과학자들이 "스타워즈의 광선검"처럼 생긴 레이저 안테나를 만들어 전파를 송신하는 데 성공했다.

연구진은 레이저를 이용해 전파를 송신할 수 있는 플라즈마 빔 안테나를 제작하는 기술을 시연했습니다. (사진 제공: 프리아 다르슈니, 노스캐롤라이나 주립대학교)

과학자들이 광선검과 매우 흡사하게 생긴 새로운 유형의 라디오 안테나를 개발했습니다. 기존의 금속 구조 대신 레이저를 사용하여 전파를 전송할 수 있는 좁은 플라즈마 빔을 생성하는 방식입니다.

이 기술은 궁극적으로 필요에 따라 길이와 방향을 바꿀 수 있는 안테나를 제작할 수 있게 해 무선 통신, 레이더, 위성 및 우주 탐사에 새로운 가능성을 열어줄 수 있습니다.

"플라즈마 빔 안테나는 광선검처럼 생겼고 주파수 조절이 가능해서 광범위한 주파수 대역에서 송신할 수 있을 것으로 예상됩니다."라고 이번 연구에 대한 논문의 교신 저자이자 노스캐롤라이나 주립대학교 박사 과정 학생인 프라이아 다르슈니는 말합니다. "수신 안테나로서의 기능은 아직 입증하지 못했지만, 수신기로도 작동하지 않을 이유는 없다고 생각합니다."

"이것은 복잡한 기계적 전개 장치 없이도 맞춤형 안테나를 사용할 수 있게 해주는 흥미로운 신개념입니다."라고 논문의 공동 저자이자 노스캐롤라이나 주립대학교 전기 및 컴퓨터 공학과 시러스 로직 석좌교수인 폴 프란존이 말했습니다.

과학자들이 플라즈마로 안테나를 만들고 싶어하는 이유는 무엇일까?

기존 안테나는 물리적 크기에 크게 의존합니다. 특히 안테나의 길이는 효율적으로 송수신할 수 있는 무선 주파수를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 길이를 변경하면 안테나가 다른 주파수에서 작동할 수 있지만, 이러한 조정을 위해서는 기계 부품을 이동하거나 복잡한 엔지니어링 작업이 필요한 경우가 많습니다.

이는 장비가 소형화, 경량화 및 신뢰성 확보가 필수적인 우주 탐사와 같은 분야에서 특히 어려운 과제가 됩니다.

NC State 연구진은 레이저를 이용해 주변 공기 중에 직접 안테나를 생성함으로써 더 간단한 해결책을 제시할 수 있는지 조사하고자 했습니다. 금속 안테나를 물리적으로 늘리거나 줄이는 대신, 레이저를 조절하여 원하는 길이의 플라즈마 빔을 생성하는 것이 아이디어였습니다.

다르슈니는 "이번 연구를 통해 탐구하고 싶었던 질문 중 하나는 레이저를 이용해 플라즈마 안테나를 만들 수 있을지 여부였습니다. 이를 통해 필요한 길이의 안테나를 제작할 수 있을 것입니다."라고 말하며, "이제 그것이 가능하다는 것을 보여주었습니다."라고 덧붙였습니다.

레이저 빔을 라디오 안테나로 변환하기

이 방법은 공기를 통해 레이저를 쏘는 것에서 시작됩니다. 연구진은 레이저의 출력과 빔 직경을 정밀하게 제어하여 좁은 영역의 공기를 이온화하고, 원자와 분자에서 전자를 분리하여 플라즈마를 생성할 수 있습니다.

플라스마는 고체, 액체, 기체와 함께 물질의 네 번째 상태로 흔히 묘사됩니다. 플라스마는 전하를 띤 입자를 포함하고 있기 때문에 일반 공기와는 달리 전자기장과 상호작용할 수 있습니다.

이 실험에서 레이저는 플라즈마 필라멘트라고 알려진 얇고 집중된 플라즈마 채널을 생성합니다. 이 필라멘트가 안테나의 기초가 됩니다.

하지만 플라즈마 빔을 생성하는 것은 도전 과제의 일부에 불과했습니다. 플라즈마가 전파를 전송하게 하려면 기존의 물리적 연결 방식에 의존하지 않고 플라즈마에 전기 신호를 전달하는 방법도 필요했습니다.

그들의 해결책은 특별히 설계된 비접촉식 안테나 피드였습니다.

이 시스템은 전기장에 전기 에너지를 저장하는 부품인 커패시터 역할을 하는 금속 링을 사용합니다. 레이저가 링의 중심을 통과하면서 커패시터 주변의 전자기장을 통해 뻗어 나가는 플라즈마 필라멘트를 생성합니다.

이러한 장치를 통해 연구원들은 플라즈마에 직접 접촉하지 않고도 에너지를 전달할 수 있습니다.

무선 주파수 발생기가 콘덴서에 신호를 보내면, 생성된 전자기장이 플라즈마 필라멘트와 상호작용합니다. 이 상호작용으로 인해 필라멘트는 공급된 주파수의 전파를 방출합니다.

연구진은 이 방법을 사용하여 초고주파(VHF) 대역인 30메가헤르츠(MHz)에서 무선 전송을 성공적으로 시연했습니다.

길이와 방향을 바꿀 수 있는 안테나

이 기술의 가장 유망한 특징 중 하나는 뛰어난 유연성입니다. 안테나가 고정된 금속 구조물이 아닌 레이저를 이용하여 제작되기 때문에 레이저 설정을 변경하여 크기를 조절할 수 있습니다.

다르슈니는 "레이저의 매개변수를 제어함으로써 플라즈마 필라멘트의 특성, 특히 길이를 제어할 수 있습니다."라고 말합니다. "이는 모든 주파수를 스캔할 수 있는 안테나가 필요한 응용 분야에 유용합니다. 하지만 또 다른 이점도 있습니다."

다르슈니는 "레이더 스캔 방향을 조준하거나 수신하려는 신호의 강도를 높이기 위해 안테나 각도를 제어하는 ​​것이 중요한 응용 분야도 있습니다."라고 말하며, "우리가 시연한 기술은 빔 조향, 즉 레이저 방향을 바꾸는 간단한 방식으로 플라즈마 필라멘트 안테나의 각도를 제어할 수 있게 해줍니다."라고 덧붙였습니다.

이러한 기능은 서로 다른 무선 주파수 대역을 통해 통신해야 하거나 특정 위치로 신호를 전송해야 하는 시스템에서 유용할 수 있습니다.

기존 안테나는 방향을 바꾸기 위해 기계 장치가 필요할 수 있습니다. 하지만 레이저로 생성된 플라즈마 안테나는 레이저 빔 자체를 조절함으로써 유사한 방향 조정을 수행할 수 있어 움직이는 부품의 필요성을 줄일 수 있습니다.

연구진은 플라즈마 필라멘트가 전파를 송신할 수 있음을 입증했지만, 신호를 수신하고 광범위한 주파수 범위에서 작동하는 능력은 아직 검증이 필요합니다.

위성 및 우주 탐사 분야에서의 잠재적 응용 분야

연구진은 이 기술이 궁극적으로 여러 용도로 활용될 수 있으며, 그중에서도 위성과 우주 탐사가 가장 유망한 가능성으로 꼽힌다고 믿는다.

우주선 설계자들은 발사할 수 있는 장비의 무게와 크기에 엄격한 제약을 받습니다. 특히 대형 구조물을 발사를 위해 접고 우주에 도달한 후 펼쳐야 하는 경우, 기존 안테나 시스템은 복잡한 전개 메커니즘을 필요로 합니다.

레이저로 생성된 안테나는 기존 방식과는 다른 접근법을 제시할 수 있으며, 잠재적으로 우주선이 동일한 종류의 기계 구조물을 탑재하지 않고도 안테나를 생성하고 조정할 수 있게 해 줄 수 있습니다.

서로 다른 무선 주파수 대역에서 작동할 수 있는 능력은 우주선 통신 및 과학 장비에도 유용할 수 있습니다.

프란존은 "저궤도에는 플라스마를 형성하기에 충분한 공기가 있다"고 말합니다.

이는 지구를 둘러싼 희박한 대기권에서의 적용 가능성을 시사하지만, 해당 기술은 아직 초기 실험 단계에 머물러 있습니다. 레이저로 생성된 플라즈마 안테나가 실제 우주 환경에서 얼마나 효과적으로 작동할 수 있는지를 파악하기 위해서는 추가적인 연구가 필요합니다.

첫 번째 성공적인 시연으로 추가 연구의 길이 열렸다

현재로서는 연구진은 이번 성과를 중요한 개념 증명으로 보고 있습니다. 레이저가 송신 안테나 역할을 하는 플라즈마 필라멘트를 생성할 수 있음을 보여줌으로써 향후 개선을 위한 토대를 마련했습니다.

다르슈니는 "이것은 첫걸음이지만, 매우 중요한 진전입니다. 플라즈마 필라멘트 안테나가 작동할 수 있음을 입증한 것은 이번이 처음이기 때문입니다."라고 말하며, "이제 가능성을 확인했으니 성능 개선에 착수할 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.

해당 연구 결과는 IEEE 마이크로파 저널에 게재된 공개 논문 "레이저 유도 플라즈마 필라멘트 안테나를 이용한 30MHz VHF 송신"에 자세히 설명되어 있습니다.

텍사스 A&M 대학교와 프린스턴 대학교에 소속된 아서 도가리우는 이 연구의 공동 저자이며 실험 측정에도 기여했습니다.

연구팀은 또한 실험에 사용된 부품을 제작하는 데 뛰어난 재능을 보여준 NC State 계측기 제작소의 크리스 휴엣, 바이런 구드, 조 맥엘빈에게 감사를 표했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/10/261008005239.htm