0. 목차
- 화성 테라포밍을 제안하기까지
- 화성 유인 탐사
- 화성에 거주하기
- 화성 테라포밍하기
- 테라포밍은 계속 유지될 것인가?
- 화성을 식민지로 만듦으로써 얻는 '경제적 이득'은 있는가?
1. 화성 테라포밍을 제안하기까지
1-1. 금성 테라포밍을 제안하다.
'테라포밍(Terraforming)'은 지구가 아닌 다른 천체를 지구화해서 인간이 살 수 있도록 만드는 작업을 말한다. 원래 테라포밍이라는 개념은 공상과학소설에서만 등장하는 개념이었다. 하지만 1961년에 세계적인 천문학자 '칼 세이건(Carl Sagan, 1934~1996)'이 'The Planet Venus'라는 논문을 통해 금성의 테라포밍에 대한 의견을 진지하게 제안하였다. 금성에 '조류(Algae)'를 심어 대기의 이산화탄소를 유기물로 합성하자는 내용이었다. '칼 세이건'은 대기에서 온실기체인 이산화탄소를 제거시킨다면 460℃에 달하는 금성의 표면 온도를 쾌적한 수준으로 떨어뜨릴 수 있을 것이라고 생각했다. 탄소를 비휘발성 유기물인 흑연의 형태로 분리시킬 수 있을 것이라고 생각한 것이다.
하지만 금성에 대한 추가적인 사실이 드러나면서 칼 세이건이 제안했던 방법으로는 금성의 테라포밍이 어렵다는 사실이 밝혀졌다. 가장 큰 문제는 고농도의 '황산(H2SO4)'으로 이루어져 있는 구름과 90기압의 높은 대기압이었다. 이런 적대적인 환경에서는 '조류(algae)'가 번성하기 어렵고, 번성하는데 성공한다고 하여도 고정된 탄소는 다시 연소되어 이산화탄소의 형태로 해방될 것이다.
1-2. 화성 테라포밍을 제안하다.
1973년, '칼 세이건'은 화성으로 대상을 바꾸어 테라포밍을 다시 제안하였다. 이에 3년 후, NASA에서는 화성의 테라포밍이 가능하다는 결론을 내리고, 테라포밍에 대한 첫 번째 학회를 조직했다. 테라포밍의 대상이 금성에서 화성으로 바뀐 이후 테라포밍에 대한 다양한 의견이 제기되다가, 1982년에 NASA의 연구원이던 '크리스토퍼 맥케이(Christopher Mckay)' 박사에 의해 '화성 테라포밍(Terraforming Mars)'라는 저서가 출간되었다. 이 저서는 화성의 테라포밍 방법을 단계별로 상세히 설명했고, 현재에도 화성 테라포밍을 논의할 때 교과서처럼 활용되기도 하는 책이다. 이후에도 과학자들은 테라포밍에 대한 연구를 지속하였고, 최근에는 기술이 급성장함에 따라 테라포밍은 공상 속의 기술이 아니라 현실화될 조짐이 보이기 시작했다.
2. 화성 유인 탐사
'화성 유인 탐사'는 '달 유인 탐사'와 비교가 안될 정도로 어려운 프로젝트이다. 달은 3일이면 갈 수 있지만, 화성에 가려면 6개월~1년을 쉬지 않고 날아가야 한다. 2009년에 NASA의 과학자들은 화성 탐사 계획의 대략적인 윤곽을 발표했다. 우주인들은 우주선 안에서 6개월 이상을 보낸 뒤, 화성에 도착하여 18개월 동안 임무를 수행하고, 다시 6개월 동안 우주선을 타고 지구로 귀환하게 된다. 화성에 정착한 사람들은 초기엔 지구로부터 보급품을 공급받아야 할 것이다. 하지만 시간이 지남에 따라 화성에 정착하는 사람이 많아지면 기초적인 자급자족 시스템을 만들어야 한다.
화성에 싣고 갈 음식과 물의 양을 줄이기 위해서 승무원들은 자신의 배설물을 정화하여 여행 중인 우주선 안에서 식물을 재배하기로 했다. 그러나 아무리 절약한다 해도 공기와 토양, 물 등 화성에 없는 것은 우주선에 싣고 가는 수밖에 없다. 화성에는 산소가 없고 액체 상태의 물도 없으며 동물과 식물도 없다. 게다가 화성의 대기는 대부분 이산화탄소이며, 대기압이 지구의 100분의 1밖에 안된다. 이런 곳에 착륙했다가 우주복이 조금이라도 찢어지면, 기압이 급감하면서 단 몇 초 안에 사망할 것이다.
3. 화성에 거주하기
3-1. 에너지 생산
화성에 거주하기 위해 가장 중요한 일 중에 하나는 에너지를 생산하는 일일 것이다. 화성의 대기는 지구에 비해 그 양이 매우 부족하기 때문에 풍력 발전은 현실적이지 못하다. 화성에 정착한 사람들은 태양광 발전소를 지어서 에너지를 생산하게 될 것이다. 하지만 화성에 도달한 태양 에너지는 지구에 도달하는 양의 40%에 불과하기 때문에 태양광 발전이 만족스럽지 못할 수도 있다. 게다가 종종 수 일 동안 먼지 때문에 햇빛이 완전히 차단되는 경우가 생길 수도 있다.
그러면 원자력 발전은 어떨까? 어쩌면 초기에 필요한 에너지는 원자력 발전에 의지해야 할 수도 있다. 그러나 원자력 발전을 위한 원자로는 지구에서 보내줘야 하고 핵연료는 화성에서 쉽게 구할 수 없다는 한계점이 있다.
3-2. 물 문제, 식량 문제
화성까지 물을 가지고 가기엔 너무 무겁기 때문에 우리는 물을 공급받을 곳도 찾아내야 한다. 다행히도 화성의 많은 '크레이터'들은 얇은 얼음층을 가지고 있다. '크레이터(Craters)'란 천체 표면에 충돌하여 만들어진 접시 모양으로 움푹 파인 구덩이를 말한다. 이곳에 거주지를 만들어 물 문제를 해결할 수 있을 것이다. 극지방에 있는 얼음층 주변에 기지를 지어서 물 문제를 해결할 수도 있다.
식량 문제도 해결해야 한다. 식량의 일부분은 '수경재배(생장에 필요한 양분을 녹인 배양액만으로 식물을 기르는 일)'로 얻을 수 있지만 대부분은 건조된 상태의 식량을 지구로부터 조달 받아야 할 것이다.
3-3. 거주지
건물을 만들기 위한 재료는 화성에 있는 산화철에서 철과 강철을 추출하여 얻을 수 있다. NASA가 밝혀낸 바에 따르면 화성의 토양은 대체로 벽돌을 만들기에 적합한 것으로 밝혀졌다. 또한 화성의 대기압은 지구의 0.6%밖에 되지 않고 화성의 흙과 먼지에는 '과염소산염(금속 원소에 과염소산기가 결합된 염)'이 가득하다. '과염소산염'은 갑상선암 등 각종 암을 유발하는 독성물질이다. 때문에 실내 공간은 '에어락(Air Lock)'을 통해 완벽하게 밀폐된 공기 주입식 공간이 되어야 할 것이다. 이러한 밀폐된 공간에서 생활하는 것은 커다란 정신적 고통을 가져올 수도 있다.
3-4. 방사선 문제
화성에는 '태양풍(Solar Wind)'을 비롯한 우주에서 들어오는 '방사선(radioactive ray)'을 막을 자기장이 거의 없다. 화성의 지표면에 도달하는 방사선은 지구에서의 50배에 달한다. 방사선에 지속적으로 노출되면 DNA가 파괴되어 죽을 수도 있다. 이런 방사선을 피하기 위해서는 실내에서 생활해야만 한다. 하지만 실내 공간에 들어가 있다고 하여도 방사선의 양을 획기적으로 줄일 수 는 없을 것이다. 더 안전한 공간을 만들기 위해서는 드라이아이스와 흙으로 건물을 덮는 형태의 거주지가 좋을 것이다. 흙이나 암석은 방사선을 막는 훌륭한 수단이다. 완전히 지하에 벙커를 짓거나 동굴이나 용암굴에 거주지를 만드는 것도 좋은 방법이 될 수 있을 것이다.
4. 화성 테라포밍하기
4-1. 화성 데우기
기본적인 거주 가능한 조건을 갖추고 나면 아주 어려운 과제가 남아있다. 평균 온도 섭씨 영하 60도에 달하는 화성을 따뜻하게 데워야 한다. 사람이 화성에서 영구 거주하기 위해서는 어떻게 해서든 화성의 기온을 높이는데 성공해야 한다.
- 온실 기체 살포하기: 기온을 높이는 일은 대기 중에 '메탄(CH4)'이나 수증기, 프레온 가스, '육불화황(SF6)' 같은 온실기체를 살포하여 기온을 높일 수 있다. 토성의 위성인 '타이탄(titan)'에서 다량의 '메탄(Methane)'을 추출하여 화성으로 가져오는 방법도 있다. '메탄'의 온실효과는 '이산화탄소'의 무려 20배에 달한다. 과학자들은 2009년에 화성의 표면에서 방출되는 메탄가스를 발견했는데, 그 원천은 아직 잘 모른다. 지구에서 메탄은 주로 생명체가 부패할 때 발생한다. 화성에 생명체가 없다면, 지질학적 과정에서 메탄이 생기는 것으로 추정된다. 온실가스는 화성에 도달하는 태양열을 잡아둘 것이고 어느 정도 온도가 높아지면 극지방에서 얼음이 녹기 시작할 것이다. 땅속과 극지 얼음에 있는 이산화탄소는 대기에 배출될 것이고 온난화는 가속화될 것이다.
- 화성 우주 거울 프로젝트: 화성 궤도에 인공위성을 띄워서 햇빛을 화성의 얼음층에 집중시키는 방법으로 녹일 수도 있다. '화성 우주 거울 프로젝트'는 '우주 거울로 태양빛을 반사시켜 화성의 한 지점의 온도를 급상승 시키는 프로젝트'이다. 몇 개의 위성으로 화성의 온도를 크게 높일 수는 없겠지만, 기온이 영상으로만 올라가면 그다음 과정은 자동으로 진행되기 때문에 시도해 볼 만하다. 또 이렇게 되면 화성에서의 우주비행사들의 작업이 수월해질 뿐만 아니라, 지표면의 얼음이 녹아 식수와 우주선 연료로 활용할 수 있을 것이다.
- 극지방에 수소폭탄 떨어뜨리기: 화성에 인간을 보내겠다고 공언한 '일론 머스크(Elon Musk, 1971~)'는 화성의 극지방에 수소폭탄을 떨어뜨려서 극지방 얼음 속에 갇힌 이산화탄소를 빠르게 방출시키자는 제안도 한 적이 있다. 하지만 이 방법은 비용이 적게 들고 현재의 기술로도 실현이 가능하지만, 부작용을 예측하기 힘들기 때문에 과학자들은 회의적 반응을 보이고 있는 편이다.
- 핵융합을 일으켜서 극지방의 얼음 녹이기: '핵융합(Nuclear fusion)'을 일으켜서 극지방의 얼음을 녹이자는 의견도 있다. 핵융합발전소의 기본 연료는 물인데, 화성에는 얼어붙은 물이 지천으로 깔려 있으므로 이 방법도 생각해 볼 만하다.
- 화성 근처를 지나가는 혜성이나 소행성을 활용하기: 화성 근처를 지나가는 혜성이나 소행성을 활용하는 방법도 고려해 볼 수 있다. 혜성의 대부분은 얼음덩어리이고 소행성에는 온실가스 중 하나인 암모니아가 다량 함유되어 있다. 이들이 화성 근처를 지나갈 때 혜성에 접근할 수만 있다면 로켓 엔진으로 살짝 밀거나, 무거운 물체를 던지거나, 우주선의 자체 중력으로 잡아끌어서 혜성의 경로를 바꿀 수 있다. 경로를 조금 바꿔주어 화성의 대기로 진입시킨다면, 대기의 마찰열에 의해 산산이 분해되면서 수증기와 암모니아를 대기에 방출할 것이다. 암모니아는 질소를 포함하고 있어서 식물을 키워 화성의 대기를 지구와 유사하게 만드는데 이용할 수도 있을 것이다. 그러나 원화는 궤적에서 벗어나 인류가 건설한 식민지로 떨어진다면 심각한 피해를 입을 수도 있다. 혜성을 유도하기가 여의치 않으면 얼음으로 덮여 있는 목성의 위성이나 '케레스(Ceres)'처럼 얼음을 함유한 소행성을 화성으로 유도할 수도 있다. 다만 이들은 소행성대에서 안정적인 궤도를 돌고 있기 때문에, 방향을 바꾸기가 쉽지 않다.
어떠한 방법을 쓰든 간에 대기의 온도가 '티핑포인트(Tipping Point)'에 도달할 때까지 화성을 데우는 작업을 계속해야 한다. '티핑 포인트'란 작은 변화들이 어느 정도 기간을 두고 쌓여, 이제 작은 변화가 하나만 더 일어나도 갑자기 큰 영향을 초래할 수 있는 상태가 된 단계를 의미한다. 티핑 포인트에 도달하면 일종의 '피드백(Feedback)'을 형성하여 자동으로 진행될 것이다. 얼음층에서 이산화탄소가 발생하면 온도가 높아지고, 높은 온도는 또다시 이산화탄소의 생성을 촉진할 것이다.
4-2. 조류가 살 수 있는 환경이 된다.
'티핑포인트'에 도달하면 얼음이 녹으면서 사막에 흡수된 이산화탄소까지 함께 방출되어 온난화가 더욱 빠르게 진행될 것이다. 이 과정이 반복되면 대기압도 높아질 것으로 생각된다. 화성의 기온을 높이는데 성공하면 지하에 숨어 있던 물이 흐르기 시작하면서 미생물들이 살 수 있는 환경이 조성될 것이다.
'칼 세이건(Carl Sagan)'은 혹한의 환경에서도 살아남을 수 있도록 한 유전자 조작 미생물을 화성 극지방에 보내 번성시키자고 제안하였다. 어두운색을 띠는 해당 미생물이 서식지를 넓혀간다면 화성 지표면이 흡수하는 태양열이 많아져 극지방의 얼음이 녹게 될 것이라고 하였다. 지구의 남극지방에서 서식하는 특정 형태의 '조류(Algae)'를 화성에 옮겨놓으면 지구 못지않게 번성할 것이다. 이들이 좋아하는 이산화탄소가 화성 대기의 95%를 차지하고 있기 때문이다. 화성에서 빠르게 성장하도록 조류의 유전자를 수정할 수도 있다. 조류의 번식에 성공하면, 화성의 환경은 여러 면에서 생명체에게 유리한 쪽으로 달라질 것이다. 조류의 번식이 끼치는 영향을 중요한 항목을 정리해 보면 다음과 같다.
- 조류는 화성의 대기를 산소로 바꾸고 대기 속의 질소를 흙 속에 안정시킨다.
- 조류는 화성의 표면 색깔을 어둡게 하여, 태양열의 흡수를 촉진한다.
- 조류는 외부에서 별도의 영양분을 공급하지 않아도 스스로 자라기 때문에 큰돈을 들이지 않아도 화성의 환경을 바꿀 수 있따.
- 조류는 식량으로도 사용될 수 있다.
- 그뿐만 아니라 조류는 토양과 양분을 생성한다.
4-3. 식물 키우기
이런 과정을 거치고 나면 거주민들은 농사를 지을 수 있다. 식물은 이산화탄소를 좋아하므로 처음으로 야외에서 작물을 경작할 수 있고, 작물의 잔해는 토양의 표면층을 조성하는 데 사용될 것이다. 작물이 많을수록 토양이 풍성해져서 더 다양한 작물을 재배할 수 있다. 다행히도 화성의 토양에는 마그네슘과 나트륨, 칼륨, 염소 등의 식물에게 필요한 영양소가 다량 함유되어 있다. 식물이 자라기 시작하면 대기에 산소가 공급되기 시작하면서 인류가 호흡할 수 있는 대기가 만들어질 것이다.
산소를 공급하는 방법 중에는 기계를 이용하는 방법도 있다. MIT 공대의 과학자인 '마이클 헥트(Michael Hecht)'는 '목시(Moxie: Mars Oxygen ISRU Experiment)'라는 산소 발생기를 만들었다. 이 기계는 역 연료전지를 이용해서 이산화탄소는 빨아들이고 산소를 배출할 수 있다.
5. 테라포밍은 계속 유지될 것인가?
화성 테라포밍에 성공했다고 가정해 보자. 그러면 이제 마음 놓고 안락한 삶을 영위하는 일만 남았을까? 아니다. 외부의 간섭에 의해 강제로 변한 화성은 원래의 모습으로 되돌아가려고 할 것이다. 그러면 이 현상을 어떻게 막을 수 있을까?
5-1. 화성이 불모의 행성이 된 이유
그전에 이 질문에 대한 답부터 해보자. 화성은 왜 불모의 행성이 됐을까? 문제의 핵심은 행성의 '크기'이다. 화성은 태양으로부터 지구보다 멀리 떨어져 있을 뿐만 아니라, 덩치도 작기 때문에 지구보다 빠르게 식었다. 화성의 중심부는 더 이상 액체 상태가 아니다. 지구에 자기장이 존재하는 이유는 중심부의 액체금속이 움직이면서 전류를 생성하기 때문이데, 화성 중심부의 대부분은 단단한 바위로 이루어져 있어서 지구처럼 강한 자기장이 형성될 수 없었다. 게다가 30억 년쯤 전에 소행성의 집중포화를 받으면서, 초기에 형성되었던 자기장마저 거의 사라졌다. 화성에 대기가 희박하고 물이 존재하지 않는 이유가 이 때문이다. 자기장이 없어서 '태양플레어(Solar Flare)'와 '태양풍(Solar Wind)'에 고스란히 노출되어 대기가 우주공간으로 서서히 날아갔고, 대기압이 낮아지면서 바닷물이 낮은 온도에서 끓기 시작하여 모두 증발한 것이다.
약한 자기장 외에 화성의 대기 유실을 가속화시킨 공범은 또 있다. 화성에 바다가 존재하던 시절, 이산화탄소의 대부분은 바다에 녹아들어 있다가 탄소화합물이 되어 해저에 가라앉았을 것이다. 지구의 경우에는 지각운동이 대륙을 순환시켜서 이산화탄소가 다시 해수면 위로 떠오를 수 있었다. 하지만 화성은 행성 전체가 단단한 고체 상태여서 지각운동이 일어나지 않았기 때문에, 이산화탄소가 해저면을 탈출할 기회가 없었다. 그 결과, 대기 중 이산화탄소 함유량이 점차 감소하면서 온실효과가 역으로 진행되어 꽁꽁 얼어붙은 행성이 되었다.
5-2. 테라포밍 유지하기
다시 원래의 질문으로 돌아와서, 화성의 테파포밍한 후 원상태로 되돌아가려는 복원력을 어떻게 막을 수 있을까? 한 가지 방법은 화성에 인공적으로 자기장을 만드는 것이다. 화성의 적도를 따라 거대한 초전도 코일을 두르면 된다. 전자기학의 법칙을 이용하면 초전도띠에 필요한 에너지와 물질의 양을 계산할 수 있다. 그러나 이것은 아쉽게도 지금의 기술로는 실현 불가능하다.
사실 화성 거주민에게 '태양풍'이나 '태양플레어'에서 발생한 복사는 당장 해결해야 하는 문제는 아니다. 테라포밍에 성공하면 화성의 대기가 거의 100년 동안 안정한 상태를 유지할 것이므로, 수백 년에 걸쳐 천천히 해결해도 된다. 거대한 초전도띠를 만들고 관리하는 것은 결코 만만한 과제는 아니다. 하지만 우주에서 살아가기 위해 치르는 대가치곤 엄청나게 싼 편이라고 생각된다.
유전자를 조작해 버리거나 '사이보그(cyborg)'로 개조하는 것도 방법이 될 수 있을 것이다.
6. 화성을 식민지로 만듦으로써 얻는 '경제적 이득'은 있는가?
화성을 식민지화한다고 해도 당장 경제적 이득을 보기는 어렵다. 1492년에 '콜럼버스(Columbus, 1451~1506)'가 신대륙을 발견한 이후 이곳에 진출한 스페인 정복자들은 아메리카 원주민들로부터 금을 약탈하고 값진 광물과 작물을 닥치는 대로 수집하여 본국으로 보냈다. 본토에서 원정대를 조직하여 신대륙에 파견하려면 상당한 돈이 들었지만, 나중에 되돌아올 보상을 생각하면 투자가치가 충분한 사업이었다.
하지만 화성을 개척하는 것은 완전히 다른 이야기다. 그곳에는 공기도 물도 비옥한 토양도 없다. 따라서 엄청난 비용을 들여가면서 모든 물자를 로켓으로 운반하는 수밖에 없다. 따라서 화성을 식민지화시키면 그곳으로 이주한 사람들에게 도움은 되겠지만, 당장 지구에 돌아오는 이득은 거의 없다. '소행성 벨트(Asteroid Belt)'에서 채취한 천연자원도 지구로 보내는 것보다는 화성의 식민지 건설에 사용하는 것이 경제적으로 더 이득이다.
NASA는 2033년까지 우주인을 화성에 보내겠다는 야심찬 계획을 발표했다. 스페이스X 창립자인 '일론 머스크(Elon Musk)'는 이보다 앞선 2024년에 화성에 사람을 보낼 계획이라고 했다. 스페이스X는 100년 안에 약 100만 명의 지구인을 화성에 보낼 계획도 가지고 있다고 한다. 이제 인류가 화성에 발을 내딛는 것은 더 이상 꿈이 아닌 현실이다. 머지않아 용감한 선구자들은 인류에게 새로운 시대를 선사할 것이다.
