천문학 연구에 한 획을 그은 허블 천체 망원경의 수명이 다해가면서 새로운 차세대 망원경의 개발이 한창이다. 1990년 발사되어 우주에서 우주를 관측해 온 허블 망원경과 다르게 차세대 망원경은 지상에 거대 망원경을 건설하는 방식으로 시도되고 있다. 이때 관건 중 하나는 거대한 몸체의 움직임을 뒷받침할 수 있는 정밀한 액츄에이터이다. PI가 ESO의 E-ELT 망원경에 액츄에이터를 공급, 선도적인 기술력을 입증했다.
ESOEuropean Southern Observatory가 추진하는 E-ELTEuropean Extremely Large Telescope는 직경 39m, 집광면적 1000m2에 달하는 초대형 망원경으로, 인간의 눈보다 1억배, 갈릴레오의 망원경보다 800만배, 허블 천체 망원경보다 250배의 뛰어난 능력을 발휘할 수 있다.
250kg 798개 거울의 정밀 조작
그런데, 이 과정에서 오류를 방지하려면, 구성 요소들의 정확한 정렬이 전제된다. 중력이나 열 효과, 혹은 바람의 변화 등에 따라 최적의 광 경로가 이탈될 경우, 이미지 오류가 발생할 수 있기 때문이다.
따라서 상황에 따라 798개의 미러 세그먼트가 연속적으로 재배치되면서 즉각적으로 보상할 수 있는 시스템이 필요하다. 이를 위해 ESO는 2394개의 액츄에이터를 활용하여 정밀하게 미러 세그먼트를 조정하도록 하는 설계를 적용했다.
이 액츄에이터는 독립적으로 제어되는 세 개의 드라이브로 배치되는데, 정확도가 중요 조건이다. 망원경을 물체에 조준하고, 관찰 중인 물체를 놓치지 않고 추적하기 위해서는 우수한 위치 및 경로 정확도를 지녀야 한다.
여기에서 잊지 말아야 할 점은 각 미러 세그먼트는 250kg에 달한다는 점이다. 이러한 무거운 물체를 신속하게 이동시키면서 정확도를 잃지 말아야 하는 까다로움이 존재한다.
이러한 까다로운 조건을 만족하는 시스템을 구현하기 위해 ESO는 PIPhysik Instrument로 향했다. 그리고 PI는 하이브리드 드라이브가 E-ELT의 요구 조건을 충족하도록 제작하여 공급했다.
PI 하이브리드 드라이브로 해결
PI의 하이브리드 드라이브는 피에조 엑츄에이터piezo actuator를 사용하여 고부하 및 대형 주행에 적합한 모터 스핀들 드라이브를 결합한 것이다. 모터 스핀들 드라이브의 모든 부정확성을 고해상도 센서로 측정하고, 피에조를 사용해 보정함으로써 순수한 모터 스핀들 드라이브로는 달성할 수 없는 높은 위치 결정 정확도를 보장하는 장점이 있다. 따라서 높은 위치 정확도에 대한 E-ELT의 요구를 수용한다.
또한 하이브리드 드라이브는 전용 컨트롤러가 두 드라이브를 동시에 제어하고 고해상도 위치 측정 시스템을 제어할 수 있는데, 서보 알고리즘이 모터와 피에조 시스템을 단일 구동 장치로 간주하고 실제 동작과 계산된 궤적을 비교함으로써 주 미러 구조의 변형을 정확하게 보정하는 이점도 제공한다.
테스트를 통해 하이브리드 드라이브의 성능을 검증한 ESO는 2017년 6월 PI와 E-ELT의 위치 액츄에이터PACT의 공급계약을 체결했다. PI의 하이브리드 드라이브는 유연한 제어와 높은 정확도로 2024년 선보일 E-ELT의 핵심 솔루션으로 역할하고 있다.
