첨단 마이크로폰, 수백 마일 밖 난기류 감지

스핀오프(Spinoff)는 NASA 기술을 성공적으로 상용화한 사례를 다루는 NASA의 연간 간행물입니다. 이 상용화는 보건·의료, 소비재, 운송, 공공 안전, 컴퓨터 기술, 환경 자원 분야의 제품 및 서비스 개발에 기여했습니다.

대기 중의 모든 것은 소리를 냅니다. 화산이 굉음을 내고 폭포가 굉음을 내지만, 우리 귀가 인지하는 것 이상의 소리가 있습니다. 적외선이 육안으로 보이지 않는 주파수로 구성된 것처럼, 인간의 귀로 들을 수 없는 너무 낮은 피치(0.001~20헤르츠)로 구성된 소리의 대응 개념인 인프라사운드(infrasound)가 있습니다.

비행 중 갑자기 겪는 난기류는 눈에 보이는 구름이나 대기 현상이 없어 경고가 없기 때문에 '청천 난기류(clear-air turbulence)'라 불립니다. 눈에 보이지 않는 난기류가 갑자기 나타나 항공기에 큰 피해를 줄 수 있습니다.

시각적으로 쉽게 감지되지 않지만, 청천 난기류는 분명한 인프라사운드 신호를 가집니다. NASA 랭글리 연구센터의 쿠마르 샤름(Qamar Shams)과 앨런 주커워(Allan Zuckerwar) 연구원은 관제사나 조종사가 항공기가 만나기 전에 이 소용돌이 소리를 들을 수 있다면 대체 항로를 짤 수 있을 것이라 생각했습니다.

이들의 실험은 2007년에 시작됐지만 초기 테스트에서는 시판 마이크로폰으로는 인프라사운드를 잡아낼 수 없음을 알게 됐습니다. 긴 파장 저주파수가 고주파 소리에 압도돼 간섭이 발생하기 때문입니다.

두 연구원은 고충실도로 이 저주파를 들을 수 있는 장치 개발에 착수했습니다. 마이크로폰은 진동판이 음파에 진동해 오디오를 포착합니다. 연구자들은 넓은 반경의 저장력 진동판과 그 뒤에 큰 밀폐 공기실을 결합해, 멀리까지 전파되는 초저주파 음파를 들을 수 있게 했습니다. 이 인프라사운드 마이크로폰은 뉴욕주 디퓨의 PCB 피에조트로닉스(PCB Piezotronics)가 랭글리와의 계약 하에 제조합니다.

센서 완성 후 테스트를 시작했습니다. 마이크로폰을 랭글리 활주로 주변에 정삼각형으로 배치했을 때, 300마일(약 480km) 밖의 대기 난기류를 포착하고 위치를 특정할 수 있었습니다.

2017년까지 이 기술은 NASA 올해의 상용 발명상 수상, 국방부 지상 테스트, 샌디아 국립연구소 성능 검증 등을 거쳤지만 항공기 탑재는 이뤄지지 않았습니다. 스트라토다이내믹스(Stratodynamics, 델라웨어주 루이스)의 난기류 감지 관심이 이를 바꾸었습니다.

스트라토다이내믹스는 이 마이크로폰 시스템이 기내 난기류 감지 센서로서 큰 잠재력이 있음을 깨닫고 기술 테스트 기회를 찾았습니다. NASA에서 특허 라이선스를 취득한 후, 무인 성층권 글라이더인 하이드론(HiDRON)에 센서를 탑재하기 시작했습니다.

스트라토다이내믹스는 풍선으로 발사하는 하이드론 글라이더를 10만 피트(약 30km) 이상 고도까지 띄웠고, 거기서 천천히 지구로 내려옵니다. 인프라사운드 마이크로폰과 풍향·풍속 프로브의 도움으로 UAV는 경로 상의 난기류 강도를 원거리에서 측정하고, 열기류를 감지해 비행 시간을 늘릴 수도 있습니다. 현재 난기류 신호의 강도와 범위를 해석하는 알고리즘 설계 작업이 진행 중입니다.

연구자들은 인프라사운드 마이크로폰이 제공하는 데이터가 난기류 감지·예보, 관제 의사결정, 항공로 계획에 널리 쓰이길 희망합니다.

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