ICARUS의 비행

ICARUS의 비행

우주에서 동물 추적하기

© alexdrone–stock.adobe.com

다양한 동물 종의 이동 행동을 연구하기 위한 ISS 기반 프로젝트가 운영을 개시했습니다. 데이터 전송을 위해 로데슈바르즈의 무선 기술이 사용됩니다.

프로젝트 참가자들은 ICARUS가 정상적으로 운영을 시작하기 전까지 많은 어려움을 극복해야만 했습니다. 독일 라돌프첼(Radolfzell)에 위치한 동물 행동 연구소 Max Planck Institute의 연구소장인 마르틴 비켈스키(Martin Wikelski) 교수는 이번 프로젝트의 개시자이자 책임자입니다. 우주에서 동물을 관찰한다는 생각은 비켈스키 교수가 20년 전부터 구상해오던 아이디어였습니다. 처음 아이디어를 떠올린 이후로 자신의 생각을 실현하기 위해 끊임없이 노력했습니다. 주기적으로 발생하는 장애물이 그의 인내심을 시험하기도 했습니다. 심지어 프로젝트 이름조차 비켈스키 교수의 자조적인 유머를 담고 있습니다. 별다른 관심을 보이지 않았던 NASA는 신화 속 이카루스가 높은 곳으로 비행하려다가 종말을 맞았던 것처럼 그의 프로젝트 역시 절대로 성공하지 못할 것이라고 예측했습니다. 유럽의 ESA 또한 프로젝트 지원을 거절했습니다. 하지만 ISS 주요 운영 기관 중 하나인 러시아 연방 우주국 Roskosmos와 독일 항공우주센터(DLR)의 지원 덕분에 ICARUS가 마침내 비행에 성공할 수 있었습니다. 프로젝트의 이름은 프로젝트가 갖는 무게에 걸맞게 "우주를 이용한 동물 연구 국제 협력(International Cooperation for Animal Research Using Space)"이라는 약어로 변경되었습니다.

유토피아에서 현실로

물론, 초기의 아이디어는 대담했고, 현재의 관점에서 볼 때 2000년대 초반의 기술로는 실현 불가능한 것이었습니다. 센서와 라디오 모듈이 탑재되어 있고 태양열 에너지로 구동되는 수천 개의 소형 컴퓨터가 지구 어디에서든 우주에 있는 위성과 자율적으로 통신하고 "동물 인터넷(Internet of Animals)"을 형성한다는 생각은 SF 작가마저도 의구심을 갖게 만드는 아이디어였습니다.

하지만 배터리 및 태양 전지뿐만 아니라 전자기기와 센서의 소형화 기술이 최근 몇 년 사이 급격하게 발전하여 이러한 유토피아적 아이디어가 현실이 되기에 충분한 환경이 만들어졌습니다. 독일 드레스덴에서 박사 후 과정에 재학 중인 연구원들이 모여 설립한 위성 통신 전문 스타트업 INRADIOS에게는 프로젝트에 사용될 라디오를 디자인하는 어려운 과제가 주어졌습니다. 이들은 SpaceTech와 DLR에서 근무하는 우주 기술 전문가들로부터 지원을 받았습니다. 현재 로데슈바르즈 그룹의 일원이 된 INRADIOS는 Max Planck Institute(MPIAB)와 긴밀히 협력하면서 ICARUS 기술을 더욱 발전시키기 위해 노력하고 있으며, 로데슈바르즈는 이들과 협력하며 라디오 제작을 담당하고 있습니다.

ICARUS 태그는 유로화 동전 크기와 비슷합니다. 데이터 메모리를 전부 읽기 위해서는 특별한 휴대용 라디오가 필요한데, 이 라디오는 몇 킬로미터 반경 내에 위치한 태그에 데이터를 전송하도록 명령을 내리는 데 사용됩니다. 그다음 라디오가 WLAN을 통해 프로젝트 운영에 사용되는 스마트폰 또는 태블릿 PC에 데이터를 전달합니다.

가까이서 동물 관찰하기

송신기(태그)를 오래 사용할 수 있으려면 연구 대상인 동물이 태그를 오래 착용하는 것이 매우 중요합니다. 윤리 위원회가 권고한 바에 의하면, 태그는 동물의 행동에 영향을 미치거나 동물을 위험에 빠뜨리지 않도록 해당 동물 체중의 3%를 초과해서는 안 됩니다. 작은 동물에게도 태그를 부착할 계획이었기 때문에 크기와 중량의 한계를 맞추는 작업이 매우 어려웠습니다. 당시에 일반적으로 사용되었던 모바일 또는 아날로그 라디오 기반 추적기는 체중이 1 kg 미만인 동물에게는 사용이 제외되었는데 이는 모든 조류 및 포유류 가운데 75%는 연구 대상에서 제외된다는 사실을 의미했습니다. 관찰 프로그램에서 장기간 관찰한 경험이 있기 때문에 MPIAB는 대륙검은지빠귀를 관찰 대상으로 선택하였습니다. 친숙한 종으로 판단되는 대륙검은지빠귀에 프로토타입 ICARUS 태그를 부착하고 테스트를 진행하는 것은 바람직한 과정으로 생각되었습니다. 하지만 대륙검은지빠귀의 행동은 계속해서 연구자들에게 질문을 제기했으며, 이러한 질문은 지속적인 모니터링을 통해서만 그 해답을 찾을 수 있었습니다. 중량이 4.5 g으로 가장 가벼운 버전의 태그는 수컷 성체에만 사용하는 조건에서 대륙검은지빠귀에 사용할 수 있을 만큼 가볍습니다. 현재 ICARUS 계획에 따라 송신기를 부착할 수 있는 다른 모든 종의 경우에도 권장 사항이 쉽게 충족됩니다.

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소규모 또는 대규모: 이동 경로와 관계없이, 동물의 이주 행동을 모든 경로에서 추적할 수 있습니다(폴리네시아 이미지 예시 참고).

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소규모 또는 대규모: 이동 경로와 관계없이, 동물의 이주 행동을 모든 경로에서 추적할 수 있습니다(폴리네시아 이미지 예시 참고).

태그에는 무선 기술 및 위치 기술과 함께 여러 개의 센서와 충분한 메모리가 포함되어 있어 한 동물의 전체 수명 주기 동안의 이동 및 환경 데이터를 저장할 수 있습니다(다음 페이지의 상자 참조). 오버헤드 패드마다 최대 20세트의 위치 데이터가 ISS에 전송되는데, 일반적으로 매일 데이터가 전송되지만 위도가 높은 지역에서는 3일마다 데이터가 전송될 수도 있습니다. 접속 시간이 15초밖에 되지 않기 때문에 전송되는 데이터양에 제한이 있으며, 이 가운데 3초는 전송 및 낮은 무선 링크 대역폭에 사용됩니다. 전송 전력이 6 mW 밖에 되지 않는 소형 라디오가 위성과 통신할 수 있다는 사실은 그 자체로 특별합니다. 이러한 기술이 가능할 수 있었던 것은 고성능의 대형 ISS 안테나와 정밀한 무선 기술 덕분입니다.

태그는 다음 접속 위치를 계산하기 위해 현재 태그의 위치와 정기적으로 전송되는 ISS 궤도력 데이터를 사용합니다. 계산된 시간 동안 데이터의 수신 및 전송 준비를 하지만 그 외 대부분의 시간에는 전력을 절약하기 위해 대기모드로 유지됩니다. 정기적으로 전송되어 movebank.org에 수집되는 추적 데이터를 바탕으로 연구원들이 유의미한 분석 결과를 획득하는 데 성공하였습니다(그림 2 및 그림 3). 하지만 환경 데이터를 포함하여 태그에 축적된 전체 데이터에 액세스하려면 또 다른 컴포넌트가 필요합니다. 철새가 끊임없이 이동하는 것은 아닙니다. 여름과 겨울에는 서식지에 오랜 시간 머물기도 합니다. 대부분의 다른 종의 경우에는 이동 반경이 명확합니다. 덕분에 생물학자들이 이러한 동물의 서식지를 방문하여 ICARUS 휴대용 라디오를 통해 접속을 시도할 수 있습니다. 이 경우, 안정적이고 속도가 훨씬 빠른 무선 링크를 지상에 설치하여 킬로미터 단위 내의 거리를 처리할 수 있기 때문에 시간제한 없이 태그 메모리를 편리하게 확인할 수 있습니다.

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캐나다흑꼬리도요새는 전 세계적으로 약 5만 마리 정도밖에 남아있지 않습니다. 이들은 칠레에서 북미까지 7일 동안 쉬지 않고 비행한 후 캐나다로 날아갑니다. ICARUS는 현재 캐나다흑꼬리도요새의 이주 경로 및 휴식 지점과 관련된 자세한 데이터를 제공하고 있습니다. 현재 이 프로젝트는 칠레 생물학자에 의해 지원됩니다.

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캐나다흑꼬리도요새는 전 세계적으로 약 5만 마리 정도밖에 남아있지 않습니다. 이들은 칠레에서 북미까지 7일 동안 쉬지 않고 비행한 후 캐나다로 날아갑니다. ICARUS는 현재 캐나다흑꼬리도요새의 이주 경로 및 휴식 지점과 관련된 자세한 데이터를 제공하고 있습니다. 현재 이 프로젝트는 칠레 생물학자에 의해 지원됩니다.

연구원들은 다양한 유형의 센서 데이터에 위치 정보를 결합하여 기후 변화와 환경 데이터를 비롯하여 동물의 생활 여건 및 행동에 대해 완전히 새로운 통찰력을 얻고 있습니다. 수천 마리의 "ICARUS 새"가 비행을 시작하면 기상 드론으로서 전 세계 날씨 모니터링 시스템에 데이터를 제공할 수 있습니다. 하지만 이를 실현하기 위해서는 궤도에 있는 추가 위성과 함께 전송 기술에 대한 업데이트가 필요합니다. 어려움이 따르겠지만 비켈스키 교수는 이를 목표로 삼고 있습니다. ISS 운영은 2025년까지로 예정되어 있습니다. ISS 운영을 담당하는 국가가 ISS 운영 연장에 동의하지 않는다면 ICARUS 자율 위성이 ISS 역할을 담당하게 될지도 모릅니다. 자금을 조달하는 일이 쉽지 않겠지만, 이 프로젝트를 진행하면서 이미 다른 많은 장애물을 극복해온 MPIAB에게 포기란 없습니다.

다양한 이해관계의 균형 찾기

태그는 장시간 사용할 수 있도록 설계되었습니다. 동물의 전체 수명 주기 동안 작동해야 하고 심지어 재사용도 가능해야 하기 때문입니다. 기본적으로는 이러한 조건이 바람직하지만, 동물이 죽은 뒤에도 야생에 태그가 남아있게 된다면 그 자체로 문제가 발생할 수 있습니다. 전자기기는 부식이 되지 않기 때문입니다. 따라서 사용된 태그를 쉽게 검색하고 수집할 수 있는 메커니즘이 구현되었습니다. 태그의 이동이 없으면 GPS 위치가 안정됩니다. 이때 태그가 비콘 송신기 역할을 할 수 있도록 휴대용 라디오를 사용하여 태그를 핑 모드로 전환합니다. 그러면 라디오를 통해 태그의 위치를 대략적으로 추적할 수 있습니다. 동시에 태그 자체에서 LED 신호를 송출하여 위치를 알립니다. 다른 사람이 태그를 먼저 발견했을 경우를 대비하여 태그 뒷면에 연락처가 기재되어 있습니다. 이러한 장치들을 바탕으로 사용된 태그의 대부분이 MPIAB로 다시 회수되리라 생각합니다. 연구소는 이 문제에 각별한 주의를 기울이고 있습니다. 과학자들은 전 세계 생태계를 보호해야 한다고 믿으며 그것이 그들의 직업적 의무라고 생각합니다. ICARUS 프로젝트의 성장 속도가 빨라진다면 지속 가능성 측면에서 프로젝트를 재평가하는 작업도 필요할 것입니다. 유기적인 전자기기를 상용화하는 작업은 여전히 소원한 일입니다. 하지만 개발자들은 여러 가지 대안을 생각해낼 수 있을 것입니다. ICARUS가 하늘을 날기 시작했으니 의도했던 목적을 위해 시스템을 강화하고 최대한 활용하는 것이 관건입니다.

동물 송신기(태그)

  • 중량: < 5 g, 배터리 크기에 따라 상이함
  • 안테나 길이: 20 cm (라디오) 및 7.5 cm(GNSS)
  • 센서: 자기장, 가속도, 온도, 압력
  • 데이터 메모리: 512 Mbyte
  • 배터리 용량: 70 / 60 / 45 mAh
  • GaAs 태양 전지(현재 시점에서 사용 가능한 최고 사양)
  • 송신 전력: 6 mW
  • 송신 주파수: 402.25 MHz, 1.1 MHz 대역폭
  • 수신 주파수: 468.1 MHz
  • 송신 데이터 세트: 223 bytes/ISS 접속

현재 진행 중이거나 계획 중인 ICARUS 프로젝트

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잃어버린 시간의 이해 - 대부분의 동물에게 가장 힘든 시기는 태어난 장소를 떠날 때 찾아옵니다. 많은 종의 새끼 동물들은 여러 해 동안 생물학자의 관찰 범위 밖으로 사라집니다. ICARUS는 이러한 지식의 격차를 줄이는 데 도움이 되어야 합니다. 따라서 거북이와 명금류뿐만 아니라 포유류에 대한 연구를 진행하고 있습니다.

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동물을 보호하는 동물들 - 삼림 관리원들은 밀렵꾼의 접근을 차단하기 때문에 야생 동물을 보호하는 데 중요합니다. 하지만 동물은 모든 장소에 분포해있는 반면 이들은 모든 장소에 배치될 수 없습니다. 동물의 집단행동을 파악한다면 포식자 또는 밀렵꾼이 자주 출몰하는 지역을 파악하고 필요한 장소에 삼림 관리원을 배치할 수 있습니다.

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인간/동물 커뮤니티의 이동 - 초기 시대부터 인류는 특정 가축과 함께 이주해왔습니다. 이러한 공동 이주 습성은 일부 외딴 지역에서 여전히 관찰됩니다. 정확히 누가 이러한 이주를 주도하고 누구에게서 학습되는 걸까요? 연구원들은 부탄(히말라야), 남부 사헬 지역, 볼리비아 및 북극권 지역에서 이러한 질문에 답을 제공하는 연구를 준비하고 있습니다.

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전염병 예측 - 많은 동물이 서식지를 침해당하면서 인간과 야생 동물의 접촉 빈도 및 강도가 점차 증가하고 있습니다. 그 결과 병원체의 종간 전염이 발생하고 있습니다. 코로나 19 또한 이러한 방식으로 인간에게 전염된 것으로 의심됩니다. 동물 종에서 유력한 용의자는 박쥐로 의심되지만, 박쥐 또한 중개자에 불과합니다. ICARUS가 전염병의 근원을 식별하는 데 도움이 될 것입니다.

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명금류 및 바닷새의 이동 - 많은 종의 명금류이 지구의 반구를 연결하는 역할을 합니다. 긴 여행을 하는 동안, 이들은 영양소를 섭취하기 위해 해안 지역에 의존합니다. 하지만 어디에나 존재하는 인간으로 인해 이들이 쉴 곳이 점점 줄어들고 있습니다. 이들의 쉼터를 어디에 마련해야 할까요? 바닷새는 가장 수수께끼 같은 종입니다. 이들이 가장 선호하는 해양 지역은 어디일까요? 길은 어떻게 찾을까요? 잠은 어디에서 잘까요? 또한, 바닷새는 엘니뇨와 같은 기후 변화를 모니터링하는 데도 도움이 됩니다. 이들은 바람, 염분 및 해류를 끊임없이 관찰하고, 태풍 및 허리케인이 어느 지점에서 생성되는지에 대한 정보를 제공할 수 있습니다.

마르틴 비켈스키(Martin Wikelski) 교수

"우리 같은 과학자들에게 가장 중요한 건 새롭고 흥미로운 발견입니다. ICARUS가 기술적으로 유의미한 성공을 거둔 후, 우리는 즉시 러시아 및 국제 파트너와 협력하면서 전 세계 동물에 송신기를 장착하고 ICARUS 태그를 배포하기 시작했습니다. 우리에게는 하루하루가 소중합니다."

마르틴 비켈스키(Martin Wikelski) 교수