中, 드론 탑재 양자 센서로 잠수함 탐지 기술 공개…'수중전 판도 변화' 주목

남중국해에서 미·중 간 잠수함 작전을 둘러싼 긴장이 고조되는 가운데, 중국 우주과학자들이 수중 전쟁의 균형을 뒤흔들 잠재력을 지닌 자기 탐지 기술의 획기적인 발전을 공개했다고 24일(현지 시각) 홍콩에서 발행되는 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 보도했다.

중국항공우주과학기술공사(CASC) 연구팀은 드론에 탑재할 수 있는 양자 센서 시스템을 개발해 해양 시험에서 성공적인 결과를 거두었으며, 기존 장치의 심각한 한계를 극복하면서 피코테슬라(pT) 수준의 정밀도로 자기 이상을 추적하고 해저 자원을 매핑하는 데 성공했다고 동료 검토 논문을 통해 밝혔다.

연구진에 따르면, 이러한 뛰어난 민감도를 갖춘 인민해방군(PLA) 해군의 대잠수함 부대는 잠수함의 정확한 위치 파악은 물론, 잠수함이 생성하는 미세한 후류까지 포착할 수 있을 것으로 기대된다.

이는 남중국해와 같이 지구 자기장이 표면과 거의 평행을 이루는 저위도 지역에서 심각한 "사각지대"에 직면했던 기존 광학 펌핑 자력계(OPM)의 근본적인 한계를 극복한 혁신적인 기술로 평가된다. OPM 센서의 광축이 자기장 선과 너무 가깝게 정렬되면 신호가 현저히 약해지는 문제점을 해결한 것이다.
이번 연구의 핵심 기술은 'Coherent Population Trapping (CPT)' 원자 자력계다. 루비듐 원자의 양자 간섭 효과를 활용하는 이 장치는 자기장으로 인한 에너지 준위 변화인 지만 분할을 이용해 7개의 마이크로파 공명 신호를 생성한다.

연구진은 이러한 주파수가 자기장 강도와 선형적으로 상관관계를 가지므로, 방향에 관계없이 전 방향 감지가 가능하다고 설명했다.

북대서양조약기구(NATO) 동맹국들이 사용하는 캐나다의 MAD-XR 시스템과 동등한 8pT 수준의 감도를 달성한 중국 시스템은, 기존 방식의 사각지대를 제거하는 동시에 비용과 복잡성을 크게 줄였다는 점에서 주목할 만하다.

연구팀을 이끈 CASC 양자공학연구센터의 왕쉐펑 연구원은 논문에서 "MAD-XR은 너무 정교하고 고가이기 때문에 실제 작전 환경에서 광범위한 적용에 제약이 있다"고 지적하며 중국 시스템의 실용성과 경제성을 강조했다.

지난 4월 16일 중국 과학 기기 저널(Chinese Journal of Scientific Instrument)에 발표된 논문에서 왕쉐펑 연구팀이 개발한 견인 시스템은 항공기의 전자기 간섭을 최소화하기 위해 20m 길이의 케이블을 통해 CPT 센서를 로터 드론과 연결한다.

플럭스게이트 자력계는 방향 오류를 보정하고, GPS 및 지상국은 노이즈를 억제하며, 일주일 단위의 지자기 변화를 보상하고 고해상도 이상 맵을 생성하는 알고리즘을 사용해 데이터를 처리한다.

산둥성 웨이하이 앞바다에서 진행된 시범 비행 동안, 드론은 34개의 교차점을 가진 400x300m 격자 영역을 조사했다. 원시 데이터는 2.517 나노테슬라(nT)의 정확도를 보였으며, 오류 수정 후에는 0.849 nT로 개선되어 3배 이상의 성능 향상을 나타냈다.

특히 두 번의 독립적인 조사에서 자기 이상 지도에서 99.8%의 상관관계를 달성했으며, 평균 제곱근 오차(RMSE)는 1.149 nT에 불과해 왕쉐펑 연구팀은 "실제 테스트에서 뛰어난 안정성을 입증했다"고 강조했다.

연구진에 따르면, 이 기술은 잠수함 탐지에 국한되지 않고 피코테슬라 수준의 높은 감도를 활용해 석유 저장고, 고고학적 난파선, 심지어 지각 변동까지 정밀하게 매핑하는 데 활용될 수 있다. 이는 군사적 용도뿐만 아니라 광범위한 과학 및 산업 분야에 혁신적인 기여를 할 수 있음을 시사한다.

그러나 방위 분야에서 잠재력이 단연 압도적이다. 연구진은 높은 비용에도 불구하고 사각지대 회피를 위해 여러 개의 센서를 사용하는 MAD-XR과 달리, 단일 센서 기반의 중국 시스템은 저위도 해역에서 훨씬 저렴한 비용으로 뛰어난 성능을 제공한다고 강조했다.

다만, 실전 배치 준비 태세를 갖추기 위해서는 발표된 임상 시험 외에도 극한 조건에서 추가적인 검증이 필요하다는 지적도 나온다. 공개적으로 알려진 정보에 따르면 MAD-XR은 미국·일본과 기타 일부 국가에서 수년간의 운용 데이터를 통해 성능이 입증된 바 있다.

이번 연구에는 중국 최대의 항공우주 방위산업체인 CASC뿐만 아니라 베이징 항공우주 제어장치 연구소도 참여한 것으로 알려졌다.

한편, 중국을 포함한 일부 국가의 과학자들은 펨토테슬라(fT) 범위까지 감도를 1000배 향상시킬 수 있는 것으로 알려진 SERF(Spin-Exchange Relaxation-Free) 검출기와 같은 다른 유형의 고성능 잠수함 탐지기도 개발하고 있어, 미래 수중 감시 기술 경쟁은 더욱 치열해질 전망이다.


신민철 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com