세계 최대 천체 망원경에 적용된 맥슨 드라이브

남미 칠레 인데스 산맥에 세계 최대 광각 망원경이 설치된다. 이 광각 망원경에는 필터 체인저가 장착되는데, 여기에 사용하는 기존 드라이브 시스템이 너무 느린 것이 문제였다. 따라서 신속하고 정밀하게 필터를 제공할 수 있는 장치에 안정적인 새로운 모터와 컨트롤러가 필요하였다.

슈테판 로쉬(Stefan Roschi): Maxon Motor AG 기업 마케팅 커뮤니케이션 담당

핵심 내용

  • 칠레 안데스산맥 기슭에 천체를 찍는 거대한 망원경이 설치된다. 이 카메라는 광스펙트럼의 다양한 부분들을 촬영하기 위해 광학 필터를 장착한다.
  • 기존 시스템은 이 광학 필터 체인저에 사용할 수 없었다. 너무 느렸기 때문이다. 새로운 시스템을 개발하면서 큰 문제에 봉착했다. 공간이 협소하고 연속으로 작동해야 하며 정밀하고 속도가 보장되어야 한다.
  • 필터를 20초 이내에 제공할 수 있는 캐러셀에 모터와 기어 그리고 컨트롤러로 이루어진 하나의 콤팩트한 시스템을 프랑스 연구가들이 개발하였다.

직경 8.4m의 미러에 감지기 영역 3.2기가 픽셀 카메라(세계에서 가장 큰 디지털카메라)를 갖춘 칠레의 LSST(Large Synoptic Survey Telescope) 설치 작업은 거대한 프로젝트이다. LSST는 매주 여러 차례 천체 하늘을 촬영하고 변화를 관찰하여 움직임을 기록한다. 이러한 천문 데이터는 태양계와 은하수의 구조와 진화를 다루는 연구에 반영되고, 또한 암흑 물질과 암흑 에너지에 관한 다양한 연구 프로젝트의 기초를 형성한다.

미국 주도 하에 실현되고 있는 이번 프로젝트의 예산은 6억 유로(원화로 8천억 원)이다. 전 세계적으로 20여 국가와 연구소가 이번 과학 프로젝트에 참여하고 있으며, 프랑스는 미국 및 칠레와 협력하여 CNRS(프랑스 국립 과학 연구센터)의 LPNHE(Institut National de physique nucléaire et de physique des particules – IN2P3, 프랑스 국립핵 입자물리학 연구소)를 통해 적극적으로 참여하고 있다.

브러시리스 DC 모터와 유성 기어로 이루어진 기어드 모터는 매우 협소한 공간에서도 높은 출력을 제공한다.

천문학에 이용되는 고정밀 역학

이 망원경은 해발 2,682m 높이의 칠레 체로 파촌 정상에 세워진다. 이곳은 대기 및 빛에 의한 간섭 장애가 특히 적은 곳이어서 선택되었다. 돔의 직경이 30m이며 높이가 17m에 이른다. 구조물은 완전히 전동화되었으며 모든 방향으로 정렬이 가능하다.

실질적인 망원경 자체는 다음 세 가지 구성 요소로 이루어진다.

• 정확한 위치에 접근하여 촬영을 준비하는 마운트,

• 직경이 8m가 넘는 비구면 오목 거울로 구성되는 광학 시스템,

• 이번 프로젝트의 심장인 디지털카메라

이 카메라에는 -100°C로 냉각되는 32억 픽셀의 디지털 감지기 영역이 있다. 이 감지기는 근자외선부터 근적외선까지 높은 감도를 제공하여 전체 스펙트럼에 걸쳐 측광학적 측정이 가능하다. 카메라에는 광학 필터 시스템이 내장되어 있으며, 이 광학 필터 시스템은 관찰할 광스펙트럼의 범위를 결정한다.

로봇 지원 필터 체인저

필터 체인저는 천문학 망원경에 들어가는 일반적인 장비이다. 하지만 현재 사용할 수 있는 시스템 가운데 LSST의 목표를 충족할 시스템이 없었다. 이번 프로젝트에는 유사한 크기의 장비를 15 배 정도 빠르게 교체해야 한다. 이에 5개 프랑스 연구소로 중심으로 수 분 내에 새로운 필터를 감지기 영역에 배치할 수 있는 로봇 지원 시스템을 개발하였다. 이번 프로젝트는 공간 배열에서 시작하여 기술적 요건이 매우 까다로워 필터 체인저의 모든 구성품을 카메라 하우징 안에 넣어야 했다. 또한 지진이 발생하더라도 높은 안정성을 유지해야 한다.

연구 개발의 결과로 1/10mm 범위로 정확하게 기능하는 고가의 필터 핸들링 장비가 탄생하였다. 이 장비의 중심에는 5개의 필터가 자리하고 이 필터를 20초 내에 제공하는 캐러셀이 위치한다. 이 캐러셀에는 카메라에 필터를 삽입하거나 제거할 수 있는 메커니즘이 포함된다.

이 지점에서 LPNHE가 맥슨 프랑스에 접촉하였다. 온라인 컨피규레이터와 맥슨 사이트에서 제공하는 관련 기술 자료는 이 시스템에 적합할 컴포넌트를 선택하기 위한 첫 단계였다. 이어지는 의사소통 과정에서 맥슨 프랑스가 제공하는 솔루션이 이 프로젝트 목적에 부합한다는 점이 확인되었다. 맥슨 프랑스는 모터와 컨트롤러를 함께 공급하여 호환성에도 큰 문제가 발생하지 않았다. 캐러셀과 자동 체인저에는 맥슨 BLDC 모터 콤비(EC40/GP42)와 DC 모터 콤비(RE40/GP52C) 그리고 EPOS2 70/10 위치 제어기가 포함되었다. 맥슨을 선택한 데에는 여러 가지 이유가 있지만, 특히 카메라에 통합하는 데 필수적인 구성품과 기어 모터 그리고 컨트롤러의 소형화에 큰 장점이 있었으며 신뢰성도 결정적인 기준이 되었다. 이 필터 체인저는 연속적으로 작동해야 하고, 유지 보수는 2년 주기마다 2주로 제한하였다. 이 시간 동안은 미러에 새로운 알루미늄 도금을 위해 망원경 작동이 중단된다.

디지털 포지셔닝 컨트롤러 EPOS2 70/10는 홀센서와 엔코더를 장착한 최대 700W 급의 브러시리스 DC 모터에 적합하다.

긴밀한 협력

광학 필터 체인저와 관련된 작업은 매우 까다롭다. 이번 프로젝트는 매우 야심찬 프로젝트이며 LSST와 관련된 다양한 파트너들의 집중적인 협력이 필요하였다. 맥슨의 컨피규레이터와 모터 그리고 전자 시스템은 기술적으로나 과학적으로나 어려운 이번 프로젝트를 실현하는 데 크게 기여하였다.

MM 모터: 작지만 강한 출력

브러시리스 DC 모터 EC 40은 40mm x 80mm의 협소한 장착 공간 안에서 최대 170W의 출력을 낼 수 있다. 이 제품은 고출력과 광범위한 속도 범위 그리고 긴 수명을 특징으로 한다.

이 모터는 네오디뮴 영구 자석과 스테인리스 스틸 하우징 그리고 레이저 웰딩 처리된 플랜지를 갖추고 있다. 제조사에 의하면 비철 코일을 통해 조용하고 코킹 토크 없이 작동하며 높은 스톨 토크가 가능하다고 한다. 이 모터는 우주 항공과 물류에 적합하며 로보틱스가 포장기에도 적합하다. EC 40 모터는 다양한 맥슨 기어와 결합이 가능하다.