올 여름, NASA는 화성 탐사선인 퍼서비어런스(Perseverance)를 발사할 계획이다. 이 탐사선은 다른 행성에서 비행한 최초의 항공기인 화성 헬리콥터를 탑재할 예정이다.

최초의 화성 헬리콥터는 장비를 가지고 다니지 않고 데이터를 수집하지 않는다. NASA는 단순히 비행을 "고위험, 고수익" 연구로 설명한다.

외계 비행의 위험을 염두에 두고 연구자들은 다른 세계의 하늘을 탐험하는 다른 접근 방식을 제안하고 있다.

그들의 전단지는 밝은 빛이 그들을 비추면 공중에 뜨는 나노 판지 판이다. 판의 한쪽 면이 가열되면 온도 차이로 인해 속이 빈 구조를 통해 공기가 순환하고 이름을 부여하는 주름진 채널에서 뿜어져 나와 판을 땅에서 밀어낸다.

새로운 연구는 화성과 유사한 환경에서 나노 카드보드의 비행 및 탑재물 운반 능력을 보여준다.그곳의 더 얇아진 대기는 전단에 힘을 실어주어 실제보다 10배나 더 무거운 탑재물을 운반할 수 있게 해 준다. 약한 화성 중력은 그들의 능력을 더욱 향상시키게 된다.

"화성 헬리콥터는 매우 흥미롭지만 여전히 하나의 복잡한 기계이다."라고 펜실베니아 대학의 기계 공학 조교수이자 응용 역학과인 Igor Bargatin은 말한다.

“문제가 생기면 고칠 방법이 없기 때문에 실험은 끝난 것이다. 우리는 모든 계란을 한 바구니에 담지 않는 완전히 다른 접근 방식을 제안한다.”

Bargatin의 그룹은 2017년부터 나노 카드보드 디자인을 실험하고 개선해 왔다.

일반적인 종이 포장 재료에서 영감을 받아 2018년 네이처커뮤니케이션즈(Nature Communications) 논문에 보고된 바와 같이 무게와 강성의 기록적인 비율을 달성하기 위해 나노기술을 위한 싱 센터(Singh Center for Nanotechnology)의 연구원들과 협력했다.

건축 및 항공에 사용되는 종이 판지 및 기타 "샌드위치 구조 합성물"과 마찬가지로 나노 카드보드의 재료 특성은 주름에서 비롯된다.

두께가 불과 몇 나노미터에 불과한 산화알루미늄 벽의 중공 판으로 구성된 이 주름은 판에 걸쳐 있는 규칙적인 채널 패턴으로, 굽힘 강성을 높이고 균열이 전파되는 것을 방지한다.

연구원들은 현재 저압 테스트 챔버를 사용하여 밝은 빛이 비칠 때 공중에 뜨는 나노 카드보드의 능력을 연구하고 있다.

이러한 채널은 또한 온도 차이를 생성하여 중공 구조를 통해 흐르는 기류를 생성하기 때문에 플레이트의 부상 능력을 담당한다.

이러한 미세 채널을 통한 기류는 '열 크리프'라는 고전적 현상에 의해 발생한다. 이는 채널 벽을 따라 온도 구배로 인한 희박한 가스 흐름이다.

그들의 최근 연구를 통해 연구원들은 카메라와 광원이 통합된 새로운 저압 테스트 챔버 덕분에 플레이트 상단에 부착된 실리콘 링과 같은 모의 페이로드(mock payload)를 들어 올리는 플라이어의 능력을 측정할 수 있었다.

이러한 역학을 연구하는 것은 특히 화성, 명왕성, 해왕성의 위성 트리톤을 포함한 다른 세계에서 대기 탐사를 위한 재료로서의 나노 카드보드의 잠재력을 검증하는 데 중요하다.

Bargatin의 나노 카드보드 플라이어의 무게는 약 1/3밀리그램이므로 화성 헬리콥터의 질량과 같게 하려면 백만 개 이상이 필요하고 이를 배치할 지상 로버와 같으려면 60억 개 이상이 필요하다.

그러나 화성 대기의 이상적인 환경에서도 작은 비행체는 여전히 기껏해야 몇 밀리그램에 달하는 센서와 탑재량으로 제한된다.

따라서 Bargatin은 현재 화성 생명체의 핵심 신호인 물이나 메탄을 감지할 수 있는 화학 센서를 소형화하는 방법에 대해 다른 연구원들과 협력하고 있다.

Bargatin은 "센서를 운반하는 것 외에도 우리의 전단지는 단순히 착륙하여 먼지나 모래 알갱이를 수동으로 붙인 다음 로버로 다시 운송하여 멀리 이동할 필요가 없도록 할 수 있다."라고 말한다.

로버는 또한 나노 카드보드 전단지를 조종하는 수단을 제공할 수 있다. 움직이는 부품이 없음에도 불구하고 채널에서 흐르는 공기의 방향이 플레이트의 어느 부분이 가열되는지에 따라 달라지기 때문에 핀포인트 레이저로 조종할 수 있다.

지상파 신청도 가능하다. Bargatin은 "지구의 중간권은 밀도 측면에서 화성의 대기와 매우 유사하며 우주 위성에는 너무 낮지만 비행기와 풍선에는 너무 높기 때문에 현재 그곳에 날아갈 수 있는 것이 없다."고 말한다.

“이상적으로는 거기에도 센서가 있으면 좋겠다. 그 수준에서 대기의 움직임에 대한 지식이 많을수록 지구의 기후와 날씨에 대해 더 나은 예측을 할 수 있다.”