Solar Sail Interplanetary Transfer: Part II- Hybrid Layered Evolving Neural Network Based Global Optimization

심우주 여행은 오랫동안 거대한 화학 연료 탱크를 동력으로 하는 여정으로 상상되어 왔는데, 이는 우주선이 얼마나 많은 화물을 실을 수 있는지와 얼마나 멀리 갈 수 있는지를 제한하는 방식입니다. 더 우아한 대안은 태양 돛(solar sail)으로, 이는 연료가 전혀 필요 없는 추진 시스템입니다. 추진제를 태우는 대신, 태양 돛은 마치 풍력 보트가 미풍을 받는 것처럼 햇빛의 부드러운 압력을 포착합니다. 이 지속적이고 재생 가능한 밀어내는 힘은 우주선이 시간이 지남에 따라 가속할 수 있게 하여, 잠재적으로 전통적인 로켓보다 더 높은 속도에 도달하고 더 큰 탑재물을 운반할 수 있게 합니다. 하지만 태양 돛의 항로를 설정하는 것은 만만치 않은 도전입니다. 돛이 햇빛을 활용하기 위해 끊임없이 각도를 조절해야 하기 때문에, 다른 행성으로 가는 완벽한 경로를 찾는 것은 수많은 변수가 포함된 복잡한 수학적 퍼즐을 푸는 일이 됩니다. 기존 방식들은 이미 정답에 매우 근접한 추측에서 시작해야 하기 때문에, 진정한 최적의 경로를 놓치고 국소적인 해답(local solutions)에 갇히는 경우가 많습니다.

말레이시아, 일본, 러시아의 연구진은 인공지능의 학습 능력과 진화 알고리즘의 시행착오 능력을 결합한 새로운 방식으로 이 퍼즐을 해결하는 방법을 개발했습니다. 지구에서 화성으로 태양 돛을 보내는 연구에 집중하며, 그들은 컴퓨터 프로그램이 학습 에이전트 역할을 하는 하이브리드 시스템을 만들었습니다. 이 에이전트는 인간의 뇌에서 영감을 얻은 컴퓨터 모델인 신경망을 사용하여 여정의 매 순간마다 돛을 어떻게 조종할지 결정합니다. 완벽한 시작 추측이 필요한 기존 방식과 달리, 이 시스템은 진화하며 학습합니다. 이 시스템은 수천 개의 잠재적인 비행 경로를 생성하고, 이를 시뮬레이션에서 테스트하여 어떤 경로가 가장 짧은 시간 내에 목표물에 가장 가깝게 도달하는지 확인합니다. 가장 성공적인 경로들은 세부 사항을 다듬기 위해 국소 탐색 도구를 사용하여 더욱 정교하게 다듬어집니다. 연구진은 이 접근 방식이 이전 연구들에서 발견된 것보다 현저히 빠른 비행 경로를 찾아낼 수 있음을 발견했으며, 기존 문헌의 최고 추정치와 비교했을 때 화성까지의 여행 시간을 거의 19% 단축했습니다.

시뮬레이션은 특정 수준의 가속을 생성할 수 있는 태양 돛이 지구를 떠나 365일 미만에 화성에 도착하는 여정을 보여주었습니다. 이는 기존 방식들을 사용하여 해당 임무를 수행할 때 통상적으로 예측되는 400일에서 450일보다 눈에 띄는 개선입니다. 이 시스템은 단순히 더 빠른 경로를 찾은 것뿐만 아니라, 최적의 발사 날짜를 결정하여 2020년 7월 중순을 이상적인 출발 시점으로 지목했습니다. 비행 내 동안 인공지능은 태양광을 가장 효율적인 각도로 받기 위해 돛의 방향을 계속해서 조정하며 기울기를 조절했습니다. 그 결과 나타난 궤적은 매끄럽고 연속적이었으며, 우주선을 화성의 중력에 포획될 수 있을 만큼 충분히 낮은 상대 속도를 가진 상태로 화성 근처에 도착하도록 안내했습니다. 최종적인 우주선과 화성 사이의 거리는 화성의 영향권 내에 있었으며, 상대 속도는 조우(rendezvous)를 위한 안전한 한계치 내에 잘 유지되었습니다.

비행 경로 자체를 넘어, 이 연구는 실제로 어떤 종류의 우주선이 이러한 과업을 달성할 수 있는지에 대한 실질적인 통찰을 제공했습니다. 연구진은 돛의 크기, 운송 가능한 탑재물의 질량, 그리고 임무의 성능 사이의 관계를 분석했습니다. 그들은 근미래 기술로 간주되는 약 100미터의 측면 길이를 가진 돛의 경우, 약 10킬로그램의 탑재물을 화성에 성공적으로 전달할 수 있다는 것을 결정했습니다. 이는 이 임무가 까다롭기는 하지만, 소형 특수 탐사선들에게는 실현 가능한 영역임을 시사합니다. 이 연구는 하이브리드 신경망 접근 방법을 사용함으로써 엔지니어들이 태양 돛 항해의 복잡하고 비선형적인 역학을 탐색하여 이전에는 도달할 수 없었던 해결책을 찾을 수 있음을 확인시켜 주었으며, 이는 더 효율적이고 유능한 행성 간 임무를 향한 문을 열어줍니다.