실피드의 Never@Rest /

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연재명이 너무 길어서 좀 짧게 바꿨습니다. 실피드언니의 레이저 이야기로..

연재 순서
(1) 레이저란?
(2) 레이저의 응용
(3) 레이저 무기의 역사 I
(4) 레이저 무기의 역사 II
(4) 레이저 핵융합

무기로서의 레이저에 대한 아이디어가 처음 나왔던 것은 레이저가 만들어지기도 전인 2차 대전 직후였습니다. 핵무기에 대한 공포가 만연하고, 핵 미사일에 대한 방어체계의 필요성이 부각되던 시점에 ARPA (Advanced Research Project Agency. 고등 연구 계획국)에서는 폭약이나 탄두가 아니라 직접 에너지를 전달하는 무기체계를 연구하기 시작합니다. 마이크로파에 대해서는 어느 정도 알려져 있었고 가간섭성Coherence을 가지도록 공진기를 구성한 메이저Maser를 가시광선 영역에서 구현한다는 레이저의 아이디어가 여기서 최초로 등장합니다.

1960년대에 우리가 보통 알고 있는 빨간색 레이저의 최초 버전인 루비 레이저가 등장합니다. 당시 경쟁 중이던 그룹들을 모두 제치고 휴즈 연구소의 마이만 (Theodore Maiman 아래 사진)이 이 연구를 성공시켰는데, 당시 기자 회견에서 시카고 트리뷴지의 기자가 레이저를 죽음의 광선으로 몰고 간 덕에 문제가 생겼습니다. 기자가 워낙 집요하게 물고 늘어지는 통에 "무기로 쓰일 가능성을 배제할 수는 없다"고 한 코멘트가 다음 날 LA 헤럴드 일면을 다음과 같이 장식합니다.

SF소설에 등장하는 죽음의 광선 드디어 발명되다

▲ 고체 레이저의 조상 Theodore Maiman 형님.
손에 들고 계신 것은 전설의 빨간색 레이저 Ruby.
오른손의 꼬불꼬불한 꽈배기는 펌핑용 플래쉬 램프.
"무기 아니라니까! 쫌!" /애도

레이저 무기로 사용되는 레이저는 크게 가스 레이저, 화학 레이저, 그리고 근래에 사용되는 고체 레이저가 있습니다. 가스 레이저와 화학 레이저는 초기 레이저 무기 개발 역사의 대부분을 차지합니다.

(1) 가스 레이저 (Gas Laser)

레이저를 무기로 사용하려면 많은 에너지가 필요한데, 실험실에서 만드는 실험 테이블 크기의 레이저로는 불가능한 일입니다. 레이저 무기에 필요한 조건 중 하나는 바로 크기 확장성 (scale-up)입니다. 고체 레이저는 다른 레이저보다 먼저 발명되긴 했지만 크기를 키우는 데에 난점이 많았기 때문에 가스 레이저가 먼저 이용되었습니다. 이전의 포스팅 (2)에서 언급했던 산업용으로 많이 사용되는 이산화탄소 레이저(CO2 laser)가 바로 최초의 레이저 무기였습니다.

이산화탄소 레이저는 이산화탄소 분자를 높은 에너지 상태로 유지해줘야 하는데 노즐을 통해 분출되는 고온, 초음속의 이산화탄소를 이용하다보니 엄청난 크기를 자랑하게 되었습니다. 게다가 효율도 매우 낮아서 0.1% 수준이었는데 1 MW의 레이저를 만들려면 1 GW의 폐열을 처리해야 하는 상황인 거지요.

여러 번의 개량을 거쳐 70년에는 100 kW급 레이저가 만들어 졌습니다. 하지만 당시 기자회견 후에 나간 기사 제목은 연구진을 어이없게 만들었죠.

"레이저 에너지, 경차 수준" "Laser Powers Small Car"

레이저 무기의 에너지를 단순히 숫자로만 보면 안되는 이유는 그것을 한 점에 밀집시켜서 고온을 만들기 때문입니다. CPU의 집적도와 단위 면적 당 에너지를 나타낸 그래프를 생각해보시면 됩니다. (계속 오르면 태양보다 더 뜨거워 질거라는 건 구라입니다...) 작은 에너지도 밀집시키면 아래 사진처럼 불납니다.

▲ 15 kW CO2 레이저. 한 번 불타볼텨?!

마침내 150 kW급 가스 레이저가 만들어 지자, 공군, 육군, 해군에서 테스트를 받게 됩니다. 1973년 당시의 테스트에서는 우여곡절 끝에 겨우겨우 무인기를 격추시키는데 성공합니다. 1980년대에 들어서 400 kW급 레이저를 보잉 707에 탑재한 공중 레이저 실험실Airborne Laser Lab이 만들어 졌고, 1983년에는 최초로 공대공 미사일 요격 시험에 성공합니다. 이후의 공중 레이저(ABL)는 화학 레이저가 탑재됩니다만.. ^^ (아래에 계속)

(2) 화학 레이저 (Chemical Laser)

공군이 가스 레이저로 재미를 보고 있는 동안 해군은 이산화탄소 레이저의 대안을 찾고 있었습니다. 이산화탄소 레이저의 파장인 10 um는 해수면 근처에서는 흡수가 너무 심각했기 때문에 (덩치도 덩치고) 불화수소 Hydrogen Fluoride를 이용하는 화학 레이저의 개발로 전환하게 됩니다. HF 레이저는 파장이 2.7-3.0 um 인데 공기에 흡수되는 영역이기 때문에 불화중수소 Deuterium Fluoride를 써서 3.6-4.0 um 파장으로 발진시킵니다.

수주를 받은 TRW사¹는 최초의 100 kW급 화학 레이저를 만드는데 성공합니다. 공군쪽의 실험을 인상깊게 본 해군측은 1973년 400 kW급 화학레이저 Navy ARPA Chemical Laser(NACL) 계획에 착수해서 78년에 미사일 요격 시험을 성공시킵니다. TRW는 1980년에 중적외선 화학 레이저 (Mid-Infrared Advanced Chemical Laser, MIRACL) ²라는 2 메가와트급 레이저를 개발해냅니다.

▲ 매지칼 케미칼 미미미라클~ 본체는 갑판 아래에 있고 보이는 것은 발사용 터렛 부분.

이토록 막대한 에너지를 뿜어내는 엄청난 무기임에도 MIRACL은 사장되었습니다. 레이저 무기는 대기를 뚫고 목표에 에너지를 밀집시켜 전달해야 합니다. 레이저가 일부 대기에 흡수되면 가열된 공기의 굴절률이 낮아져 오목렌즈 효과를 만드는데 이 효과가 커지면 결국 레이저를 목표에 밀집시킬 수 없게 됩니다. 또 바다 위의 바람과 난류도 레이저 빔을 방해하는 요소로 한 몫했지요. 결국 열심히 추진하던 해군은 1980년대쯤에 레이저 무기 개발에 시들해집니다. MIRACL은 이후 1990년대와 2000년대에 탄도 요격, 위성 요격 시험용으로 사용되기도 했습니다.

공군은 현재 차세대 화학 레이저 COIL을 탑재한 공중 레이저 YAL-1을 운용 중입니다. 해군에게 골칫거리였던 난류와 빔 왜곡 문제는 망원경에 응용되고 있는 적응광학계 Adaptive Optics³를 이용해서 해결하고 있습니다.