 속도를 구현하는데 성공했다.

이 같은 결과에 대해 NASA의 관계자는 “당시 성공은 무려 38만 5000km나 떨어진 거리에서도 이런 정도의 데이터 전송 속도가 가능하다는 점을 보여준 쾌거”였다고 회상하며 “달과 지구 사이의 고속 무선 통신 가능성을 열어주었다”라고 언급했다.

현재 NASA는 4년 전보다 더 빠르고 더 오랜 시간 동안 레이저 통신을 사용할 수 있는 시스템 개발에 집중하고 있는 상황이다. ‘레이저통신릴레이실증시스템(LCRD, Laser Communications Relay Demonstration)’이라 명명된 이 프로젝트는 두 개의 지구 정지궤도 위성과 하와이에 위치한 지상 모뎀을 연결하는 기술이다.

이 프로젝트의 책임자인 NASA의 데이브 이스라엘(Dave Israel) 박사는 “오는 2019년에  발사예정인 LCRD는 국제우주정거장에 탑재되어 2년 동안 실시간 통신 테스트와 관련된 임무를 수행하게 될 것”이라고 밝히며 “테스트에 성공하면 기가바이트(Gb)급의 우주 통신시스템이 실현될 수 있을 것”이라고 기대했다.