위성 통신장애 일으키는 ‘블랙오로라’ 전기장 원인 밝혔다

2017년 11월 22일 18:00

● 3줄 요약

1. 극지방에서 나타나는 오로라 중 어두운 부분을 ‘블랙 오로라’라고 하는데 플라즈마 경계면에서 강력한 전기장을 내뿜어 인공위성 통신 장애를 일으키기도 한다.

2. 국내 과학자가 핵융합장치인 ‘인공태양’에서 발생하는 전기장과 블랙오로라에 의해 발생하는 전기장이 동일하게 이온과 중성입자 간 상호작용에 의한 것임을 밝혔다.

3. 이 같은 오로라의 플라즈마 경계면 연구는 향후 상용 핵융합로 개발에도 기여할 전망이다. 

 

핵융합연구소 제공
핵융합연구소 제공

오로라의 어두운 부분인 ‘블랙오로라’는 간헐적으로 강력한 전기장을 내뿜어 인공위성의 통신 장애를 일으키기도 한다. 국내 연구진이 이같은 전기장의 발생 원인을 처음으로 밝혀냈다.
 
이관철 국가핵융합연구소 KSTAR(한국형핵융합로)연구센터 책임연구원은 오로라 같은 지구 이온층에서 전기장이 발생하는 원리를 규명했다고 22일 밝혔다. 블랙오로라는 극지방에서 관찰되는 오로라 중 어둡게 보이는 부분이다. 1990년대 스웨덴 인공위성에 의해 강력한 자기장을 내뿜는다는 사실이 알려졌지만 그 원인은 명확히 밝혀진 바 없었다.

 

이 연구원은 오로라에서 발생하는 강력한 전기장이 핵융합장치의 초고온 플라즈마에서 나오는 전기장과 같은 원리를 따른다는 사실을 알아냈다. 핵융합장치는 태양의 중심에서처럼 수소 원자핵들이 서로 충돌해 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합 반응을 일으키는 장치로, ‘인공태양’으로 불린다.
 
태양 같은 초고온 환경에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 플라즈마 상태라고 한다. 핵융합장치 안에 만들어지는 초고온 플라즈마의 가장자리에는 이온화되지 않은 원자나 분자 상태의 중성입자가 존재한다. 이 중성입자들은 플라즈마를 구성하는 이온들과 충돌해 반응을 일으킨다.
 

핵융합연구소 제공
핵융합연구소 연구진은 핵융합장치에서 발생하는 자기장에 의해 나선 운동을 하던 이온들이 직선 운동을 하는 중성입자와 충돌하면, 기존의 나선 운동 축의 위치가 바뀐다는 사실을 발견했다. - 핵융합연 제공

이 연구원은 핵융합장치에서 발생하는 자기장에 의해 나선 운동을 하던 이온들이 직선 운동을 하는 중성입자와 충돌하면, 기존의 나선 운동 축의 위치가 바뀐다는 사실을 발견했다. 직접 개발한 ‘자이로중심 이동분석법’을 이용해 이를 분석한 결과, 나선 운동 축 이동 현상 때문에 플라즈마 경계면에서 전기장이 발생하는 것으로 나타났다. 자이로중심 이동분석법은 핵융합 플라즈마에서 이온의 움직임을 계산하는 방법이다.
 
이 연구원은 오로라 같은 자연 현상에도 이 분석법을 적용해 봤다. 그 결과, 블랙오로라에서 나타나는 강한 전기장 역시 핵융합 플라즈마와 마찬가지로 이온과 중성입자의 상호작용에 의한 현상임이 드러났다. 적도 부근 고도 약 100㎞ 상공의 지구이온층에서 정오 무렵 동쪽으로 발생하는 전류 현상인 ‘적도고층전류’의 전기장 역시 동일한 방식으로 설명할 수 있었다.
 
이번 연구 성과는 기존 플라즈마 물리학의 기본원리로 알려진 ‘준중성 이론*’이 플라즈마 경계 영역에서는 성립되지 않는다는 사실도 새롭게 입증했다. 논문의 단독저자인 이 연구원은 “인공태양을 이용해 자연현상의 물리 법칙을 규명하고 핵융합 연구의 난제를 해결할 수 있다는 사실을 알리고 싶었다”고 말했다.

 

*준중성 이론: 준중성은 플라즈마 내부에 전기장이 생겨도 부분적인 영역에서만 존재하고 플라즈마 전체적으로는 전기장이 없는 것처럼 평형을 이루고 있다는 원리를 나타낸 이론.

  

이어 그는 “자이로중심이동분석법을 활용한 플라즈마 경계면 자기장 연구는 향후 핵융합 상용화 기술 개발을 위한 최적의 고성능 플라즈마 운전 모드(H-모드) 제어 기술을 개발하고, 플라즈마 경계면의 손상을 줄일 수 있는 상용 핵융합로 개발에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 

연구 결과는 국제학술지 ‘피직스 오브 플라즈마’ 15일자에 게재됐다.  

 


메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

관련기사

인기기사

댓글

댓글쓰기

지금
이기사
관련 태그 뉴스

동아사이언스 SNS로
최신 소식을 받아 보세요!

  • 과학동아
    과학동아페이스북 과학동아카카오스토리 과학동아트위터
  • 과학동아천문대
    과학동아천문대페이스북
  • 어과동TV
    어과동TV페이스북
관련 태그 뉴스

동아사이언스 SNS로
최신 소식을 받아 보세요!

  • 과학동아
    과학동아페이스북 과학동아카카오스토리 과학동아트위터
  • 과학동아천문대
    과학동아천문대페이스북
  • 어과동TV
    어과동TV페이스북