<어린이과학동아> 편집부가 취재하러 가던 길에 도로에서 과속차량과 마주쳤어요. 하필 레이저 속도 측정기도 고장났어요.

과속 차량이 얼마나 빠른지 알아낼 수 있을까요?

학교 앞 도로의 과속 단속 카메라는 도로 위 차량의 속도를 재고 규정 속도보다 빠른 차량의 번호판을 촬영해요. 경찰관들은 사진과 기록을 분석해 과속한 차량의 운전자에게 과태료를 물리지요.

과속 단속 카메라는 속도를 재는 원리에 따라 루프식, 레이더식, 레이저식 과속 단속 카메라로 나눠요.

루프식 과속 단속 카메라는 도로에 일정한 간격으로 묻은 두 개의 루프 코일로 자동차의 속도를 재요.

루프 코일에 전류를 흘리면 주변에 자기장이 생겨요. 금속 자동차가 코일 위를 지나가면 자동차에 전류가 생겨 자기장이 달라져요. 제어 장치는 자기장 변화를 이용해 자동차가 두 코일을 통과한 시간을 재요. 코일 사이 거리를 이 시간으로 나눠 속력을 계산해요.

루프식 과속 단속 카메라로는 루프 코일을 묻지 않은 차선으로 달리거나 루프 코일이 있는 곳에서 속도를 줄였다가 과속하는 운전자를 단속하기 어려워요.

단점을 보완하기 위해 2018년부터 레이더식 과속 단속 카메라가 도입됐어요. 카메라 옆의 레이더 센서는 자동차로 전파를 보내요. 자동차가 다가오거나 멀어짐에 따라 부딪혀 돌아오는 전파의 주파수●가 달라져요. 이를 ‘도플러 효과’라고 해요. 주파수 변화를 분석하면 자동차의 속도를 알 수 있지요.

레이더식 과속 단속 카메라는 하나의 센서로 최대 4개 차로와 갓길을 감시할 수 있어요. 센서가 없는 차선으로 피해 가거나 카메라 앞에서만 잠깐 속도를 줄이는 차량도 단속할 수 있지요. 경찰관은 도로에서 1초에 400번 이상 레이저를 발사하는 이동식 과속 단속 카메라를 사용해요. 레이저가 자동차에 반사되어 돌아오는 시간을 계속 재면 자동차의 속도가 얼마나 빠른지 정확히 잴 수 있어요.

루프식 과속 단속 카메라의 작동

❶ 도로 아래에 20~30m 간격으로 전류가 흐르는 루프 코일을 묻어요.
❷ 차량이 센서 위를 지나가면 루프 코일의 자기장이 달라져 각 센서를 통과한 시간을 알 수 있어요.
❸ 센서 사이의 거리와 차량이 각 센서를 통과한 시간 차를 이용해 차량의 속도를 계산해요.

루프식 과속 단속 카메라
루프 코일을 이용해 자동차의 속도를 재고 제한속도보다 빠르면 번호판을 촬영해요.

 

레이더 센서
차량에서 반사되는 레이더 전파를 분석해 속도를 측정해요

 

루프 코일
전선을 사각형 고리 형태로 여러 번 감아 만들어요.

 

 

이동식 과속 단속 카메라

차량에서 반사되는 레이저를 분석해 속도를 측정해요

▲GIB

레이더식 과속 단속 카메라는 도플러 효과로 자동차의 속도를 재요. 도플러 효과를 응용하면 우주 쓰레기의 속도도 잴 수 있어요. 2025년 호주 태즈메이니아대 등 국제 연구팀은 우주 쓰레기에서 반사되는 전파의 변화를 분석해 자전 속도와 크기, 모양을 알아내는 기술을 개발했어요.

지구 궤도를 떠다니는 로켓의 잔해나 오래된 인공위성 등을 우주 쓰레기라고 불러요. 우주 쓰레기는 팽이처럼 빙글빙글 돌면서 1초에 약 7.5km를 이동하는 평균 속도로 지구 주위를 공전해요. 총알보다 약 10배 빠르지요. 우주 쓰레기가 통신위성 등에 부딪히면 위성이 파괴돼 통신 장애가 발생할 수 있어요. 충돌 위험을 정확히 예측하려면 우주 쓰레기가 어떻게 생겼는지, 얼마나 빨리 자전하는지 알아야 해요. 연구팀은 2021년 3월부터 2025년 9월까지 호주에서 20개의 우주 쓰레기를 조사했어요. 미국항공우주국(NASA)의 안테나에서 7.15GHz(기가헤르츠)●전파를 우주 쓰레기 방향으로 발사하면 호주 여러 지역의 전파망원경이 반사되어 돌아오는 전파를 동시에 관측했지요.

우주 쓰레기가 팽이처럼 자전하면 관측소를 향해 가까워지는 부분과 멀어지는 부분이 계속 바뀌어요. 이때 우주 쓰레기 표면에 반사되어 돌아오는 전파의 주파수도 조금씩 높아졌다 낮아졌다를 반복해요. 연구팀은 자전 때문에 생기는 미세한 도플러 효과를 분석해 우주 쓰레기의 자전 주기를 계산했어요. 예를 들어 미국이 발사한 후 우주에 남은 아틀라스 V 로켓의 상단부는 220초마다 한 바퀴를 돌았어요. 이때 자전하면서 나타나는 전파의 주파수 변화 폭은 관측할 때마다 달라졌어요. 연구팀은 “우주 쓰레기의 자세나 자전하는 방식이 달라졌을 가능성이 있다”고 설명했어요.

연구팀은 여러 전파망원경에서 얻은 자료를 종합해 우주 쓰레기의 크기와 모양도 알아냈어요. 그 결과 실제 크기와 비교했을 때 차이가 10%도 안 될 만큼 정확했어요. 우주 쓰레기가 어디에 있을지 예측할 때 생기는 오차도 최대 30% 줄일 수 있었어요. 기존의 레이더 장비로 우주 쓰레기를 더 정확하게 추적한 거예요. 우주 쓰레기를 추적하는 기술이 발전하면 우주 교통사고를 예방할 수 있어요. 우주 쓰레기를 안전하게 제거하는 기술을 개발하는 데도 도움이 된답니다. 

▲Alex Cherney/CSIRO

호주 국립과학청(CSIRO)이 운영하는 전파망원경 ATCA.

▲퍼블릭 도메인

아틀라스 V 로켓의 상단부.