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이러한 급속한 성장은 지속가능성에 대한 우려를 불러일으켰습니다. 이에 대응하여 한 공과대학의 연구원들은 훨씬 더 효율적으로 설계된 개념 증명 AI 시스템을 만들었습니다. 그들의 접근 방식은 에너지 사용을 최대 100배까지 줄이는 동시에 작업 성능도 향상시킬 수 있습니다.

Neuro-Symbolic AI라는 하이브리드 접근 방식

이 연구는 Karol Family 응용 기술 교수인 Matthias Scheutz의 연구실에서 나왔습니다. 그의 팀은 전통적인 신경망과 상징적 추론을 결합한 신경 기호 AI를 개발하고 있습니다. 이 방법은 문제를 단계와 범주로 나누어 사람들이 문제에 접근하는 방식을 반영합니다.

이 작업은 5월 비엔나에서 열리는 국제 로봇공학 및 자동화 회의에서 발표될 예정이며 회의 진행 과정에도 나타날 예정입니다.

보고, 이해하고, 행동하도록 로봇을 가르치기

ChatGPT 및 Gemini와 같은 친숙한 대형 언어 모델(LLM)과 달리 팀은 로봇 공학에 사용되는 AI 시스템에 중점을 둡니다. 이러한 시스템을 VLA(시각적 언어 동작) 모델이라고 합니다. 비전과 신체 움직임을 통합하여 LLM 기능을 확장합니다.

VLA 모델은 카메라의 시각적 데이터와 언어의 지시를 받아들인 다음 해당 정보를 실제 행동으로 변환합니다. 예를 들어 로봇의 바퀴, 팔, 손가락을 제어하여 작업을 완료할 수 있습니다.

전통적인 AI가 단순한 작업에 어려움을 겪는 이유

기존 VLA 시스템은 데이터와 시행착오 학습에 크게 의존합니다. 로봇이 블록을 타워에 쌓으라는 요청을 받으면 먼저 장면을 분석하고 각 블록을 식별한 후 올바르게 배치하는 방법을 결정해야 합니다.

이 과정은 종종 실수로 이어집니다. 그림자는 블록의 모양에 대해 시스템을 혼란스럽게 하거나 로봇이 조각을 잘못 배치하여 구조가 붕괴될 수 있습니다.

이러한 오류는 LLM에서 나타나는 문제와 유사합니다. 로봇이 블록을 잘못 배치할 수 있는 것처럼 챗봇도 허위 또는 오해의 소지가 있는 출력을 생성할 수 있습니다. 예를 들어 법적 사건을 조작하거나 여분의 손가락과 같은 비현실적인 세부 사항이 포함된 이미지를 생성하는 것이 포함됩니다.

상징적 추론이 정확성과 효율성을 향상시키는 방법

상징적 추론은 다른 전략을 제공합니다. 데이터의 패턴에만 의존하는 대신 규칙과 모양, 균형 등 추상적인 개념을 사용합니다. 이를 통해 시스템은 보다 효과적으로 계획을 세우고 불필요한 시행착오를 피할 수 있습니다.

Scheutz는 “LLM과 마찬가지로 VLA 모델은 유사한 시나리오의 대규모 교육 세트에서 얻은 통계 결과에 따라 작동하지만 이로 인해 오류가 발생할 수 있습니다”라고 말했습니다. “신경 기호 VLA는 학습 중에 시행착오의 양을 제한하는 규칙을 적용하고 솔루션에 훨씬 더 빠르게 도달할 수 있습니다. 작업을 훨씬 빠르게 완료할 뿐만 아니라 시스템 교육에 소요되는 시간도 크게 줄어듭니다.”

퍼즐 테스트에서 강력한 결과

연구원들은 신중한 계획이 필요한 고전적인 문제인 하노이 타워 퍼즐을 사용하여 시스템을 테스트했습니다.

신경 기호 VLA는 표준 시스템의 성공률이 34%에 불과한 데 비해 95%의 성공률을 달성했습니다. 이전에 접하지 못했던 더 복잡한 버전의 퍼즐이 주어졌을 때 하이브리드 시스템은 여전히 ​​78%의 성공률을 보였습니다. 기존 모델은 모든 시도에서 실패했습니다.

훈련시간도 급격하게 단축됐다. 새로운 시스템은 단 34분 만에 작업을 학습했지만 기존 모델은 하루 반 이상이 걸렸습니다.

교육 및 사용 시 엄청난 에너지 절감

에너지 소비도 획기적으로 줄었습니다. 신경 기호 모델을 훈련하는 데는 표준 VLA 시스템에서 사용하는 에너지의 1%만 필요했습니다. 작동 중에는 기존 접근 방식에 필요한 에너지의 5%만 사용했습니다.

Scheutz는 이러한 비효율성을 일상적인 AI 도구와 비교했습니다. “이러한 시스템은 단지 다음 단어나 동작을 순차적으로 예측하려고 시도하지만 불완전할 수 있으며 부정확한 결과나 환각을 내놓을 수 있습니다. 에너지 비용은 종종 작업에 비해 불균형합니다. 예를 들어 Google에서 검색할 때 페이지 상단의 AI 요약은 웹 사이트 목록을 생성하는 것보다 최대 100배 더 많은 에너지를 소비합니다.”

전력 인프라에서 AI의 부담 증가

산업 전반에 걸쳐 AI 채택이 가속화됨에 따라 컴퓨팅 성능에 대한 수요도 계속 증가하고 있습니다. 기업들은 점점 더 큰 규모의 데이터 센터를 구축하고 있으며, 그 중 일부에는 수백 메가와트의 전력이 필요합니다. 이러한 소비 수준은 전체 소도시의 요구 사항을 초과할 수 있습니다.

이러한 추세는 인프라 확장 경쟁을 촉발시켰고, 장기적인 에너지 제한에 대한 우려를 불러일으켰습니다.

AI를 위한 보다 지속 가능한 경로

연구원들은 LLM 및 VLA를 기반으로 한 현재 접근 방식이 장기적으로 지속 가능하지 않을 수 있다고 제안합니다. 이러한 시스템은 강력하지만 많은 양의 에너지를 소비하며 여전히 신뢰할 수 없는 결과를 생성할 수 있습니다.

이와 대조적으로 신경기호적 AI는 다른 방향을 제시합니다. 학습과 구조화된 추론을 결합함으로써 미래 AI 시스템을 위한 보다 효율적이고 신뢰할 수 있는 기반을 제공할 수 있습니다.

극히 작은 규모로 빛을 조작하는 것은 현대 기술 발전의 핵심입니다. 기존 전자 장치가 한계에 도달하기 시작하면서 포토닉스는 전자 대신 빛을 사용하여 정보를 전달하는 대안을 제시합니다. 광자는 더 빠르게 움직이고 전자와 같은 질량을 갖지 않기 때문에 빛을 기반으로 한 장치는 더 빠르고 더 작아질 수 있으며 더 강력하고 컴팩트한 기술의 문을 열 수 있습니다.

빛의 파장에 대한 도전

빛은 입자이자 파동으로 행동하며 이러한 파동 특성으로 인해 한계가 발생합니다. 각 유형의 빛에는 파장이 있는데, 이는 구조를 효과적으로 제어하면서 구조가 얼마나 작아질 수 있는지를 결정합니다. 가시광선의 파장은 수백 나노미터인 반면, 적외선의 파장은 1 마이크로미터 이상입니다. 이는 중요한 질문을 제기합니다. 빛이 자신의 파장보다 작은 구조에 가두어질 수 있습니까?

연구팀은 이것이 실제로 가능하다는 것을 입증했다. 파장 이하 격자를 설계함으로써 그들은 두께가 40나노미터에 불과한 층 내에 적외선을 가둘 수 있었습니다. 이 구조는 프리즘과 유사하게 빛과 상호 작용하는 촘촘한 간격의 평행 스트립으로 구성됩니다. 이러한 스트립이 빛의 파장보다 서로 더 가깝게 배치되면 격자는 거의 완벽한 거울처럼 작동하는 동시에 매우 작은 볼륨 내부에 빛을 담을 수 있습니다.

몰리브덴 디셀레나이드가 효과가 좋은 이유

실리콘이나 갈륨 화합물과 같은 재료로 만들어진 이전 버전의 격자는 효과적으로 작동하려면 수백 나노미터의 두께가 필요했습니다. 크기를 줄이면 빛을 가두는 능력이 상실됩니다. 이 새로운 접근 방식의 주요 차이점은 굴절률이 훨씬 높은 몰리브덴 디셀레나이드를 사용한다는 것입니다. 간단히 말해서, 이 물질 내부에서는 다른 물질보다 빛의 속도가 더 느려집니다. 빛은 유리에서는 약 1.5배, 실리콘이나 갈륨비소에서는 약 3.5배, MoSe에서는 약 4.5배 느려집니다.₂. 이 강력한 감속 효과로 인해 구조가 극적으로 줄어들면서 동시에 빛을 효율적으로 가두어 인간의 머리카락보다 천 배 이상 얇은 층을 만들 수 있습니다.

적외선을 청색광으로 전환

모스₂ 또한 추가적인 이점을 제공합니다. 그래핀과 마찬가지로 층상구조를 이루고 있지만 그래핀과는 달리 반도체이다. 또한 3차 고조파 생성으로 알려진 프로세스를 포함하여 비선형 광학 동작을 나타냅니다. 이 과정에서 3개의 적외선 광자가 더 높은 주파수의 광자 1개로 결합되어 적외선을 가시적인 청색광으로 효과적으로 변환합니다. 격자는 적외선을 강하게 집중시키기 때문에 이 변환은 훨씬 더 효율적입니다. 연구진은 동일한 재료로 만든 평평한 층에 비해 효과가 1,500배 이상 더 강하다는 것을 발견했습니다.

또 다른 주요 발전은 재료가 생산되는 방식에 있습니다. 이전에는 MoSe의 얇은 층이₂ 접착 테이프를 사용하여 크리스탈에서 층을 벗겨내는 것과 유사한 방법인 박리를 사용하여 만들어졌습니다. 이 기술은 간단하지만 일관성이 없으며 일반적으로 약 10제곱 마이크로미터 정도의 매우 작은 영역으로 제한되므로 실제 장치에는 적합하지 않습니다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 반도체 층 성장에 널리 알려진 방법인 분자빔 에피택시(MBE)를 사용했다. 이 접근법을 통해 그들은 크고 균일한 MoSe를 생산할 수 있었습니다.₂ 수 평방 인치에 달하는 필름. 이렇게 큰 크기에도 불구하고 층의 두께는 40나노미터에 불과해 극단적인 종횡비를 제공합니다. 비교를 위해 이 층의 두께 대 크기 비율은 약 1:100만인 반면, 일반적인 A4 용지의 비율은 1:2000에 가깝습니다.

실용적인 광자 응용을 향하여

이러한 결과는 이러한 방식으로 생산된 몰리브덴 디셀레나이드가 미래 기술에서 빛을 제어하는 ​​방식을 크게 바꿀 수 있음을 시사합니다. 빛을 효과적으로 조작하기 위해 더 이상 구조물이 두꺼울 필요가 없습니다. 대신, 극도로 얇은 층은 동일한 기능을 수행할 수 있으며 경우에 따라 더 나은 기능을 수행할 수 있습니다. 생산 방법이 확장 가능하기 때문에 광자 집적 회로와 같은 실제 애플리케이션을 향한 경로가 점점 더 현실화되고 있습니다.

자금 및 지원

이 연구는 OPUS 2020/39/B/ST7/03502 및 2021/41/B/ST3/04183 프로젝트에 따라 국립 과학 센터에서 자금을 지원받았으며, ERC-ADVANCED 보조금 번호 101053716에 따라 유럽 연합 자금, 프로젝트 ENG.02.01-IP.05-T004/23에 따라 폴란드 과학 재단 및 바르샤바 대학교에서 자금을 지원 받았습니다. Excellence Initiative – 연구 대학(IDUB) 우선 연구 분야 II의 새로운 아이디어 No. 501-D111-20-2004310 제목은 “디칼코게나이드 기반 초박형 서브파장 격자”입니다.

화학 반응에 의존하는 기존 배터리와 달리 양자 배터리는 양자 물리학의 특이한 원리에 의존합니다. 그들은 빛과 전자 사이의 중첩 및 상호 작용과 같은 효과를 사용하여 훨씬 더 빠른 충전과 더 큰 에너지 저장 용량을 허용할 수 있습니다.

실용적인 양자 배터리는 아직 사용할 수 없지만 이와 같은 발전은 결국 에너지가 저장되고 전달되는 방식을 바꿀 수 있음을 시사합니다.

이 연구는 호주 국립 과학 기관인 CSIRO가 RMIT 대학 및 멜버른 대학과 협력하여 주도했습니다. 연구 결과는 3월 13일에 발표되었다. 빛: 과학 및 응용.

양자 배터리는 성장할수록 더 빨라진다

연구 공동저자이자 RMIT 박사과정 후보자인 Daniel Tibben은 팀이 놀라운 이점을 발견했다고 말했습니다.

“우리의 연구에 따르면 양자 배터리는 크기가 커질수록 더 빨리 충전되는데, 이는 오늘날의 배터리 작동 방식이 아닙니다.”라고 Tibben은 말했습니다.

“이것은 양자 배터리가 언젠가 기존의 에너지 저장 기술을 능가할 수 있다는 신호입니다.”

이러한 동작은 크기가 커져도 효율성을 얻지 못하는 기존 배터리와 크게 대조됩니다. 이번 발견은 더욱 강력하고 효율적인 에너지 시스템을 향한 잠재적 경로를 강조합니다.

작동하는 프로토타입이 주요 기능을 보여줍니다.

공동 저자이자 RMIT 화학물리학 교수인 Daniel Gómez는 이 장치가 중요한 이정표를 세웠다고 설명했습니다.

“우리는 충전이 가능하고 에너지를 저장한 다음 방전할 수 있는 장치를 시연했습니다.”라고 Gómez는 말했습니다.

“이것은 빠르게 성장하는 학제간 분야에서 흥미로운 발전입니다.

“양자 배터리는 곧 더 이상 이론적인 아이디어가 아니라 실험실에서 만들 수 있는 무언가가 되기를 바랍니다.”

양자 배터리는 오늘날 배터리에 사용되는 화학적 공정이 아닌 중첩, 얽힘 등 양자 역학의 핵심 원리를 사용하여 작동합니다.

프로토타입 자체는 작은 층의 유기 장치입니다. 레이저를 사용하여 무선으로 충전할 수 있으며, 직접적인 물리적 연결 없이 에너지가 어떻게 전달될 수 있는지 보여줍니다.

레이저 충전 및 미래 에너지 가능성

수석 저자이자 CSIRO 과학 리더인 James Quach 박사는 이 연구가 새로운 종류의 에너지 미래를 향한 방향이라고 말했습니다.

“우리의 개념 증명 장치는 상온에서 신속하고 확장 가능한 충전 및 에너지 저장을 선보이며 차세대 에너지 솔루션의 토대를 마련합니다.”라고 그는 말했습니다.

“양자 배터리 연구에서는 아직 해야 할 일이 많지만, 우리는 가능성을 실현하는 데 중요한 진전을 이루었습니다.

“저의 궁극적인 야망은 휘발유 자동차보다 훨씬 빠르게 전기 자동차를 충전하거나 무선으로 장거리 장치를 충전할 수 있는 미래입니다.”

실제 응용 프로그램으로 이동

연구팀은 현재 양자 배터리가 얼마나 오랫동안 충전을 유지할 수 있는지 확장하기 위해 노력하고 있습니다. 에너지 저장 시간을 개선하는 것은 기술을 실용적이고 상업적으로 실행 가능하게 만드는 데 중요합니다.

아직 초기 단계에 있지만, 이 획기적인 발전은 양자 배터리가 언젠가는 더 빠른 충전, 무선 에너지 전송 및 오늘날의 배터리 기술을 능가하는 성능을 제공할 수 있음을 시사합니다.

오늘날 식품은 디지털 시스템에서 인식되고 승인된 경우에만 공급망을 통해 이동합니다. 데이터베이스, 플랫폼 및 자동화된 프로세스에 따라 배송 진행 여부가 결정됩니다. 시스템인 경우 배송을 확인하지 못했습니다식품을 출시하거나 보험에 가입하거나 판매하거나 합법적으로 배포할 수 없습니다. 실제로 이러한 시스템에서 “보이지” 않는 식품은 사용할 수 없게 됩니다.

이러한 증가하는 의존성은 이제 다음과 같은 것으로 간주됩니다. 영국 식량 시스템의 주요 약점.

최근 사이버 공격 위험을 강조합니다. 미국의 식료품 및 유통 네트워크 중단으로 인해 주문 시스템이 중단되고 여러 주요 체인의 배송이 지연되었습니다. 음식이 물리적으로 이용 가능하더라도 시스템을 통해 이동할 수는 없습니다.

식품 공급망에서 자동화된 의사결정의 증가

핵심 문제는 많은 결정 이제 자동화되거나 불투명한 시스템으로 만들어집니다. 이러한 프로세스는 종종 설명하기 어렵고 도전하기가 거의 불가능합니다. 동시에 효율성을 높이기 위해 수동 백업 절차가 제거되고 있습니다.

이러한 변화는 농장에서 슈퍼마켓에 이르기까지 전 세계적으로 일어나고 있습니다. 디지털 도구는 효율성을 향상시켰지만, 물류 및 운송 시스템에 대한 압박 증가특히 적시 납품을 위해 설계된 것입니다.

AI 사용

인공 지능과 데이터 기반 도구는 이제 농업과 식품 유통의 다양한 측면을 안내합니다. 수요 예측, 재배 최적화, 배송 우선순위 지정 및 재고 관리에 도움이 됩니다. 사용에 대한 검토를 통해 이러한 시스템은 이제 대부분의 단계에 걸쳐 내장되어 있음을 알 수 있습니다. 영국 식량 시스템. 그러나 그들은 또한 소개합니다 새로운 위험.

식량 할당에 대한 결정을 검토하거나 설명할 수 없는 경우 통제는 인간의 판단에서 소프트웨어로 옮겨갑니다. 기업에서는 비용을 절감하고 시간을 절약하기 위해 자동화에 점점 더 의존하고 있습니다. 그 결과, 다음과 같은 중요한 결정이 내려졌습니다. 음식이 어디로 가는지, 누가 접근할 수 있는지 사람들이 할 수 없는 시스템에 의해 만들어진다. 질문 또는 무시.

이것은 단지 이론적인 것이 아닙니다. 동안 2021년 JBS Foods 랜섬웨어 공격동물, 작업자, 시설이 모두 갖추어져 있음에도 불구하고 육류 가공 작업이 중단되었습니다. 일부 호주 농부들은 시스템을 무시했지만 많은 혼란이 남아 있었습니다. 최근에는 대형 유통업체의 실패 사례가 나타났습니다. 배송이 얼마나 빨리 중단될 수 있는지상품이 있는 경우에도 마찬가지입니다.

인력 감소, 백업 옵션 감소

또 다른 우려 사항은 이러한 시스템을 관리하도록 교육받은 인력의 수가 줄어들고 있다는 것입니다. 수동 프로세스는 종종 비효율적이며 점차적으로 폐지됨. 직원들은 더 이상 사용할 것으로 예상되지 않는 재정의를 수행하도록 교육받지 않습니다. 문제가 발생하면 개입하는 데 필요한 기술이 필요할 수 있습니다. 더 이상 사용할 수 없습니다..

이 문제는 운송, 창고 보관 및 공중 보건 검사 분야의 지속적인 인력 부족으로 인해 더욱 악화됩니다. 시스템이 복구된 후에도 원활하게 운영을 재개할 만큼 숙련된 직원이 충분하지 않을 수 있습니다.

위험은 시스템이 실패하는 것뿐만 아니라 실패는 빠르게 퍼진다 그럴 때. 예측이라기보다는 스트레스 테스트라고 생각하세요. 승인 시스템이 정지될 수 있습니다. 트럭이 완전히 적재되었을 수 있지만 릴리스 코드는 작동하지 않습니다. 운전자들이 기다리고 있습니다. 음식이 있지만 움직일 수 없습니다.

과거 사건 디지털 기록과 물리적 현실이 얼마나 빨리 동기화되지 않을 수 있는지 보여줍니다. 며칠 내에 재고 시스템이 실제로 선반에 있는 것과 더 이상 일치하지 않을 수 있습니다. 약 72시간 후에는 수동 개입이 필요해집니다. 그러나 많은 경우 종이 기반 절차가 제거되었으며 직원은 이를 사용하도록 교육받지 않았습니다.

연구 영국의 식량 시스템 취약점 이러한 붕괴는 식량 부족보다는 조직의 약점으로 인해 발생하는 경우가 많다는 것을 시사합니다.

식량 안보는 승인에 관한 것이기도 합니다

식량 안보는 일반적으로 공급 측면에서 논의됩니다. 하지만 그만큼 중요한 또 다른 요소가 있습니다. 권한 부여. 디지털 매니페스트가 손상되었거나 사용할 수 없는 경우 배송이 절대 발송되지 않을 수 있습니다.

이는 수입 의존도가 높고 물류 네트워크가 복잡한 영국과 같은 국가에서 특히 중요합니다. 회복탄력성은 식품이 국경을 넘어 이동하는 방식뿐만 아니라 데이터와 의사결정이 관리되는 방식 시스템 내에서.

누가 시스템을 통제하는가?

AI는 식량안보 강화에 긍정적인 역할을 할 수 있다. 정밀농업 (예를 들어, 식물을 심거나 물을 주는 시기를 결정하기 위해 데이터를 사용) 및 조기 경보 시스템은 이미 손실을 줄이고 수확량을 향상시키는 데 도움이 되었습니다. 문제는 AI를 사용할지 여부가 아니라 AI를 어떻게 관리하고 감독할 책임이 누구인지입니다.

인간의 감독은 여전히 ​​필수적입니다. 식품 시스템에는 시스템이 실패할 때 개입할 수 있는 훈련된 직원이 필요하며, 이러한 기술을 유지하기 위한 정기적인 훈련도 필요합니다. 식품 유통을 안내하는 알고리즘은 감사할 수 있을 만큼 투명해야 합니다. 상업적 비밀이 공공 안전보다 우선되어서는 안 됩니다. 농부와 지역사회 역시 자신의 데이터와 지식에 대한 통제권이 필요합니다.

이것은 멀리 있거나 가상적인 위험이 아닙니다. 식품으로 가득 찬 창고가 어떻게 변할 수 있는지 이미 설명되어 있습니다. 접근할 수 없는 또는 무시됩니다.

진짜 질문은 디지털 시스템이 실패할지 여부가 아닙니다. 그것은 우리가 그렇게 해도 계속 기능할 수 있는 식량 시스템을 구축하고 있는지 여부입니다.

행성 자기장(자기권)은 보호막 역할을 하여 태양풍에서 고도로 전하를 띤 입자의 흐름을 차단합니다. 토성의 자기권은 거대하여 행성 직경의 10배 이상에 달합니다.

카시니 연구로 토성의 자기 첨점을 찾아내다

연구 결과는 네이처커뮤니케이션즈는 NASA의 카시니 임무에서 6년간의 관측을 기반으로 합니다. 연구자들은 토성의 첨점(자기장 선이 극 쪽으로 뒤로 휘어져 하전 입자가 대기 중으로 유입되는 영역)의 정확한 위치를 식별하는 데 중점을 두었습니다.

분석 결과, 이 교두는 지속적으로 한쪽으로 이동하는 것으로 나타났습니다. 태양에서 보면 오른쪽으로 옮겨진 것처럼 보이며 지구에서 볼 때 12시가 아닌 1시에서 3시 사이(시계 문자판에 나타날 수 있음)에 가장 자주 위치합니다.

빠른 회전과 플라즈마가 변화를 주도합니다

과학자들은 이러한 상쇄가 두 가지 주요 요인과 연관되어 있다고 믿습니다. 토성은 매우 빠르게 회전하여 단 10.7시간 만에 한 회전을 완료합니다. 동시에, 그것은 밀도가 높은 플라즈마(이온화된 가스)의 “수프”로 둘러싸여 있으며, 그 중 대부분은 위성, 특히 엔셀라두스에서 방출되는 가스에서 비롯됩니다.

빠른 회전과 무거운 플라즈마 환경이 함께 자기장선을 옆으로 끌어당기는 것처럼 보입니다. 연구원들은 이 설명을 완전히 확인하려면 추가 시뮬레이션이 필요하다고 지적합니다.

엔셀라두스와 생명탐험

토성의 주변 환경은 지하 바다에서 얼음 기둥을 뿜어내고 잠재적으로 생명체를 지탱할 수 있는 달인 엔셀라두스 때문에 관심이 높아지고 있습니다. 또한 2040년대에 계획된 유럽 우주국 임무의 주요 목표이기도 합니다.

공동 저자인 Andrew Coates 교수(UCL의 Mullard 우주 과학 연구소)는 다음과 같이 말했습니다. “교두는 태양풍이 자기권으로 직접 미끄러질 수 있는 곳입니다. 토성의 교두의 위치를 ​​알면 전체 자기 거품을 더 잘 이해하고 매핑하는 데 도움이 될 수 있습니다.

“토성과 그 달인 엔셀라두스로의 복귀 계획이 개발되기 시작함에 따라 토성의 환경에 대한 더 나은 이해가 특히 시급합니다. 이러한 결과는 우리가 그곳으로 돌아갈 것이라는 기대감을 불러일으킵니다. 이번에는 거주 가능성의 증거와 생명의 잠재적 징후를 찾을 것입니다.

“이 연구는 또한 활동적인 달을 가진 토성과 같은 거대한 행성의 빠른 회전이 자기권을 형성하는 지배적인 힘인 태양풍을 대체한다는 오랜 이론에 대한 중요한 증거를 제공합니다. 이는 토성의 자기권뿐만 아니라 빠르게 회전하는 다른 거대 가스 행성의 자기권이 지구와 근본적으로 다를 가능성이 있음을 보여줍니다.”

“엔셀라두스 자체는 이온화되는 엄청난 양의 수증기를 방출하고, 행성이 회전할 때 끌어당기는 무거운 플라즈마로 자기권을 로딩하는 이 환경의 핵심 동인입니다.”

행성 자기장에 대한 새로운 통찰력

국제 연구팀에는 중국과학원, 남부과학기술대학교, 홍콩대학교의 과학자들이 포함됐다.

교신저자인 Zhonghua Yao 교수(홍콩대학교)는 “토성의 자기 구조와 지구의 자기 구조의 차이는 서로 다른 행성에 걸친 태양풍 상호 작용을 지배하는 통일된 기본 과정을 가리킨다. 포괄적인 지상 관측을 통해 지구의 작동 메커니즘이 밝혀지고, 행성 간의 비교 연구는 외계 행성과 같은 다른 시스템을 이해하는 데 적용할 수 있는 기본 법칙을 알려준다”고 말했습니다.

수석 저자인 중국 남부 과학 기술 대학의 Yan Xu 박사는 다음과 같이 말했습니다. “카시니 관측과 시뮬레이션을 결합함으로써 우리는 토성의 빠른 회전과 위성 엔셀라두스의 플라즈마가 함께 교두의 비대칭적인 전역 분포를 형성한다는 것을 발견했습니다. 우리는 이것이 목성과 토성의 우주 환경에 대한 향후 탐사에 유용한 참고 자료가 되기를 바랍니다.”

Cassini Instruments의 주요 이벤트 캡처

카시니가 교두를 통과한 시기를 확인하기 위해 팀은 두 개의 탑재 장비(카시니 자력계(MAG)와 카시니 플라즈마 분광계(CAPS))의 데이터를 분석했습니다. 그들은 감지된 전자의 에너지 수준과 같은 지표를 기반으로 2004년부터 2010년 사이에 67개의 그러한 사건을 식별했습니다.

이러한 관찰을 사용하여 연구원들은 토성의 자기장 시뮬레이션을 만들었습니다. 그들은 자기권과 외부 경계에서 태양풍 사이의 상호 작용이 목성에서 관찰된 과정과 매우 유사하다는 것을 발견했습니다.

데이터의 상당 부분은 UCL의 Mullard Space Science Laboratory의 Coates 교수가 이끄는 팀이 개발한 CAPS 전자 센서에서 나왔습니다.

이 연구는 영국 과학기술시설협의회, 중국 국립자연과학재단, 기타 자금 지원 기관의 지원을 받았습니다.

이 발견은 대학원 조교인 Hillary Andales 및 Pierre Thibodeaux와 함께 SDSS-V의 프로젝트 과학자인 Alex Ji 교수가 가르치는 대학의 “천체물리학 현장 과정”에 등록한 10명의 학생에 의해 이루어졌습니다.

빅데이터가 어떻게 중요한 발견으로 이어졌는가

SDSS는 75개 이상의 과학 기관이 참여하는 글로벌 협력체로 25년 동안 운영되어 왔습니다. 그 임무는 연구원과 학생 모두가 이를 탐색할 수 있도록 대규모 천문학 데이터 세트를 공개적으로 제공하는 것입니다. 현재 단계에서 이 프로젝트는 로봇 기기를 사용하여 하늘에 있는 수백만 개의 물체로부터 스펙트럼을 수집하여 과학자들이 시간이 지남에 따라 별, 블랙홀 및 은하가 어떻게 진화하는지 연구하는 데 도움을 줍니다.

Ji의 수업에서 학생들은 SDSS 데이터를 직접 사용하여 작업했습니다. 몇 주에 걸쳐 그들은 최신 설문 조사 결과에서 수천 개의 별을 조사하여 특이한 후보를 찾았습니다. 이러한 노력을 통해 그들은 계획된 관측 여행 동안 더 자세히 연구할 별 77개를 선택했습니다.

모든 것을 변화시킨 봄방학 여행

그룹은 봄 방학 동안 칠레에 있는 Carnegie Science의 Las Campanas 천문대를 방문하여 Magellan 망원경의 Magellan Inamori Kyocera Echelle(MIKE) 장비를 사용했습니다. 그들의 첫 번째 관측 세션은 2025년 3월 21일에 열렸습니다. 그날 밤 그들이 조사한 두 번째 별인 SDSSJ0715-7334는 빠르게 눈에 띄었습니다.

“우리는 첫날 밤에 그것을 발견했고, 그 때문에 코스에 대한 우리의 계획이 완전히 바뀌었습니다”라고 Ji는 말했습니다.

당초 계획은 각 표적을 10분 정도 관찰하는 것이었다. 이 별이 얼마나 특이한지 깨닫고 나서 학생들은 다음날 밤에 그것을 연구하는 데 3시간을 보냈습니다.

이번 발견에 참여한 학생 중 한 명인 나탈리 오란티아(Natalie Orrantia)는 “나는 카메라가 제대로 작동하는지 확인하기 위해 밤새도록 카메라를 바라보고 있었다”고 말했습니다.

다른 은하계에서 온 “고대 이민자” 별

그 별은 거의 전적으로 수소와 헬륨으로 이루어진 매우 순수한 것으로 밝혀졌습니다. 이 화학적 구성은 이 별이 우주 역사 초기에 형성되었음을 나타내며, 이는 지금까지 관측된 가장 오래된 별 중 하나입니다.

추가 분석을 통해 이 별은 은하수에서 탄생한 것이 아니라는 사실이 밝혀졌습니다. 대신, 그것은 우리 은하의 가장 큰 동반은하인 대마젤란은하에서 형성되었고, 나중에 수십억 년 전에 우리 은하계로 이주했습니다. 출신지와 나이로 인해 지씨는 이를 ‘고대 이민자’로 묘사했다.

“이 고대 이민자는 우리에게 초기 우주의 조건에 대한 전례 없는 시각을 제공합니다.”라고 Ji가 말했습니다. “SDSS와 같은 빅 데이터 프로젝트를 통해 학생들은 이러한 중요한 발견에 직접 참여할 수 있습니다.”

기록적으로 낮은 금속성으로 초기 우주 기원 밝혀

천문학자들은 수소와 헬륨보다 무거운 원소를 설명하기 위해 “금속”이라는 용어를 사용합니다. 별의 “금속성”은 별에 얼마나 많은 무거운 원소가 포함되어 있는지를 나타냅니다. SDSSJ0715-7334는 태양에서 발견되는 금속의 0.005%만을 함유하고 있어 지금까지 관측된 별 중 가장 금속이 부족한 별이 되었습니다. 이는 이전 기록 보유자보다 금속이 부족한 별의 두 배 이상입니다.

연구팀의 또 다른 학생인 하도(Ha Do)는 “우리는 별의 다양한 원소를 분석했는데, 그 모든 원소의 존재비는 매우 낮았다”고 말했습니다.

낮은 금속성은 수명을 나타내는 주요 지표입니다. 초신성 폭발로 인해 수소와 헬륨보다 무거운 원소가 생성됩니다. 이러한 원소가 거의 없는 별은 대부분의 초신성이 발생하기 전에 형성되었음에 틀림없으며, 이는 이 별이 우주에서 가장 초기 세대의 별에 속할 가능성이 있음을 의미합니다.

은하계를 가로지르는 별의 여행 추적하기

별의 역사를 더 잘 이해하기 위해 팀은 관찰 내용을 유럽 우주국의 Gaia 임무 데이터와 결합했습니다. 이를 통해 그들은 거리와 은하수를 통한 움직임을 모두 계산할 수 있었습니다.

수십억 년에 걸쳐 그 경로를 추적함으로써 그들은 별이 대마젤란 구름에서 유래한 후 결국 은하수로 끌려간다는 것을 알아냈습니다.

희귀한 화학적 특징과 예상치 못한 단서

추가 분석을 통해 또 다른 놀라운 특징이 드러났습니다. 지 선생님은 수업을 그룹으로 나누어 스타의 다양한 면모를 연구했습니다. Orrantia와 Do는 팀을 이끌고 탄소 함량을 조사했는데, 탄소 함량이 너무 낮아 감지할 수 없는 것으로 나타났습니다.

“별은 탄소가 너무 적어 우주 먼지가 일찍 뿌려져 별이 만들어졌음을 암시합니다”라고 Ji 씨는 말했습니다. “이 형성 경로는 이전에 한 번만 보였습니다.”

미래의 경력을 형성하는 발견

학업 초기에 이러한 중요한 발견에 참여하는 것은 학생들의 미래 계획에 영향을 미쳤습니다. Orrantia와 Do는 이제 천문학 분야 대학원 공부를 계속할 계획입니다.

Do는 “이런 일에 실제로 기여할 수 있다는 것은 매우 흥미로운 일입니다.”라고 말했습니다.

“이 학생들은 가장 깨끗한 별 그 이상을 발견했습니다.” SDSS-V의 이사인 Juna Kollmeier는 말했습니다. “그들은 물리학에 대한 양도할 수 없는 권리를 발견했습니다. SDSS 및 Gaia와 같은 조사는 지구상의 모든 연령대의 학생들에게 이를 가능하게 하며 이 예는 여전히 발견할 여지가 많다는 것을 보여줍니다.”

지금까지 대부분의 MXene은 산소, 불소 또는 염소와 같은 표면 원자의 혼합을 재료 전체에 무작위로 분산시키는 화학적 에칭을 사용하여 생산되었습니다. 이러한 질서 부족은 문제를 야기합니다. “이 원자 장애는 마치 고속도로의 교통 속도를 늦추는 움푹 들어간 곳과 마찬가지로 전자를 가두고 산란시키기 때문에 성능을 제한합니다.”라고 Dresden TU Dr. Dongqi Li는 설명합니다.

정밀한 표면 제어로 보다 깨끗한 합성

GLS 방법으로 알려진 새로운 기술은 매우 다른 접근 방식을 취합니다. 가혹한 화학 물질에 의존하는 대신 MAX 상이라는 고체 물질로 시작하고 요오드 증기와 함께 용융 염을 사용하여 MXene 시트를 형성합니다. 이 과정을 통해 연구자들은 염소, 브롬, 요오드 등 어떤 할로겐 원자가 표면에 부착되는지 제어할 수 있습니다.

그 결과 훨씬 더 깨끗한 재료가 탄생했습니다. 표면 원자는 균일하고 고도로 질서정연하게 배열되어 불필요한 불순물이 크게 줄어듭니다. 팀은 8개의 서로 다른 MAX 단계에서 MXene을 성공적으로 생산함으로써 이 접근 방식의 다양성을 입증했습니다.

이러한 표면 변화가 성능에 어떤 영향을 미치는지 더 잘 이해하기 위해 연구원들은 밀도 함수 이론(DFT) 계산도 사용했습니다. 이러한 시뮬레이션은 다양한 표면 종단이 안정성과 전자 동작에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 자세한 통찰력을 제공했습니다. Ghorbani-Asl은 “이론을 표면 종결을 정밀하게 제어하는 ​​실험적 능력과 결합함으로써 향상된 안정성과 맞춤형 기능적 특성을 갖춘 MXene을 향한 새로운 길을 열었습니다”라고 결론지었습니다.

전도도 및 전자 이동성의 극적인 향상

새로운 방법의 영향을 강조하기 위해 팀은 티타늄 카바이드 MXene Ti에 중점을 두었습니다.₃기음₂가장 널리 연구된 사례 중 하나입니다. 기존 기술을 사용하여 생산할 경우 이 물질은 일반적으로 표면에 염소와 산소가 혼합되어 있어 전기적 성능을 방해합니다. 그러나 GLS 방법을 사용하여 연구원들은 Ti를 만들었습니다.₃기음₂Cl₂깨끗하고 규칙적인 구조로 배열된 염소 원자만 있고 불순물이 감지되지 않는 버전입니다.

“결과는 놀랍습니다. 염소 말단 MXene 변형은 기존 방법으로 만든 동일한 재료에 비해 거시적 전도성이 160배 증가하고 테라헤르츠 전도성이 13배 향상되었습니다. 또한 전자가 재료를 통해 얼마나 자유롭게 이동하는지를 나타내는 주요 척도인 전하 운반체 이동도가 거의 4배 증가한 것이 관찰되었습니다.”라고 Li는 요약합니다.

이러한 개선은 더 매끄럽고 일관된 표면에서 직접적으로 이루어집니다. 방해가 줄어들면 전자는 재료 전체를 더 자유롭게 이동할 수 있습니다. 양자 수송 시뮬레이션은 정렬된 구조가 전자 트래핑과 산란을 감소시켜 관찰된 성능 향상에 대한 명확한 설명을 제공한다는 것을 확인했습니다.

미래 기술을 위한 MXene 맞춤화

이점은 전기 전도성 이상의 것입니다. 이 연구는 또한 표면의 할로겐 유형을 변경하면 MXene이 전자기파와 상호 작용하는 방식이 변경된다는 것을 보여줍니다. 이를 통해 레이더 흡수 코팅, 전자파 차폐 및 고급 무선 기술을 포함한 특정 용도의 재료를 설계할 수 있습니다. 예를 들어, 염소 말단 MXene은 14~18GHz 범위에서 강하게 흡수하는 반면, 브롬 및 요오드 기반 버전은 다양한 주파수 범위에 반응합니다.

GLS 방법은 또한 더 많은 사용자 정의의 문을 열어줍니다. 연구자들은 다양한 할로겐화물 염을 결합하여 신중하게 제어된 비율로 두 가지 또는 심지어 세 가지 유형의 표면 할로겐을 포함하는 MXene을 만들었습니다. 표면 구성을 미세 조정하는 이러한 능력은 전자, 촉매, 에너지 저장, 포토닉스 및 기타 응용 분야를 위한 재료를 설계하는 강력하고 새로운 방법을 제공합니다.

MXene 화학의 주요 발전

전반적으로, 이 연구는 MXene 분야에서 중요한 발전을 의미합니다. 이는 고도로 정돈된 표면과 정밀하게 제어된 화학 물질을 생산하는 보다 부드럽고 널리 적용 가능한 방법을 소개합니다. 연구원들에 따르면, 이 접근 방식은 유연한 전자 장치, 고속 통신 시스템 및 고급 광전자 장치를 포함한 차세대 기술의 개발 속도를 높일 수 있습니다.

새로운 솔루션 중 하나는 전파 대신 빛을 사용하여 데이터를 전송하는 광무선 통신입니다. Light는 훨씬 더 많은 사용 가능한 대역폭을 제공하고 기존 무선 시스템과의 간섭을 피하며 높은 정밀도로 방향을 지정할 수 있습니다. 이러한 장점으로 인해 많은 사용자가 동시에 빠른 연결이 필요한 사무실, 집, 병원, 데이터 센터 및 공공 장소와 같은 실내 공간에 특히 매력적입니다.

에 발표된 연구에서 고급 포토닉스 넥서스연구원들은 매우 빠른 속도와 향상된 에너지 효율성을 모두 제공하는 소형 광학 무선 송신기를 개발했습니다. 이 시스템은 반도체 레이저 배열이 포함된 작은 칩을 중심으로 구축되었으며, 빛이 분산되는 방식을 세심하게 제어하는 ​​광학 설계와 결합되었습니다. 이러한 구성 요소는 함께 고용량 실내 무선 통신을 위한 확장 가능한 플랫폼을 만듭니다.

작은 레이저 어레이로 대용량 데이터 전송

시스템의 핵심에는 VCSEL로 알려진 맞춤 설계된 수직 공동 표면 방출 레이저의 5×5 배열이 있습니다. 이러한 적외선 레이저는 효율적이고 매우 빠른 속도로 작동할 수 있기 때문에 데이터 센터 및 감지 기술에 일반적으로 사용됩니다. 또한 표준 반도체 제조 방법을 사용하여 대규모 어레이로 제조할 수도 있습니다.

어레이의 각 레이저는 독립적으로 제어될 수 있으며 자체 데이터 스트림을 전송할 수 있습니다. 여러 레이저를 동시에 실행함으로써 시스템은 단일 광원에 비해 총 데이터 용량을 대폭 늘립니다. 전체 어레이는 1밀리미터보다 작은 칩에 들어가므로 소형 무선 액세스 포인트에 적합하고 잠재적으로 스마트폰과 같은 장치에 통합할 수 있을 만큼 작습니다.

연구원들은 확립된 반도체 기술을 사용하여 칩을 생산하고 이를 맞춤형 회로 기판에 탑재했습니다. 초기 테스트에서는 안정적인 출력과 고속 데이터 전송 지원을 통해 어레이 전반에 걸쳐 일관된 성능을 보여주었습니다.

기록적인 광 무선 속도

시스템을 테스트하기 위해 팀은 2미터에 달하는 자유 공간 광학 링크를 만들었습니다. 각 레이저는 정보를 밀접하게 간격을 둔 여러 개의 주파수 채널로 분할하는 변조 방법을 사용하여 데이터를 전송했습니다. 이 접근 방식은 대역폭 효율성을 극대화하고 신호 품질 변화에 적응합니다.

25개의 레이저 중 21개가 테스트 중에 활성화되었습니다. 개별 레이저는 대략 초당 13~19기가비트의 데이터 속도에 도달했습니다. 결합하여 시스템은 초당 362.7기가비트의 총 데이터 속도를 달성했습니다. 이는 자유 공간 수신기와 결합된 칩 규모의 광 무선 송신기에 대해 보고된 최고 속도 중 하나입니다.

연구진은 성능이 실험에 사용된 상용 광검출기의 대역폭에 의해 제한된다는 점에 주목했습니다. 고급 수신기를 사용하면 동일한 시스템이 잠재적으로 훨씬 더 빠른 속도에 도달할 수 있습니다.

다중 사용자 연결을 위한 조명 형성

한 번에 많은 광선을 사용하면 간섭을 일으킬 수 있는 중첩을 방지하는 중요한 과제가 발생합니다. 이를 해결하기 위해 연구진은 각 광선을 정확하게 형성하고 방향을 지정하는 광학 시스템을 설계했습니다.

마이크로렌즈 배열은 먼저 각 레이저의 빛을 정렬하고 직선화합니다. 그러면 추가 렌즈가 빔을 수신 표면에 있는 정사각형 조명 영역의 구조화된 격자로 구성합니다. 이 레이아웃을 사용하면 각 빔이 최소한의 중첩으로 특정 영역을 덮을 수 있습니다.

테스트 결과, 조명 분포는 2m 거리에서 조명 영역 전체에 걸쳐 90% 이상의 균일성을 달성한 것으로 나타났습니다. 이러한 구조화된 접근 방식을 통해 동일한 공간 내의 다양한 사용자 또는 장치에 다양한 빔을 할당할 수 있습니다.

팀은 또한 여러 개의 레이저를 한 번에 활성화하여 다중 사용자 기능을 시연했습니다. 4개의 동시 빔을 사용한 테스트에서 각 연결은 안정적으로 유지되어 초당 약 22기가비트의 통합 데이터 속도를 제공했습니다. 결과는 여러 개의 광 링크가 심각한 간섭 없이 동시에 작동할 수 있음을 확인합니다.

Wi-Fi보다 에너지 사용량이 적습니다.

무선 데이터 수요가 지속적으로 증가함에 따라 에너지 효율성을 개선하는 것이 중요합니다. 기존의 무선 기반 시스템은 더 빠른 속도를 지원하기 위해 더 많은 전력이 필요하므로 비용과 환경에 미치는 영향이 모두 증가합니다.

광 무선 시스템은 본질적으로 에너지 효율적이고 복잡한 전력 요구 없이 고속 작동이 가능한 레이저 소스를 사용합니다. 결과적으로 기존 Wi-Fi 시스템에 비해 전송된 데이터 비트당 에너지를 훨씬 적게 소비합니다. 측정 결과 비트당 약 1.4나노줄의 에너지 사용량이 나타났으며, 이는 유사한 조건에서 주요 Wi-Fi 기술의 약 절반에 해당합니다.

기존 네트워크 보완

연구원들은 광무선 기술이 Wi-Fi나 셀룰러 네트워크를 대체할 의도는 없다고 강조합니다. 대신, 실내 환경에서 대용량 데이터 트래픽을 처리하고 무선 기반 시스템의 혼잡을 줄이는 등 함께 작동할 수 있습니다.

앞으로는 유사한 시스템을 천장, 조명 기구 또는 무선 액세스 포인트에 구축하여 많은 사용자에게 동시에 빠르고 안전하며 에너지 효율적인 연결을 제공할 수 있습니다. 소형 레이저 어레이, 고속 전송 및 정밀 광학 제어를 결합한 이 접근 방식은 에너지 소비를 늘리지 않고도 더 뛰어난 성능을 제공하는 차세대 실내 무선 네트워크를 향한 실용적인 경로를 제공합니다.

이 기관의 SLS(우주 발사 시스템) 로켓은 2026년 4월 1일 수요일 오후 6시 35분(EDT) 플로리다 케네디 우주 센터의 발사대 39B에서 이륙했습니다. 승무원은 Orion 우주선에 탑승하여 달 주위를 돌고 지구로 돌아갈 신중하게 계획된 시험 비행을 시작했습니다.

“오늘의 발사는 우리나라와 탐사를 믿는 모든 사람들에게 결정적인 순간입니다. 아르테미스 2호는 도널드 J. 트럼프 대통령이 세운 비전을 바탕으로 50년 만에 처음으로 인류를 달에 보내고 아폴로를 넘어 달 탐사의 다음 장을 여는 것입니다. 오리온에는 네 명의 놀라운 탐험가가 이 로켓과 우주선의 최초 유인 비행을 준비하고 있는데, 이는 한 세대의 어떤 인간보다 더 멀리 그리고 더 빠르게 그들을 데려갈 진정한 시험 임무입니다.”라고 NASA 관리자 Jared Isaacman이 말했습니다. “아르테미스 2호는 그 어떤 임무보다 더 큰 무언가의 시작입니다. 이는 단순히 방문하기 위해서가 아니라 궁극적으로 달 기지에 머물기 위해 달로 돌아가는 것을 의미하며 앞으로의 거대한 도약을 위한 토대를 마련합니다.”

Artemis II 승무원 및 임무 목표

이번 임무에는 약 10일 동안 진행될 예정이며 NASA 우주비행사 리드 와이즈먼, 빅터 글로버, 크리스티나 코크와 CSA(캐나다 우주국) 우주비행사 제레미 핸슨이 참여한다. NASA의 Artemis 프로그램의 첫 번째 유인 임무인 Artemis II는 우주 비행사가 탑승한 상태에서 주요 시스템을 테스트하고 달에 장기적인 인간 존재를 확립하고 궁극적으로 화성으로 여행하는 것을 목표로 하는 향후 임무를 준비하도록 설계되었습니다.

우주에 도달한 직후, 오리온은 태양열 어레이 날개를 배치하여 태양으로부터 전력을 생산하기 시작했습니다. 동시에 승무원과 지상 팀은 중요한 온보드 시스템을 점검하면서 우주선을 일반 비행 작동으로 전환하기 시작했습니다.

NASA 부국장인 Amit Kshatriya는 “Artemis II는 시험 비행이며 테스트는 이제 막 시작되었습니다. 이 차량을 제작하고 수리하고 비행을 위해 준비한 팀은 우리 승무원에게 필요한 기계를 제공하여 그것이 무엇을 할 수 있는지 증명했습니다”라고 말했습니다. “앞으로 10일 동안 리드, 빅터, 크리스티나, 제레미는 오리온을 따라가는 승무원들이 자신있게 달 표면에 갈 수 있도록 속도를 낼 것입니다. 우리는 긴 캠페인의 하나의 임무이며 우리 앞에 놓인 작업은 우리 뒤에 있는 작업보다 더 큽니다.”

오리온의 지구 궤도에서 달까지의 여행

발사 후 약 49분 후에 로켓의 상부 단계가 점화되어 오리온을 지구 주위의 타원 궤도에 진입시켰습니다. 두 번째 화상은 승무원이 “인테그리티(Integrity)”라고 명명한 우주선을 행성 위 약 46,000마일에 도달하는 높은 지구 궤도로 밀어넣을 것입니다. 이 기동을 완료한 후 오리온은 로켓단에서 분리되어 독립적으로 임무를 계속하게 된다.

몇 시간 후 상단 스테이지에서는 아르헨티나 Comisión Nacional de Actividades Espaciales, 독일 항공우주센터, 한국 항공우주국, 사우디 우주국 등 국제 파트너가 제작한 소형 위성인 CubeSat 4개가 공개됩니다. 이 위성은 과학적 연구와 기술 시연을 수행할 것입니다.

우주선은 약 하루 동안 지구 고궤도에 머물게 됩니다. 이 시간 동안 우주 비행사는 Orion을 수동으로 제어하여 핸들링과 성능을 테스트하게 됩니다. 휴스턴에 있는 NASA의 존슨 우주 센터 팀은 탑재 시스템을 계속 평가하면서 승무원과 긴밀히 협력할 것입니다.

달의 비행과 지구로의 귀환

모든 시스템이 예상대로 작동하면 임무 통제는 Orion의 유럽 기반 서비스 모듈에 명령하여 4월 2일 목요일에 월경 주입 연소를 실행하게 됩니다. 이 연소는 약 6분간 지속되며 우주선을 달을 향한 경로에 배치합니다. 궤도는 승무원을 달 주위로 운반하고 중력을 사용하여 우주선을 지구로 다시 안내하도록 설계되었습니다.

4월 6일 월요일에 계획된 달 비행 동안 우주비행사들은 달을 관찰하고 사진을 찍는 데 몇 시간을 보낼 것입니다. 그들은 또한 먼 쪽의 특정 지역을 직접 볼 수 있는 최초의 인간이 될 것입니다. 표면은 부분적으로만 조명되기 때문에 긴 그림자는 능선, 경사면, 분화구 가장자리와 같은 특징을 강조하여 전체 햇빛 아래에서 보기 어려운 경우가 많습니다. 승무원은 또한 향후 임무를 지원하기 위해 AVATAR와 같은 인간 건강 연구를 포함한 과학 연구에도 참여할 것입니다.

비행을 마친 후 오리온은 지구로 돌아와 승무원들이 태평양으로 내려갈 예정입니다.

장기적인 달 존재를 향한 구축

아르테미스 II는 달과 그 너머에 대한 인간의 탐사를 확장하려는 광범위한 노력의 일부입니다. NASA는 과학적 발견, 경제 발전, 우주비행사를 화성으로 보내기 위한 준비를 지원하는 점점 더 복잡해지는 비행을 통해 이 임무를 수행할 계획입니다.

이번 임무는 NASA가 달에 지속적인 인간 존재를 확립하고 더 깊은 우주 여행의 문을 여는 것을 목표로 하는 혁신과 탐험의 새로운 시대라고 설명하는 초기 단계를 나타냅니다.

입자가 전환기에 도달하면 금속판에 부딪혀 냉각되고 반동합니다. (돌아오는 원자는 핵융합 반응을 촉진하는 데 도움이 됩니다.) 그러나 실험에서는 예상치 못한 불균형이 일관되게 드러났습니다. 훨씬 더 많은 입자가 외부 전환기 타겟보다 내부 전환기 타겟에 충돌합니다.

이러한 고르지 못한 분포는 단순한 호기심 그 이상입니다. 이는 미래의 핵융합로에 중요한 영향을 미칩니다. 엔지니어는 극심한 열과 스트레스를 견딜 수 있는 전환기를 설계하기 위해 입자가 어디에 착륙할지 정확히 알아야 합니다. 지금까지 주요 설명은 전환기 내에서 자기장 선을 가로질러 입자가 옆으로 이동하는 방식을 설명하는 교차장 드리프트에 중점을 두었습니다. 그러나 이 효과만 포함하는 시뮬레이션은 실험에서 보여준 내용을 재현하지 못하여 모델이 원자로 설계를 안정적으로 안내할 수 있는지에 대한 의구심을 불러일으켰습니다.

플라즈마 회전이 누락된 요소로 나타남

새로운 연구를 통해 퍼즐의 핵심 조각이 밝혀졌습니다. 과학자들은 토카막 주위를 도는 플라즈마의 움직임인 토로이달 회전이 입자가 배기 시스템에서 궁극적으로 끝나는 위치에 큰 영향을 미친다는 것을 발견했습니다.

연구원들은 SOLPS-ITER 모델링 코드를 사용하여 다양한 조건에서 입자 동작을 시뮬레이션했습니다. 그들의 결과는 다음과 같이 출판되었습니다. 실제 검토 편지크로스 필드 드리프트와 함께 플라즈마 회전이 포함될 때 시뮬레이션이 실제 측정과 일치한다는 것을 보여주었습니다. 모델과 실험 간의 이러한 정렬은 실험실 외부에서 안정적으로 작동할 수 있는 융합 시스템을 설계하는 데 필수적입니다.

미국 에너지부(DOE) 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)의 부연구 물리학자이자 이번 연구의 주요 저자인 Eric Emdee는 “플라즈마에는 두 가지 구성 요소가 흐릅니다.”라고 말했습니다. “입자가 자기장 선을 가로질러 옆으로 표류하는 교차장 흐름과 그 선을 따라 이동하는 평행 흐름이 있습니다. 많은 사람들이 교차장 흐름이 비대칭을 생성했다고 말했습니다. 이 논문에서 보여주는 것은 회전하는 코어에 의해 구동되는 평행 흐름도 그만큼 중요하다는 것입니다.”

시뮬레이션이 마침내 현실과 일치함

아이디어를 테스트하기 위해 팀은 캘리포니아의 DIII-D 토카막에서 플라즈마 동작을 모델링했습니다. 그들은 크로스 필드 드리프트와 플라즈마 회전을 켜거나 끄는 네 가지 시나리오를 실행했습니다. 결과는 분명했습니다. 하나의 중요한 요소, 즉 초당 88.4km의 측정된 코어 회전 속도가 추가될 때까지 어떤 시뮬레이션도 실험 데이터와 일치하지 않았습니다.

두 효과가 모두 포함되면 모델은 실제 실험에서 볼 수 있는 고르지 않은 입자 분포를 밀접하게 재현했습니다. 측면 드리프트와 회전의 결합된 영향은 두 요소 자체보다 훨씬 더 강한 것으로 입증되었습니다.

실제 조건에 맞는 융합 시스템 설계

이번 발견은 회전하는 플라즈마 코어와 시스템 가장자리의 입자 거동 사이의 중요한 연관성을 강조합니다. 이 관계를 정확하게 포착하는 것은 미래 원자로에서 배기 입자가 어떻게 움직이는지 예측하는 데 필수적입니다.

더 나은 예측은 더 나은 엔지니어링을 의미합니다. 열과 입자가 집중되는 위치를 보다 명확하게 이해함으로써 설계자는 보다 탄력적이고 실제 작동 조건에 더 적합한 전환기를 구축할 수 있습니다.

연구팀에는 Emdee 외에도 PPPL의 Laszlo Horvath, Alessandro Bortolon, George Wilkie 및 Shaun Haskey가 포함되었습니다. MIT의 Raúl Gerrú Migueláñez; 노스캐롤라이나 주립대학교의 플로리안 라그너(Florian Laggner)도 있습니다.

이 작업은 DE-AC02-09CH11466, DE-FC02-04ER54698, DE-SC0024523, DE-SC0014264 및 DE-SC0019130에 따라 DOE Office of Science 사용자 시설인 DIII-D National Fusion Facility를 사용하여 DOE의 핵융합 에너지 과학 사무실에서 지원되었습니다.