나만의 인공위성 만들기

목적

인공위성의 외형, 궤도, 기능과 우리 일상 생활에서의 중요성에 대해서 학습한다.

학습 목표

• 학생들은 인공위성의 개념과 외형, 기능, 사회에서의 중요성에 대해서 설명한다.
• 학생들은 자신만의 인공위성 모형을 만들어 인공위성을 만드는데 사용되는 부품과 기술적 한계점에 대해서 안다.
• 학생들은 자신만의 인공위성의 장단점과 모형을 만드는 것의 중요성에 대해서 논의한다.

평가

• 학생들이 인공위성의 개념과 외형, 기능, 사회에서의 중요성에 대해서 설명하도록 하여라.
• 학생들은 자신의 인공위성 모형을 성공적으로 만들고 자신만의 인공위성의 특별한 부품에 대해서 묘사하도록 하여라.
• 모형을 만드는 것이 실용적인 이유에 대해서 논의하도록 하여라.

준비물

준비물(인공위성 하나 당)

• 작은 상자
• 두루마리 휴지
• 알루미늄 호일
• 색지
• 철사
• 꼬치
• 풀
• 테이프
• 가위
• 플라스틱 컵
• 단추와 같은 꾸미기 재료

비디오(선택사항) :

• Amy’s Aviation: 인공위성이란 무엇인가? http://youtu.be/lUaxDI9CSB0
• 인공위성이 어떻게 작동되는가? http://youtu.be/54MSV2B399o
• 인공위성의 부품 : http://sciencelearn.org.nz/Contexts/Satellites/Sci-Media/Video/Parts-of-a-satellite

배경지식

인공위성이란 무엇인가?

위성은 하나의 물체다(예: 행성 혹은 항성의 궤도를 도는 위성, 행성 혹은 기계). 예를 들면 지구는 하나의 위성이다. 왜냐하면 지구는 태양의 궤도를 돌기 때문이다. 같은 이유로 달은 지구 주위를 돌기 때문에 위성이다.

지구와 달은 천연위성의 사례들이다. 천문학에서 ‘(인공)위성’이라는 용어는 주로 지구나 다른 우주 물체들의 궤도를 돌기 위해서 우주로 쏘아 올린 기계들을 말한다. 일부 인공위성들은 기상학자들이 날씨를 예측하고 허리케인을 추적하는 것에 사용될 지구의 사진을 촬영하는 반면, 다른 인공위성들은 다른 행성, 태양, 블랙홀, 멀리 떨어진 은하 등을 촬영한다. 이러한 사진들은 과학자들이 우리 태양계와 우주에 대해서 좀 더 잘 이해할 수 있도록 도와준다.

하지만 지구 주위를 도는 대부분의 인공위성들은 전 세계로 전달되는 TV 전파와 통화 신호처럼 주로 통신에 사용된다. 항해의 핵심적인 도구인 전 지구 위치 파악 시스템(GPS)은 20개 이상의 인공위성을 동시에 이용하는 것이다. 만약 GPS 수신기를 가지고 있다면 이 인공위성들은 당신의 정확한 위치 정보를 알아 낼 수 있다.

인공위성이 중요한 이유는 무엇일까?

인공위성은 동시에 지구의 많은 부분을 볼 수 있다. 이는 지상에 있는 기계들 보다 좀 더 빠르게 정보를 모을 수 있다.

또한, 인공위성은 지구 표면에 있는 망원경보다 우주를 더 잘 관측한다. 왜냐하면, 인공위성은 특정 파장의 빛이 지구 표면에 도달하는 것을 막는 지구 대기의 구름, 먼지, 분자보다 높은 곳을 비행하기 때문이다.

인공위성이 출현하기 이전에 TV 전파는 멀리 가지 못했다. TV 전파는 상대적으로 직선으로 이동하고 지구의 곡선을 따라 휘기보다는 우주 속으로 천천히 사라진다. 가끔 산이나 높은 건물들은 TV 전파를 막는다. 통화 신호를 먼 곳으로 보내기에도 문제가 있었다. 전화선을 먼 거리나 해저에 놓는 것은 어렵거나 비용이 많이 든다.

인공위성의 출현 덕분에 TV 전파와 통화 신호를 인공위성으로 보낼 수 있게 되었고 대부분 지구상 다른 지역으로 즉시 신호가 되돌아온다.

인공위성의 부품은 무엇인가?

인공위성은 다양한 모양과 크기를 가진다. 대부분 안테나와 전력원과 같은 두 가지 이상의 부분으로 구성된다. 안테나는 주로 지구와 정보를 주고받는 역할을 한다. 전력원은 태양 전지판이나 배터리이다. 태양 전지판은 태양빛을 전기로 바꿔 전력을 생산한다.

많은 인공위성은 카메라와 과학연구를 위한 감지기를 싣고 이동한다. 때때로 인공위성은 지구의 육지, 대기권, 물에 대한 정보를 모으기 위해 지구를 향하고 반대로 우주를 향하여 태양계와 우주 너머에서 오는 정보를 모으기도 한다.

어떻게 인공위성은 지구 궤도를 돌까?

대부분의 인공위성은 로켓에 실려 우주로 쏘아 올려진다. 인공위성의 속력이 지구 중력의 당기는 힘과 균형을 이룰 때 인공위성은 지구 궤도를 돈다. 이러한 균형이 없다면 인공위성은 우주로 날아가 버리거나 지구로 추락하게 된다. 인공위성은 각각 다른 높이와 속력, 궤도로 지구 주위를 돈다. 보통 ‘정지 궤도 위성’, ‘극궤도 위성’의 두 가지 종류가 있다.

정지 궤도 위성은 적도 위를 서쪽에서 동쪽으로 이동한다. 이 위성은 지구 자전과 동일한 방향과 속도로 움직인다. 지구에서 보면 정지 궤도 위성은 항상 같은 위치에 떠 있기 때문에 멈춰있는 것처럼 보인다.

극궤도 위성은 극과 극을 기준으로 남북 방향으로 이동한다. 지구가 위성 아래에서 자전하기 때문에 극궤도 위성은 지구의 모든 영역을 촬영할 수 있다.

왜 인공위성들은 서로 충돌하지 않을까?

사실 인공위성끼리 충돌할 수 있다. NASA와 다른 국제기구들은 우주상에 있는 인공위성의 궤도 정보를 가지고 있다. 인공위성이 쏘아질 때 다른 인공위성의 궤도를 피해서 계산된 궤도에 올라가기 때문에 충돌은 거의 일어나지 않는다. 하지만 궤도는 시간이 흐르면 변할 수 있다. 그리고 충돌의 확률은 점점 더 많은 인공위성이 우주로 올라갈수록 늘어나게 된다.

2009년 2월에 미국과 러시아의 통신 위성이 우주상에서 충돌했다. 이 사건은 우연히 두 개의 인공위성이 충돌한 최초의 사건으로 알려졌다.

전체 활동 설명

지구상 수십억 인구는 TV 시청, 인터넷 검색, 휴대폰 사용 및 지도와 자동항법 시스템을 사용한다. 인공위성은 보통 이런 모든 상황에 영향을 끼치며 일상생활에서 매우 중요한 역할을 한다. 이 학습이 끝났을 때 학생들은 인공위성이 무엇인지, 어떻게 생겼는지 또 그들의 궤도, 기능과 개수에 대해서 알게 될 것이다. 또한, 학생들은 인공위성을 만들고 그들만의 인공위성의 기능에 대해서 설명할 것이다.

단계 1 :

“인공위성이란 무엇인가?” http://youtu.be/lUaxDI9CSB0라는 비디오를 시청한다. 인공위성이 중요한 이유, 인공위성이 지구 궤도를 도는 방법, 인공위성이 서로 충돌하지 않는 이유 등에 대해서 토론한다. 배경 지식을 참고하도록 하여라. 토론을 이어가면서 “인공위성이 어떻게 작동하는가”에 대한 비디오를 시청한다(http://youtu.be/54MSV2B399o).

주석 : 만약에 위의 영상 자료에 접속할 수 없다면 사전 지식을 바탕으로 해당 주제에 대해서 토론하는 활동을 진행할 수 있다.

단계 2 :

학생들이 인공위성에 대한 자신의 의문점을 말하도록 하고 이를 반 아이들과 나누도록 한다. 그 질문에 대해서 반드시 답을 할 필요는 없다. 선생님은 모형을 만들어 그러한 질문들에 대한 대답을 이끌어 내는 방법을 설명한다.

단계 3 :

인공위성의 기본 부품에 대해서 논의하고 ‘인공위성의 부품’에 대한 비디오를 시청한다.

http://sciencelearn.org.nz/Contexts/Satellites/Sci-Media/Video/Parts-of-a-satellite 가장 중요한 부분을 강조한다.

• 안테나와 휴대용 무전기 : 지구와 다른 인공위성들 사이에 전파 신호를 주고받는다.
• 로켓 엔진 : 우주에서 인공위성을 움직이고, 인공위성을 궤도에 안착시키거나 궤도 수정하는데 사용한다.
• 연료 탱크 : 로켓의 연료를 저장한다.
• 태양 전지판 : 전력을 생산한다.
• 배터리 : 생산된 전력을 저장한다.
• 내장된 프로세서 : 인공위성의 신호처리 능력을 제공한다.

단계 4 :

인공위성에 대해 다음과 같은 예시를 제시한다.

• 통신 – 아르테미스 : 세 개의 탑재 화물과 수많은 실험을 진행하는 고급 통신과 기술 임무 위성(Advanced Relay and Technology Mission Satellite, ARTEMIS)은 새로운 기술들은 실험하고 운용한다.
• 연구 – 허블 우주 망원경 : 지구상 600km 높이 궤도에 있는 NASA/ESA 허블 우주 망원경을 보여준다.
• 기상위성 – Metop : Metop은 EUMETSAT(Exploitation of Meteorological Satellites)를 위해 유럽 연합에 의해서 작동되는 세 개의 극궤도 기상위성 시리즈이다.
• 자동항법 위성 – GPS : 전 지구 위치 파악 시스템(Global Positioning System, GPS)은 네 개 혹은 그 이상의 GPS 인공위성의 시선 방향으로 아무런 방해가 없이 지구상 혹은 근처에서 위치와 시간 정보를 제공해주는 우주 기반 항해 시스템이다. 이 시스템은 전 세계의 군대, 민간인 혹은 상업적 사용자들에게 대단히 중요한 역할을 한다. 미국 정부는 이 시스템을 만들고 유지하며 GPS 수신기를 가진 모두가 자유롭게 접속할 수 있도록 하고 있다.

단계 5 :

모든 학생들(조)에게 인공위성을 만들 재료를 나눠준다. 학생들이 창의적으로 만들 수 있도록 하여라. 인공위성의 기능을 결정하고, 인공위성의 기능이나 건설 방법과 인공위성의 기능에 맞는 궤도를 설정해야 한다는 것에 대해 학생들에게 설명한다.

단계 6 :

학생들이 자신만의 인공위성 만들기가 완성되면 학급 친구들에게 인공위성의 부품, 기능과 사용법에 대하여 설명하도록 한다. 질문하기를 통해서 학급 토론을 하도록 한다.

선생님은 토론이 유발될 수 있게 다음과 같은 질문을 한다.

• 모형을 만드는 것이 유용한 이유가 무엇일까?
• 해당 모형에서 인공위성의 장점과 한계점은 무엇일까?
• 인공위성의 어떤 면이 해당 모형에 잘 표현되었고 어떤 부분을 개선해야 할까?
• 이 모형으로부터 우리는 무엇을 학습할 수 있을까?
• 우리는 이 모형을 어떻게 개선할 수 있을까?
• 이 모형이 사회에 얼마나 중요할까?

커리큘럼

추가 정보

인공위성이란 무엇인가?

http://www.nasa.gov/audience/forstudents/5-8/features/nasa-knows/what-is-a-satellite-58.html

아이들을 위한 인공위성의 사실들:

http://www.sciencekids.co.nz/sciencefacts/space/satellites.html

결론

주변에서 볼 수 있는 물건들로 인공위성을 만들어 봄으로써 학생들은 인공위성의 기능과 사회에서의 중요성에 대해서 학습한다.

 감사의 글

이 활동의 번역을 검토해주신 심현진 교수님과 이정애 박사님에게 감사의 인사를 전합니다.