대기 센서 기술 (지하 핵실험 탐지, 우주 물체 추적, 국방 응용)

솔직히 저는 이란 전쟁 상황을 보면서 방공 시스템 기사만 찾아봤었습니다. 천무의 높은 명중률 같은 것 말이죠. 그런데 정작 놀란 건 이란이 수많은 미사일을 지하에 숨겨두고 있다는 사실이었습니다. 미국이 벙커버스터를 계속 쓰는 이유를 그제야 이해했는데, 그 시기에 DARPA의 AtmoSense 프로그램 소식을 접하게 됐습니다. 이 기술은 대기 자체를 센서로 활용해 지상의 폭발이나 우주 물체 재진입까지 감지할 수 있다고 하더군요. 아마 이전에 소개한 양자 센서와 접목되면 더 큰 시너지가 발생할 듯 합니다

 

양자센서 실용화 (환경 내구성, 군사 적용, 위치 측정 혁신)

대기를 센서로 쓴다는 발상

 

일반적으로 지하 시설 탐지는 위성사진이나 지진파 분석에 의존한다고 알려져 있습니다. 하지만 제가 DARPA 자료를 보니 이 접근법은 완전히 다른 방식이었습니다. AtmoSense는 지표면에서 전리층(ionosphere)까지 전파되는 음향파(acoustic wave)와 전자기파(electromagnetic wave)를 측정합니다. 여기서 전리층이란 대기권 상층부에서 태양 복사로 인해 이온화된 입자들이 모여 있는 층을 의미하는데, 쉽게 말해 GPS 신호나 무선 통신이 반사되는 대기의 거울 같은 역할을 합니다.

 

2020년 말 시작된 이 프로그램의 핵심은 지표에서 발생한 작은 교란 신호가 수천 킬로미터 떨어진 곳까지 어떻게 퍼져나가는지 6차원 규모로 3D 모델링하는 것이었습니다. 프로그램 매니저인 마이클 네이악은 "고해상도 지표-우주 간 음향파 시뮬레이션은 프로그램 시작 전까지 불가능하다고 여겨졌다"라고 밝혔습니다. 실제로 미터 단위의 작은 교란이 수천 킬로미터로 확장되는 과정을 시뮬레이션하려면 슈퍼컴퓨터급 연산 능력이 필요했고, 이를 해결하기 위해 개발된 솔버(solver) 기술은 나비에-스토크스 유체역학 방정식을 푸는 문제에도 응용될 수 있다고 합니다. 여기서 나비에-스토크스 방정식이란 유체의 속도와 압력 변화를 설명하는 수학 공식으로, 항공기 설계나 기상 예측 같은 분야에서 광범위하게 쓰입니다.

 

저는 이 대목에서 양자 이온 센서 기술과의 연관성을 찾아보려 했습니다. 양자 센서가 미세한 중력이나 자기장 변화를 감지한다면, AtmoSense는 대기 중 파동 변화를 포착하는 셈이니 둘을 결합하면 지진 같은 자연재해 예측도 가능하지 않을까 생각했거든요. 하지만 조사해 보니 아직 두 기술 모두 연구 단계에 머물러 있고, 상업화까지는 시간이 더 필요할 것 같았습니다.

실제 폭발 실험과 우주 물체 추적

 

AtmoSense는 2024년 뉴멕시코에서 실제 검증을 거쳤습니다. 1톤급 폭발 4회와 10톤급 폭발 2회, 총 6번의 통제된 폭발을 실시하고 지상·공중 센서로 대기 파동을 측정했는데, 모델 예측값이 실측값과 거의 정확히 일치했다고 합니다. 이 정도면 킬로톤급 이하의 작은 폭발도 탐지 가능하다는 뜻입니다.

 

흥미로운 건 예상치 못한 발견이었습니다. 실험 당일 센서 데이터를 분석하던 엠브리-리들 대학교 팀이 전자 밀도(total electron content)에서 급격한 하락을 발견했습니다. 여기서 전자 밀도란 대기 중 특정 구간을 통과하는 전자의 총량을 말하는데, 마치 호스에 물이 흐르다가 주먹으로 막으면 유량이 떨어지는 것처럼 대기에서도 비슷한 현상이 일어난 겁니다. 팀은 이 이상 신호를 추적하다가 같은 날 있었던 스페이스 X 팰컨 9 로켓의 재진입과 일치한다는 걸 알아냈습니다. 이후 수십 건의 스페이스 X 재진입 데이터를 분석한 결과, 이 전자 밀도 하락 패턴이 매우 반복적으로 나타났습니다.

 

제 경험상 이런 우연한 발견이야말로 진짜 게임 체인저입니다. 애초 목표는 지상 폭발 탐지였는데, 우주 물체 재진입까지 잡아낼 수 있다는 게 확인된 거니까요. 일반적으로 위성 추적은 레이더나 광학 장비에 의존한다고 알려져 있지만, 이제는 대기 자체가 우주 물체의 흔적을 기록하는 센서가 될 수 있다는 겁니다.

 

저는 이 대목에서 북한이나 중국의 지하 핵실험을 떠올렸습니다. 지금까지는 위성 사진으로 후발적 대응만 가능했지만, AtmoSense 같은 기술이 실용화되면 실험 징후를 실시간으로 포착해 선제 대응도 가능하지 않을까 싶었습니다. 물론 아직 이 기술은 록히드 마틴, 노스럽 그루먼, RTX 같은 방산 기업에서 우선 수혜를 받을 것 같고, 민간 상업화는 좀 더 시간이 걸릴 것 같습니다.

AtmoSense가 향후 적용될 수 있는 주요 분야를 정리하면 다음과 같습니다.

• 지하 핵실험이나 불법 폭발 탐지: 위성 없이도 대기 파동으로 위치와 규모 파악 가능
• 우주 물체 재진입 추적: 전자 밀도 변화로 미사일이나 우주 쓰레기 궤적 분석
• 극초음속 무기 모델링: 나비에-스토크스 솔버 기술을 활용한 비행 경로 시뮬레이션
• 자연재해 예측: 지진이나 화산 폭발 전조 신호를 대기 변화로 감지

미국이 위성에만 의존하지 않고 대기 자체를 센서로 쓰는 방향으로 기술 개발 초점을 맞추고 있다는 점도 인상적이었습니다. 선진국 대부분이 위성 발사 능력을 갖춘 지금, 차별화된 탐지 수단을 확보하려는 전략으로 보입니다.

 

개인적으로 이 기술이 조금만 더 발전하면 정말 예측의 영역까지 넘볼 수 있을 것 같다는 생각이 듭니다. 아마 이제 각 국의 지하 핵실험은 더 이상 숨길 수 없을지도 모르겠습니다. 지하 시설 탐지든 자연재해 대비든, 대기라는 거대한 센서를 읽어내는 능력이 앞으로 국가 안보와 재난 대응의 핵심이 될 거라는 확신이 들었습니다. DARPA는 4월 15~17일 플로리다에서 워크숍을 열어 이 연구 결과를 국방·과학 커뮤니티와 공유할 예정이라고 하니, 후속 연구도 기대해 볼 만합니다.

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참고: https://www.darpa.mil/news/2025/atmosense-shows-promise
기사: https://www.hankyung.com/article/202602237939i

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