싱가포르 CRIMSON-1, 페로브스카이트 태양전지와 AI 싣고 궤도 진입

5kg 위성, 두 가지 기술 시험대에 올려

싱가포르의 CRIMSON-1 위성이 지구 상공 약 520km에서 유연 페로브스카이트 태양전지와 인공지능을 시험하고 있다. 전력과 열, 통신 용량이 엄격하게 제한되는 환경에서 두 실험실 기술을 검증하는 것이다. 위성 무게는 5kg이며 크기는 30cm×10cm×10cm로, 임무 기간은 1년으로 계획됐다.

난양공과대학교 싱가포르(NTU)는 자교의 14번째 위성이 캘리포니아주 밴덴버그 우주군 기지에서 진행된 트랜스포터-18 임무에서 스페이스X 팰컨 9 로켓에 실려 발사됐다고 발표했다. 발사는 캘리포니아 현지 시각 10월 1일 이뤄졌으며, 싱가포르 시각으로는 10월 2일이었다. CRIMSON-1은 로켓 이륙 약 55분 뒤 분리됐다. 로켓에는 우주선 130기가 탑재됐다.

이번 임무에는 서로 다른 두 가지 실험이 포함된다. 하나는 NTU 연구진과 싱가포르국립대학교(NUS)에서 분사한 기업 싱필름 솔라가 개발한 페로브스카이트 태양전지의 내구성과 발전량을 측정한다. 다른 하나는 위성 영상이 지구로 전송되기 전에 AI가 유용한 정보를 식별할 수 있는지 시험하기 위해 위성 안에서 이미지를 처리한다.

중요한 점은 실험용 페로브스카이트 전지가 위성의 주 전력원이 아니라는 것이다. CRIMSON-1은 기존 갈륨비소 패널로 전력을 공급받으며, 새 전지는 이 패널과 함께 시험된다. 이번 발사로 실험 데이터를 수집할 기회가 마련된 것이지, 페로브스카이트가 기존 우주선 전력 시스템을 대체할 준비가 됐다는 사실이 입증된 것은 아니다.

NTU는 CRIMSON-1 임무 발표에서 연구진이 궤도상 태양전지 성능과 함께 고부하 상황에서 컴퓨팅 시스템의 열 관리 및 전력 소비량을 조사할 것이라고 밝혔다. 해당 실험의 결과는 아직 발표되지 않았다.

태양광 모듈의 차별점은?

페로브스카이트는 특정한 결정 구조를 가진 소재로, 햇빛을 전기로 변환하는 데 사용할 수 있다. 효율이 높으면서 얇고 가벼운 태양전지를 만들 수 있고, 널리 구할 수 있는 소재로 제조할 수 있다는 점이 장점이다. 우주선에서는 전력 시스템의 무게를 줄이면 다른 장비에 더 많은 탑재 여력을 배정할 수 있다.

싱필름 솔라의 실험용 모듈은 유연한 구조로 초박형 유리를 기반으로 제작됐다. 싱필름 창업자인 호우 이 NUS 조교수는 CRIMSON-1이 이 유연 모듈의 첫 우주 비행이자, 싱가포르에서 제조한 태양광 모듈을 궤도에 배치하는 첫 사례라고 설명했다. NTU에 따르면 이번 임무는 싱필름 기술의 첫 우주 비행이기도 하다.

이러한 주장을 살펴볼 때는 개별 태양전지와 여러 전지가 함께 작동하도록 조립한 모듈을 구분해야 한다. NTU는 2023년 ARCADE 위성에 페로브스카이트 전지를 실어 보낸 바 있다. 따라서 CRIMSON-1을 대학이 우주에서 페로브스카이트 전지를 시험한 첫 사례로 표현해서는 안 된다.

이번 실험은 기존 연구를 바탕으로 싱필름과 개발한 유연 모듈까지 시험 범위를 넓힌다. 모듈이 발사와 장기간의 우주 환경 노출 이후에도 유용한 발전량을 유지하는지를 포함해, 궤도에서 얻은 측정값이 그 가치를 좌우할 것이다.

효율만큼 중요한 내구성

우주용 태양전지는 서로 성격이 다른 두 가지 시험을 견뎌야 한다. 하나는 로켓 발사의 기계적 충격이고, 다른 하나는 발사 이후의 작동 환경이다. CRIMSON-1은 저궤도에서 물리적 내구성, 변환 효율, 실제 전력 생산량을 평가한다.

평가에는 방사선과 진공, 열 순환에 대한 노출이 포함될 예정이다. 열 순환은 우주선이 여러 조명 조건을 지나면서 반복적으로 온도가 변하는 현상을 말한다. 이러한 온도 변화는 소재와 연결부에 부담을 줄 수 있고, 방사선은 태양전지와 전자 장치 모두에 영향을 미칠 수 있다.

크리스티안 볼프룸 NTU 부총장 겸 교무처장은 이번 임무가 태양광 연구와 AI 컴퓨팅을 실제 작동 여부를 검증할 수 있는 환경으로 가져간다고 말했다.

이 기술들은 실제 우주 환경에서만 검증할 수 있으며, NTU의 위성 프로그램은 30년 동안 이를 수행해 왔습니다. CRIMSON-1은 우리의 14번째 임무입니다.

1년간의 시험은 배치 직후 한 차례 측정하는 데 그치지 않고, 시간이 지나면서 성능이 어떻게 변하는지에 대한 근거를 확보하기 위한 것이다. NTU는 허용 가능한 전력 출력이나 효율 저하, 소재 열화에 대한 수치 목표를 발표하지 않았다.

비용 절감은 궤도상 검증이 관건

페로브스카이트의 경제적 매력은 상당하지만, 이번 임무에서 확인된 절감 효과가 아니라 실현 가능성에 머물러 있다. 우주용 갈륨비소 태양전지 가격은 와트당 250~450달러로 알려져 있다. 지상에서 사용하는 일반 실리콘 전지는 와트당 1달러 미만이다.

이 수치에 따르면 갈륨비소 전지의 제시 가격은 실리콘 기준 가격보다 250~450배 이상 높다. 이는 두 기술의 가격 차이를 보여주는 것이지만, 서로 대체 가능한 제품을 직접 비교한 것은 아니다. 지상용 전지가 저렴하다고 해서 우주선의 작동 요건을 충족한다는 뜻은 아니다.

CRIMSON-1에 실린 페로브스카이트 모듈의 와트당 제조 가격은 공개되지 않았다. 따라서 이번 임무만으로 위성 운영사가 해당 모듈을 도입해 절감할 수 있는 비용을 계산할 수는 없다. 신뢰성과 실제 사용 가능한 전력량, 통합 비용도 고려해야 한다.

싱필름은 2024년 페로브스카이트 태양광 패널의 광전 변환 효율이 22.6%라고 발표했다. 변환 효율은 들어오는 햇빛 가운데 전기로 바뀌는 비율을 뜻한다. 이 수치는 회사의 개발 현황을 보여주는 참고 자료이지만, 궤도상 측정값도 아니고 CRIMSON-1 탑재체의 성능 결과로 발표된 것도 아니다.

NTU의 관련 연구는 2013년 학술지 사이언스에 페로브스카이트 소재 안에서 전하가 이례적으로 먼 거리를 이동할 수 있다는 논문을 발표하면서 시작됐다. 이 발견은 페로브스카이트의 높은 태양광 효율을 설명하는 데 도움이 됐다. 이후 연구는 성능과 안정성을 개선하기 위한 대형 모듈과 시제품 개발로 이어졌다. CRIMSON-1은 이제 이 기술이 실험실 밖에서도 유용한 특성을 유지할 수 있는지 시험한다.

AI, 전송 전 유용한 영상 선별

CRIMSON-1은 AI를 탑재한 싱가포르 최초의 나노위성으로 소개됐다. 위성 내 컴퓨팅 실험은 영상의 구름 여부를 판별해 구름이 없는 이미지를 선택하고, 산불이나 기름 유출 가능성을 식별하는 등 위성 안에서 이미지를 분석하고 걸러낸다.

이는 데이터를 수집한 곳 가까이에서 처리하는 엣지 AI다. 모든 원시 정보를 먼 곳의 컴퓨터로 보내는 대신, 이 위성에서는 위성 자체가 엣지 역할을 한다. 지상에서 사람이 모든 이미지를 살펴보도록 전송하는 대신 유용한 영상이나 사건 가능성 알림을 보내는 것이 목표다.

위성 통신 용량은 제한돼 있다. 궤도에서 영상을 걸러내면 전송할 원시 데이터의 양과 지상에서 수작업으로 분류해야 하는 부담을 줄일 수 있다. 이번 임무는 이 접근법을 시험하는 것이지, 재난 탐지 서비스가 검증됐다고 발표한 것이 아니다.

탐지 정확도와 오경보율, 실제 전송 데이터 감소량은 아직 발표되지 않았다. AI가 산불이나 기름 유출 가능성을 감지했다고 해서 사건이 확인된 것은 아니다. 실제 운영에 활용할 만큼 선별 결과가 신뢰할 수 있는지 판단하려면 실험 결과가 필요하다.

컴퓨팅에는 전력과 열이 더 필요하다

소형 우주선에서 이미지를 처리하면 상충 관계가 생긴다. 지구로 보내는 정보를 줄이면 통신 용량을 아낄 수 있지만, AI를 구동하려면 전기가 필요하고 열도 발생한다. CRIMSON-1 연구진은 고부하 상황에서 컴퓨팅 시스템이 전력과 열을 어떻게 관리하는지 살펴볼 예정이다.

열 관리는 특히 진공 환경에서 중요하다. 우주선은 지상의 컴퓨터처럼 주변 공기를 통해 열을 식힐 수 없기 때문이다. 설계 단계에서 구조물을 통해 열을 이동시키고 복사 방식으로 방출해야 한다. 이번 실험은 해당 환경에서 선택된 컴퓨팅 하드웨어가 어떻게 작동하는지 파악하는 데 도움이 될 것이다.

따라서 태양전지와 컴퓨팅 실험은 서로 연관된 공학적 제약을 다루지만, 각각 별도의 실험이다. 향후 온보드 연산을 더 많이 수행하는 우주선에는 이를 뒷받침할 전력 시스템이 필요하다. CRIMSON-1은 가능한 차세대 태양광 기술을 시험하는 동시에, 자체 작동에는 이미 검증된 패널을 사용한다.

호우는 향후 위성용 태양광 발전과 우주 AI 데이터센터를 추가 연구 분야로 꼽았다. CRIMSON-1 자체는 실제 운영 중인 AI 데이터센터가 아니며, 페로브스카이트 모듈이 데이터센터에 전력을 공급할 수 있음을 입증하는 임무도 아니다. 이번 위성은 후속 설계에 참고할 측정값을 확보하는 역할을 한다.

임무를 만든 주체와 지원 기관

NTU 위성연구센터가 임무를 이끌며 우주선 공학, 발사 준비, 임무 관제, 궤도상 운용을 총괄한다. NTU에 따르면 연구진은 발사 통합업체 엑솔런치와 협력했다. 엑솔런치는 발사 수용 능력, 임무 관리, 통합 및 배치 서비스를 제공했다. CRIMSON-1은 엑솔런치의 EXOpod Nova 시스템을 이용해 배치됐다.

우주선 제작 주체에 대해서는 보도마다 설명이 다르다. 한 보도는 싱가포르 기업 사토로 스페이스가 우주선을 제작하고 NTU의 AI 기술과 실험용 태양전지를 탑재했다고 전했다. 다른 보도는 NTU 위성연구센터가 제작을 맡았다고 설명했다. NTU 발표는 위성연구센터가 임무를 이끌고 현지 산업 파트너들이 참여했다고 밝혔지만, 제작 업무의 구체적인 분담 내용은 밝히지 않았다.

싱가포르 정보통신미디어개발청(IMDA)은 국제전기통신연합을 통해 위성 주파수와 궤도 자원을 확보해 임무를 지원했다. 주파수는 위성과 지상국 간 통신에 사용하는 무선 주파수 대역을 뜻한다.

NTU의 위성 개발 이력은 싱가포르 최초의 현지 제작 위성인 X-SAT이 발사된 2011년으로 거슬러 올라간다. 13번째 임무인 VELOX-AM은 2023년 7월 발사됐으며, NTU에 따르면 임무를 마치고 2026년 8월 궤도에서 이탈했다. CRIMSON-1은 우주선을 제작하고 시험·운용해 온 이 프로그램의 뒤를 잇는다.

싱가포르의 지원 프로그램, 개발 기술의 우주 시험 뒷받침

CRIMSON-1은 싱가포르 국가우주국(NSAS)이 우주 접근 프로그램을 통해 지원한 초기 프로젝트 가운데 하나다. 이 프로그램은 우주기술개발프로그램의 일부로, 싱가포르는 2022년부터 우주 연구와 국가 역량 강화를 위해 2억1,000만 싱가포르달러(S$)를 배정했다.

정부의 우주기술개발프로그램 페이지는 2026년 3월 17일 갱신됐다. 페이지에 따르면 우주기술산업국은 2024년 6,000만 싱가포르달러를 추가로 확보했으며, STDP 2.0은 2025년부터 이어진다. 다만 이 페이지는 추가 예산 6,000만 싱가포르달러를 프로그램에 배정된 2억1,000만 싱가포르달러에 다시 더해야 한다고 밝히지는 않았다.

프로그램은 기술 개발, 검증 및 실험, 우주 접근 등 세 가지 지원 분야로 구성된다. 마지막 분야는 우주 기술이 실제 우주에서 작동한 기록을 확보하는 시험을 지원한다. 이를 비행 이력이라고 한다. 태양전지와 첨단 소재, 컴퓨팅 시스템 등도 지원 대상 사례로 제시돼 있다.

현지 대학과 연구기관, 산업 파트너가 지원을 신청할 수 있다. 해외 기관은 현지 파트너를 찾아야 한다. 원격탐사와 위성 통신이 우선 분야이며, NSAS는 궤도상 우주선 정비와 우주 제조, 우주 생명과학도 검토하고 있다.

CRIMSON-1에서 비행 이력은 연구와 상용화 가능성을 잇는 고리다. 발사 완료는 하나의 이정표다. 모듈이나 컴퓨팅 시스템이 궤도 환경에서도 계속 작동한다는 근거를 확보하는 것은 잠재 고객이 별도로 평가할 또 다른 이정표다.

주요 이정표와 향후 일정

이번 임무에는 10년 넘게 이어진 태양전지 연구와 위성 개발이 집약됐다. 주요 일정을 보면 그 발전 과정을 확인할 수 있다.

• 2011년: 싱가포르 최초의 현지 제작 위성 X-SAT 발사.
• 2013년: NTU 연구진, 페로브스카이트 소재의 전하 이동에 관한 연구 결과를 사이언스에 발표.
• 2022년부터: 싱가포르, 우주기술개발프로그램에 2억1,000만 싱가포르달러 배정.
• 2023년: NTU, ARCADE 위성에 페로브스카이트 전지 탑재. VELOX-AM은 7월 발사.
• 2024년: 싱필름, 태양광 패널 변환 효율 22.6% 발표. 정부는 우주기술 개발에 6,000만 싱가포르달러 추가 확보.
• 2026년 8월: NTU에 따르면 VELOX-AM은 임무를 마친 뒤 궤도에서 이탈.
• 캘리포니아 현지 시각 10월 1일, 싱가포르 시각 10월 2일: CRIMSON-1 발사. 임무 기간은 1년으로 계획.

NTU 발표는 발사 날짜의 월과 일은 밝혔지만 연도는 명시하지 않았다. 10월 1일과 10월 2일은 캘리포니아와 싱가포르의 시차에 따른 것으로, 발사가 두 차례 이뤄진 것은 아니다.

다음 주요 이정표는 성능 데이터 확보다. 최초 결과 발표 시점이나 태양전지 열화, AI 정확도, 컴퓨팅 전력 소비량을 보고할 일정은 공개되지 않았다.

한편 NTU와 일본 기술 기업 퓨직은 임무 일정 수립, 지상국 배정, 정기 운용, 기술 문제 조기 감지를 위한 지상 기반 AI 시스템을 검토하고 있다. 이 연구는 지상에서 위성을 관리하는 기술을 다루는 반면, CRIMSON-1은 우주선 안에서 영상 처리를 시험한다.

핵심 내용

• CRIMSON-1은 NTU의 14번째 위성으로, 지구 상공 약 520km에 배치된 5kg 우주선이다.
• 임무 기간은 1년으로 계획됐으며 페로브스카이트 태양전지와 AI 영상 처리를 시험한다.
• 위성의 주 전력은 갈륨비소 패널이 공급하며, 페로브스카이트 전지는 실험용 탑재체다.
• 싱필름의 유연 모듈은 초박형 유리를 사용한다. NTU는 2023년 ARCADE 위성에 페로브스카이트 전지를 실어 시험했다.
• 연구진은 태양전지의 내구성과 출력, 컴퓨팅 시스템의 열 관리와 전력 사용량을 측정한다.
• 싱가포르의 우주 접근 프로그램은 2022년부터 추진된 2억1,000만 싱가포르달러 규모의 우주기술 개발 계획의 일부로 이번 임무를 지원한다.
• 궤도상 성능 결과와 최초 발표 일정은 공개되지 않았다.