아폴로 우주비행사와 지구와의 관계는 오늘날 우리가 즐기는 관계에 비하면 원시적이었습니다. 차세대 문워커들은 서로, 그리고 지구에 있는 우리와 연락을 유지하는 훨씬 더 고해상도의 방법을 갖게 될 것입니다.
1969년 7월 20일 약 6억 명의 사람들이 초점이 맞지 않고 품질도 매우 낮은 생방송을 시청했습니다.
NASA의 아폴로 11호 임무의 일부인 달 위를 걷는 최초의 인간의 역사적 장면은 자연스럽게 기술적인 부분을 무색하게 만들었습니다. 그러나 오늘날 전 세계 시청자들은 고화질 라이브 스트리밍을 당연한 것으로 여기고 있으며, 차세대 달 우주비행사들에 대한 기대치는 훨씬 더 높아질 것입니다.
위성 및 우주선과 통신하는 영국 Goonhilly 지구 관측소의 최고 기술 책임자인 Matt Cosby는 "아무도 Apollo 비디오 품질을 받아들이지 않을 것입니다."라고 말합니다.
Goonhilly는 달 착륙의 텔레비전 신호를 전 세계에 방송했으며 최근 Intuitive Machines의 Odysseus 우주선으로부터 첫 번째 신호를 수신하여 50여년 만에 미국이 처음으로 달 토양에 연착륙했음을 확인했습니다.
Cosby는 "우리는 달 착륙 시 거의 실시간으로 4K 해상도를 기대할 수 있습니다. 최대 500MB의 데이터가 돌아올 것이므로 이미지가 10배 더 좋아질 것입니다"라고 말했습니다.
"이 시대에 소셜 미디어를 통해 달 표면의 거친 흑백 사진과 비디오는 용납될 수 없으며 이를 가능하게 하려면 더 높은 주파수를 확보해야 합니다. 큰 도약은 아니지만 필요합니다. 모든 것은 투자에 관한 것입니다."
달 전초기지 모바일 자율 탐사 플랫폼(Mapp) 로버는 달에 새로운 통신 네트워크를 가져오는 요소 중 하나가 될 것입니다.
이러한 투자는 전 세계적으로 진행되고 있습니다. 2021년부터 23년까지 오하이오주 Glenn 연구 센터에서 진행된 Nasa의 LunarLites 프로젝트는 지구의 4G 및 5G 기술이 어떻게 달 환경으로 변환될 수 있는지 평가했으며 현재 두 가지 새로운 프로젝트가 진행 중입니다.
LSP(Lunar Surface Propagation) 프로젝트는 달 표면 환경에서 무선 통신 시스템이 어떻게 작동하는지 연구하고 있습니다.
NASA의 LSP 수석 조사관인 Michael Zemba는 "아폴로 임무는 모두 달의 중위도 근처와 대부분 평평한 용암 평야 근처에 착륙했습니다"라고 말했습니다. "그러나 아르테미스 캠페인의 경우 우리의 관심은 달의 극을 탐험하는 데 있습니다."
NASA의 아르테미스 프로그램은 2025년에 우주 비행사를 달 궤도에 진입시키고 1년 후에는 유인 우주선 착륙을 목표로 하고 있습니다. 남극은 지속적인 햇빛이 비치는 지역과 잠재적인 물과 연료 공급원인 깊은 분화구의 영구적으로 그늘진 지역에 얼어붙은 얼음으로 인해 선호됩니다. 하지만 이렇게 다양한 지형에는 단점도 있습니다. Shackleton Crater로 알려진 잠재적인 착륙 지점 중 하나는 깊이가 2마일이고 너비가 12마일입니다.
"섀클턴 분화구는 그랜드 캐년보다 더 깊습니다"라고 Zemba는 말합니다. "남극의 이러한 극단적인 상황은 Wi-Fi 및 5G와 같은 무선 네트워크를 구축하는 데 어려움을 야기하므로 정확하고 신뢰할 수 있는 모델과 시뮬레이션 도구를 보유하는 것이 중요합니다. 원칙적으로 이는 좋은 장소를 선택하는 것과 같은 생각입니다. 집에 Wi-Fi 라우터가 있지만 분화구는 맨해튼보다 더 큽니다."
달을 최대 수 미터 깊이까지 덮고 있는 미세한 달 먼지, 즉 레골리스도 어렵습니다.
"Regolith는 지구의 지형보다 전파에 더 투명합니다"라고 Zemba는 말합니다. "따라서 통신 시스템은 묻혀 있는 바위나 분화구와 같은 눈에 보이지 않는 구조물이 성능에 미치는 영향을 확인할 수 있습니다."
2022년 시뮬레이션의 일환으로 Nasa의 사막 연구 및 기술 연구(사막 쥐) 팀은 애리조나의 사막 지역을 재방문했습니다. 아폴로 임무를 준비하는 데 사용된 이러한 현장 테스트를 통해 기관은 비록 여기 지구에 있더라도 이론을 실제 데이터와 비교할 수 있었습니다. 그러나 즉각적인 달 환경을 고려하면 지구 주위를 도는 달 궤도의 기하학적 구조는 추가적인 문제를 야기합니다.
향후 몇 년 동안 계획된 야심찬 달 탐사 프로젝트에는 Apollo보다 훨씬 더 정교한 통신 네트워크가 필요할 것입니다(제공: Nasa)
"달의 남극에서 지구는 매달 대략 2주 동안만 볼 수 있습니다"라고 Zemba는 말합니다. "눈에 보이는 경우에도 항상 수평선 위 10도 미만입니다. 이는 지구로 직접 되돌아오는 신호가 지형에서 반사되는 전파로 인해 자체 간섭을 일으킬 수 있음을 의미합니다. 이러한 현상을 다중 경로라고 합니다."
이러한 잠재적인 성능 저하를 고려해야 합니다. 한편, Zemba의 LSP 프로젝트와 함께 Nasa의 3GPP(Lunar Third Generation Partnership)는 달에 무선 기술을 배포하는 방법을 연구하고 있습니다.
Lunar 3GPP 프로젝트 수석 연구원인 Raymond Wagner는 "무선 시스템은 달 표면에서 작동하는 데 있어 여러 가지 근본적인 문제를 안고 있습니다."라고 말했습니다.
Wagner는 "극단적인 온도와 방사선 환경만으로도 상업용 전자 제품에 모든 종류의 문제가 발생할 수 있습니다. 4G 및 5G 시스템은 계산이 복잡하고 달 표면에 맞게 강화하는 것은 결코 작은 일이 아닙니다"라고 말합니다. "게다가 우리는 달 표면 무선 주파수 전파 환경을 완전히 이해할 수 있는 방법을 얻었습니다."
달에서 4G와 5G를 사용할 수 있게 되면 표면의 모든 우주비행사는 탐사선, 장비, 승무원과 안정적으로 통신할 수 있습니다.
Intuitive Machines의 IM-1 임무는 여러 면에서 중요한 이정표였습니다. Zemba는 "다음 임무인 2025년 IM-2가 달에서 셀룰러 연결성을 입증하고 데이터를 수집할 수 있는 첫 번째 기회이기 때문에 특히 흥미로웠습니다."라고 말했습니다.
"Nasa는 착륙선에서 탐사선까지의 4G 링크를 시연하기 위해 Nokia Bell Labs에 자금을 지원했습니다. 이는 달의 첫 번째 셀룰러 네트워크이자 모델 검증 및 기술 시연을 위한 환상적인 기회가 될 것입니다."
달에서 4G와 5G를 사용할 수 있게 되면 표면에 있는 모든 우주비행사는 탐사선, 장비, 승무원과 안정적으로 통신할 수 있습니다. 그러면 지구로 돌아오는 모든 데이터는 하나의 링크를 통해 전송될 수 있습니다. 이는 대규모 지상국의 수요가 높을 때 통신하는 효율적인 방법입니다.
달의 반대편에서는 지구가 더 이상 시야에 들어오지 않을 때 지구와의 통신을 유지하는 문제도 있습니다. 이를 달성하는 유일한 방법은 중계 위성을 이용하는 것입니다.
Lunar Pathfinder는 지구에서 레이저 거리 측정을 통해 달 위성 항법의 개념을 증명하는 데 도움이 될 수 있습니다.
중국은 달 뒷면에 대한 최초의 연착륙인 창어 4호 임무를 지원하기 위해 2018년 세계 최초의 달 중계 위성인 Queqiao-1을 발사했습니다. Queqiao-2는 앞으로 몇 달 안에 발사될 예정입니다.
NASA는 달 통신 중계 및 항법 시스템 프로젝트의 일환으로 달 중계 위성을 발사하고 있으며, 아르테미스 임무의 핵심 파트너인 유럽 우주국(Esa)은 달빛 프로그램을 진행하고 있습니다.
Esa는 업계와 협력하여 지구에서 GPS를 사용하는 것과 같은 방식으로 달을 위한 3~4개의 통신 및 데이터 중계 위성 네트워크를 구축하고 있습니다.
첫 번째 단계는 2025년 Lunar Pathfinder 임무를 시연하는 기술을 출시하는 것입니다. 영국 SSTL이 제작하고 소유한 이 우주선은 상업용 우주 운송 회사인 Firefly Aerospace가 궤도로 운반할 예정입니다. 이는 NASA의 달 착륙선도 포함하는 Blue Ghost 2 임무의 일부가 될 것입니다.
따라서 향후 몇 년 내에 달을 위한 새로운 통신 인프라가 펼쳐질 것입니다.
Esa는 항법 페이로드를 탑재하고 있으며 Nasa가 장비를 공유하고 달 중계 통신 서비스에 액세스할 수 있다는 데 동의했습니다.
SSTL의 Lunar Pathfinder 프로젝트 관리자인 Charles Cranstoun은 "우리는 Nasa 레이저 역반사경을 사용하고 있습니다."라고 말합니다. 이는 우주선의 거리와 속도를 정확하게 측정하기 위해 지구의 거리 측정 스테이션에서 레이저를 발사하여 달 위성 항법의 개념을 입증하는 데 도움이 될 것입니다.
"우리는 또한 GNSS(Global Navigation Satellite System) 수신기를 사용하고 있습니다. 이 수신기는 지구에서 GNSS를 가장 멀리 측정하여 위치 측정을 위해 약한 신호 감지를 수행할 수 있는지 확인합니다."라고 Cranstoun은 말합니다. 이것은 스위스 회사 SpacePNT가 Esa를 위해 개발했습니다.
NASA 과학자들은 아폴로 우주비행사들이 달에서 여행하는 것과 비교하여 신호가 얼마나 멀리 확장될 수 있는지 계획하고 있습니다.
"마지막으로 이것이 모두 자체 무선 거리 측정과 결합되면 내비게이션 시스템이 잠재적으로 Moonlight와 같은 장치에 어떻게 구현될 수 있는지 확인할 수 있는 세 가지 위치 데이터 지점을 갖게 될 것입니다."라고 Cranstoun은 덧붙입니다. "그래서 우리는 미래의 달빛 별자리를 위한 토대를 마련하고 있습니다."
SSTL의 목표는 달 궤도를 도는 우주선과 달 표면 어느 곳에든 착륙할 수 있는 착륙선을 위한 상업적 통신 제공업체가 되는 것입니다. "현재 데이터를 다시 가져오려면 Nasa의 Deep Space Network 또는 Esa의 Estrack 네트워크를 사용해야 합니다."라고 Cranstoun은 말합니다.
따라서 향후 몇 년 내에 정부 우주 기관과 상업 기업을 통해 달을 위한 새로운 통신 인프라가 구축될 것입니다. NASA가 제안한 시스템은 LunaNet입니다.
영국 우주국 및 국제 사회와 협력하여 이 새로운 달 통신에 대한 표준을 정의하는 데 도움을 주는 Goonhilly의 Matt Cosby는 "LunaNet은 달 주변과 달에서 지상 인터넷을 복제하려고 노력하고 있습니다."라고 말합니다.
SSTL의 Cranstoun은 "내가 들었던 비유는 Netflix on the Moon"이라고 말합니다. "원하는 스트리밍 서비스를 선택하세요. 하지만 이는 그들이 달성하고자 하는 데이터 처리량 수준입니다."
문워커가 지상 통신을 직접 테스트할 수 있는 첫 번째 기회는 2026년 NASA의 아르테미스 III 임무일 가능성이 높습니다.
Zemba는 "우리는 지난 10~20년 동안 지구상의 이동 통신 분야에서 정말 놀라운 발전을 이루었습니다."라고 말했습니다. "그리고 우리가 동일한 편의 시설을 달에도 안정적으로 배치한다면 우리는 훌륭한 모습을 갖추게 될 것입니다."
* 원문 : Talking on the Moon: The quest to establish lunar wi-fi
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