농업인 지원을 위한 나노위성, 시뮬레이션 및 작물 잔류물 활용

당신은 탁 트인 들판에 서 있습니다. 언젠가 눈으로 볼 수 있는 먼 곳까지 작물로 가득했지만, 지금은 수확을 끝내고 남은 황금빛 그루터기만 있습니다. 그러나 일은 아직 끝나지 않았습니다.

이제 내년에 최고의 작물 수확량을 얻을 수 있도록 토양 상태를 파악하여 다음 수확을 계획할 때입니다. 이 프로세스의 한 가지 측면은 작물 잔류물을 분석하여 주의 깊게 균형을 유지하는 것입니다. 작물 잔류물이 너무 많으면 해충이 번식할 수 있고, 너무 적으면 침식으로 이어질 수 있습니다.

작물 잔류물 측정은 전반적인 작물 상태, 적절한 경작 강도, 탄소 격리 가능성, 농지 사용 및 기후 과학 이니셔티브의 가능성 등 다른 주요 정보도 보여줍니다.

이 작물 잔류물 평가는 직접 돌아다니며 토양을 조사하여 수동으로 수행할 수 있지만, 이는 엄청난 시간이 소요됩니다. 또 다른 옵션은 드론이나 비행기를 이용하여 토지를 조사하는 것이지만, 이 방법은 막대한 비용이 들 수 있습니다.

오늘날에는 또 다른 선택지가 있습니다. 10년에 이르는 기간 동안 토론토 대학교 항공우주팀(UTAT) Space Systems 학생 그룹인 Ansys 학생팀 파트너는 지구 관측과 지속 가능성을 위해 비용 효율적인 소형 큐브샛(표준화된 소형 위성)을 설계, 개발 및 발사해 왔습니다. 이 그룹의 최신 사안은 앞으로 몇 년 내에 착수할 예정인 작물 잔류물 하이퍼스펙트럼 매핑을 위한 현장 이미징 나노위성(FINCH) 프로젝트입니다.

Space Systems 사업부의 광학 책임자인 Iliya Shofman은 FINCH는 지구 저궤도에서 작물 잔류물 매핑을 수행할 수 있으며, ‘대안의 가격대를 고려할 때 최상의 솔루션’이라고 말합니다.

현재 Space Systems 담당 이사이자 전임 광기계 설계 책임자인 Ksenya Narkevich는 FINCH를 통해 농산업 전문가들이 중요한 토양 정보를 원격으로 생성할 수 있다고 말합니다. 또한 UTAT Space Systems는 이 프로젝트에서 캐나다 농업농산식품부(AAFC)와 적극적으로 협력하여 작업의 유용성을 확대하고 있습니다.

이는 학생들이 Space Systems 사업부에서 수행하는 놀라운 이점과 작업 중 한 가지 측면에 불과합니다.

UTAT Space Systems의 경계를 허무는 작업

혁신적인 아이디어는 혁신적인 팀에서 시작됩니다. 이 분야에서는 Space Systems 사업부가 성공을 거두고 있습니다. 장벽 없는 팀으로서 UTAT Space Systems는 경제학, 정치학, 지구 물리학 및 경영학을 전공한 학생뿐만 아니라 모든 공학 분야의 학생들로 구성되어 있습니다. 팀은 성공을 위해 이러한 광범위한 기술 세트를 활용하며, 모든 구성원이 팀의 전반적인 성공에 중요한 역할을 합니다.

또한 Space Systems 사업부는 더 넓은 커뮤니티가 수행 중인 작업을 사용할 수 있도록 우선 순위를 두고 있으며, 이는 비공개 계약이 필요한 작업을 제외하고는 모두 오픈소스입니다.

이러한 원칙에 기반하여 많은 성공을 거두었습니다. 예를 들어, 이전 프로젝트인 나노 단위의 (초)고주파 교육용 무선 통신(HERON)은 캐나다에서 최초로 학생이 전액 자금을 지원하고 학생이 제작한 큐브샛이었습니다.

팀의 현재 위성인 FINCH는 단파 적외선(SWIR) 범위를 사용하여 앞에서 언급한 작물 잔류물 데이터와 같은 중요한 데이터를 생성합니다. 다분야 연구 및 개발 노력을 통해 제작된 새로운 FINCH EYE 하이퍼스펙트럼 카메라 탑재물은 유사한 기술에 비해 비용을 절감하면서 과학적으로 가치 있는 이미징 기능을 구현한다는 점에서 두드러집니다.

FINCH는 Spectral Unmixing이라는 프로세스를 사용합니다. 즉, 지상 샘플에서 각 재료의 백분율을 결정합니다. FINCH의 경우, 이 기술은 녹색 식물(GV), 작물 잔류물 및 비광합성 식물(NPV), 토양(혼합된 조성을 포함)의 분수 풍부도를 찾는 데 사용됩니다.

UTAT Space Systems 팀은 FINCH에 대한 여러 학회 논문을 발표했으며, 미션 아키텍처와 새로운 머신 러닝(ML) 초고해상도 하이퍼스펙트럼 이미지 향상 기술과 같은 주제를 다룹니다.

또한 FINCH의 다목적 분광계 설계는 농업을 넘어 광범위한 기타 응용 분야에 적용될 수 있습니다. Shofman은 UTAT Space Systems가 현재 삼림 벌채 및 식물 추적, 홍수 매핑, 오일 유출 감지, 해안 수질 평가 등 탑재물의 목표 사양으로 실현 가능한 다른 의미 있는 과학 응용 분야를 연구하고 있다고 밝혔습니다.

이러한 응용 분야를 실현하려면 Space Systems 사업부에서 먼저 몇 가지 주요 과제를 극복해야 합니다.

FINCH 설계, 개발 및 배포의 장애물

FINCH는 빵 한 덩어리의 크기에 불과하지만, 그 작은 크기 뒤에는 엄청난 복잡성이 숨겨져 있습니다.

Shofman은 우선, "상당한 수의 전자 장치와 많은 열 기계 구조가 있으며, 특히 광학 설계도 있습니다."라고 말합니다. “그리고 위성과 지상국이 위성과 통신할 수 있도록 지원하는 소프트웨어를 작성하는 펌웨어가 있습니다.”

기술적 어려움 외에도 재정적 제약도 있습니다. Shofman은 "항공우주 산업, 특히 우주 산업은 비용이 매우 많이 드는 것으로 악명이 높습니다."라고 말합니다. 혁신가들이 “과학적 목표를 타협하지 않고 더 적은 비용으로 더 많은 것을 달성해야 하며, 이는 UTAT Space Systems의 핵심 사명입니다.”라고 추가합니다.

이러한 비용을 줄이기 위해 현대 위성 개발자는 대형 위성과 함께 우주로 합승할 수 있는 표준화된 소형 위성을 설계하여 천상의 ‘카풀’을 형성할 수 있습니다. 이로 인해 발사 비용이 감소하여 UTAT Space Systems와 같은 더 많은 조직이 우주에 접근할 수 있게 되었습니다.

그래도 과제는 남아 있습니다. Space Systems 사업부에서 배포하는 것과 같은 소형 설계의 경우 연구원들은 축소된 크기를 유지하면서도 가능한 것을 결정하는 데 더 많은 시간을 할애해야 합니다.

이러한 장애물을 극복하기 위해 팀은 시뮬레이션 소프트웨어로 전환했습니다.

시뮬레이션 소프트웨어로 비용 절감 및 농업 과학 발전

시뮬레이션은 UTAT Space Systems 팀을 위한 일회성 툴이 아닙니다. 대신 프로세스 전반에 걸쳐 이 솔루션을 활용합니다. Shofman은 “위성을 설계하려면 광범위한 시뮬레이션 작업이 필요합니다.”라고 말합니다. 이러한 사실은 UTAT의 많은 설계 중심 부서에서도 동일하게 적용됩니다.

팀에서는 다음을 사용합니다.

• 위성에서 사용할 자체 패치 안테나를 설계하는 Ansys HFSS 고주파 전자기 시뮬레이션 소프트웨어
• 임무 궤도를 계획하고, 궤도 분석을 수행하고, 링크 예산을 분석하고, 지구 관측 이미징 시뮬레이션을 수행하는 Ansys Systems Tool Kit(STK) 디지털 미션 엔지니어링 소프트웨어
• 위성이 궤도에 있을 때 위성 전체의 열 구배를 연구하기 위한 Ansys Thermal Desktop 열 중심 모델링 소프트웨어. 이는 민감한 광학 탑재물에 매우 중요합니다.
• 진동 열 탄성 변형에 대해 위성 섀시 및 광기계 하우징을 검증하기 위한 Ansys Mechanical 구조 유한 요소 분석 소프트웨어. 여기에는 광기계 하우징과 전체 위성 섀시의 준정적, 불규칙 진동 및 고유 진동수 분석이 포함됩니다.
• 탑재물의 광학 설계를 개발하고 분석하기 위한 Ansys Zemax OpticStudio 광학 시스템 설계 및 분석 소프트웨어. 여기에는 맞춤형 광학 렌즈 시스템 설계, 최적화 및 공차, 미광 분석이 포함됩니다.

시뮬레이션 소프트웨어의 이점에 대한 구체적인 예로, FINCH의 광기계 설계의 일부로 최적화된 브래킷을 개발하는 프로세스를 살펴보십시오. Narkevich는 이 과정에서 팀이 질량과 강도의 균형을 분석해야 했다고 말합니다. 팀은 Mechanical 소프트웨어를 사용하여 고장을 일으키는 응력 집중도가 높은 브래킷 설계 영역을 식별하고 수정할 수 있었습니다.

Narkevich는 "처음에 CAD(Computer-Aided Design)를 수행할 때는 생각하지 못했던 설계 측면 하나를 조정함으로써 발사 조건에서 전체 설계를 검증할 수 있었습니다."라고 말합니다.

또 다른 예는 팀이 사용자 지정 광학 시스템의 실험용 프로토타입을 제작했을 때 수차로 인해 흐릿한 이미지를 발견한 것입니다. 이 문제를 해결하기 위해 팀은 OpticStudio 소프트웨어를 활용했습니다. Shofman은 "펜과 종이로 이 설계를 하는 것은 사실상 불가능합니다."라고 말합니다. “펜과 종이를 대체할 수 있는 옵션이 없으며, 솔직히 렌즈 시스템 설계를 위한 OpticStudio 소프트웨어만큼 뛰어난 다른 소프트웨어 대안도 없습니다.”

Shofman은 "시뮬레이션은 까다로운 우주 환경에서 작동할 것으로 확신하는 설계를 개발하는 데 중요한 역할을 합니다."라고 말합니다. “Ansys 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 신속한 평가를 내릴 수 있어 각 사업부에서는 설계를 빠르게 반복하고 개선할 수 있습니다. 설계를 구축하기 전에 시뮬레이션을 사용하여 설계 성능을 확인할 수 있으므로 팀의 시간과 비용을 크게 절약할 수 있습니다.”

결론적으로 “UTAT Space Systems는 Ansys 소프트웨어 사용으로 상당한 이점을 얻었습니다.”라고 Shofman은 말합니다. “Ansys 소프트웨어가 없었다면 대부분의 설계 작업을 진행하기가 어려웠을 것입니다.”

FINCH와 함께 미래로 도약

Space Systems 사업부는 FINCH에 큰 기대를 걸고 있습니다. FINCH는 작물 잔류물 매핑 데이터를 통해 기후 변화 과학 및 환경 모니터링에 대한 중요한 "감지 격차"를 좁힐 것으로 예상합니다.

Narkevich는 앞으로 팀이 범위를 넓히고 다른 지속 가능성 관련 목표를 추구할 계획이라고 말합니다. 이러한 발전은 단일 학부 과정 내에서 지속적으로 위성을 구축하고 발사한다는 UTAT Space Systems의 야심 찬 목표에 힘입어 이루어질 것입니다.

이 모든 과정에서 교육 목표가 무엇보다 가장 중요할 것입니다. UTAT Space Systems는 학부 및 고등학생을 대상으로 하는 봉사 활동을 통해 지식과 학습 기회를 지속적으로 공유하고 자체 구성원의 기술을 향상하는 것을 목표로 합니다.

졸업생들은 Space Systems 사업부에서 개발한 기술을 활용하여 전 세계 항공우주 산업에 기여하는 스타트업을 창업하고 MDA Space, Intel, General Motors, Rocket Labs와 같은 주요 정부 기관 및 상업 회사에서 경력을 쌓는 등 놀라운 진로 기회를 얻었습니다.

Shofman과 Narkevich는 UTAT Space Systems에서 근무한 경험과 Ansys 시뮬레이션이 미래의 진로에 도움이 되었음을 밝혔습니다. Narkevich는 "전 UTAT Space Systems에서 하는 작업을 면접에서 항상 언급하는데, 이러한 시뮬레이션을 수행했다고 말할 수 있어서 늘 유리한 것 같습니다."라고 말합니다.

Shofman은 "[시뮬레이션] 소프트웨어를 학습의 일부로 활용하면 진로 선택에 대해 훨씬 더 명확하게 알 수 있기 때문에 진로 선택에 도움이 됩니다."라고 말합니다.

UTAT Space Systems와 시뮬레이션의 이점에 관심이 있는 다른 학생들을 위해 Shofman과 Narkevich는 다음과 같은 조언을 전합니다.

• Narkevich: "배경에 대해 걱정하지 마세요. 지식, 배경, 경험 여부와 관계없이 프로젝트에 기여할 수 있습니다."
• Shofman: “최고의 소프트웨어는 다루기 어려운 경향이 있으며, 모든 버튼과 구성의 논리를 배우려면 시간이 걸립니다. 하지만 일단 배우면 훨씬 다재다능해질 수 있습니다.”

Ansys는 팀과 협력함으로써 목표 달성을 위해 UTAT Space Systems를 지원하게 된 것을 자랑스럽게 생각합니다. Shofman은 "무료 학생 소프트웨어와 엄선된 튜토리얼 라이브러리를 이용하면 기본 사항을 배우고 지능형 설계를 더 빠르게 시작할 수 있습니다."라고 말합니다. "학술 문헌에 기여할 수 있어 매우 자랑스럽게 생각하며, 이는 Ansys 소프트웨어가 제공하는 신뢰를 바탕으로 합니다."

Ansys 학생팀 파트너십의 이점에 대해 자세히 알아보십시오.