0. 목차
- 화물 운반의 난제
- 로켓의 추진 시스템
- 호만 전이 궤도
- 우주선 내부의 생활
- 화성으로의 진입
- 화성의 기후
- 화성에서의 조사 작업
- 연료 조달
- 방사선 문제, 무중력 문제
- 지구상에서 이루어지고 있는 '유인 우주 탐사 훈련'과 '로봇의 실증 실험'
1. 화물 운반의 난제
화성에 갈 때는 편도 6개월 정도가 걸리며, 곧바로 지구로 다시 귀환할 수 있는 것도 아니다. 이렇게 장기간에 걸친 우주 여행을 하기 위해서는 물이나 식료품, 산소뿐만 아니라 화성에서 사용할 기지, 화성에 이착륙하기 위한 로켓, 귀환용 우주선 등도 필요하다. 아마 이 화물의 운반이 화성 유인 비행에서 가장 큰 난제일 것이다. NASA의 탐사 시스템 부서 담당 부국장보였던 '더 글러스 쿡'에 의하면, 그 무게의 합은 470톤이나 될 것이라고 한다. 우선 지구 표면에서 상공 수백 km에 위치해 있는 지구 저궤도로 화물을 올려보내야 한다. 과거 미국은 달에 인간을 보내기 위해, 아폴로 계획으로 총 250억 달러를 투자했었다고 한다. 아폴로 계획에서 사용된 것은 로켓 '새턴 V (Saturn V)'이다. '새턴 V'는 지구의 저궤도로 104톤의 화물을 운반할 수 있었다.
하지만 이처럼 막대한 자금을 투입해서 다른 용도가 없는 듯한 지나치게 큰 거대한 로켓을 만드는 시대는 지났다고 한다. 가장 현실적인 것은 현재 존재하는 로켓을 어떻게 사용해야 최대 효율적인지 검토하는 일이라고 한다. NASA는 현재, 우주 왕복선의 부품을 활용할 수 있는지, 우주 왕복선의 부품과 다른 로켓의 부품을 조합할 수 있는지 등 제로 상태에서 출발하지 않아도 되는 좋은 방법을 검토하고 있다.
2. 로켓의 추진 시스템
거대한 로켓을 만들 수는 없기 대문에, 470톤의 화물은 여러 번에 나누어 운반된다. 그리고 지구 저궤도에서 조립한 뒤 화성으로 보내는데, 이때는 많은 양의 화물을 화성까지 운반하는 우주선의 엔진이 문제이다.
현재 사용되는 로켓은 일부를 제외하고는 대부분이 '화학 로켓'이다. 이것은 연료와 산화제를 연소시킨 가스를 분출함으로써 추진하는 로켓이다. 화학 로켓은 추진력은 크지만, 열로 에너지가 달아나므로 그만큼 연비가 낮아지므로, 많은 양의 연료가 필요하게 된다. 현재의 기술로는 연비가 낮기 때문에, 엄청난 양의 연료가 필요하게 되어 임무를 실현할 수 없게 된다. 그래서 화성에 가기 위해서는 높은 엔진이 필요해진다.
이를 위해 전기적인 추진 시스템도 고려되고 있다. 전기적인 추진 시스템이란 태양 전지나 원자로를 사용해 발전한 전기 에너지를 이용해 추진하는 방법이다. 이 방법을 사용하면 에너지가 열로 달아나지 않으므로, 그만큼 연비나 높아진다. 그러면 연료를 대폭 감량할 수 있기 때문에 화물의 양이 절반 수준으로 줄어들 것이다.
3. 호만 전이 궤도
우주선이 지구 궤도를 떠나 화성으로 향할 때, 지나가는 궤도에 따라 필요한 연료의 양은 크게 달라진다. 화성에 갈 때는 연료가 가장 적게 드는 궤도를 선택해야만 한다. 화학 로켓으로 지구에서 화성으로 가는 경우, '호만 전이 궤도'이라는 궤도를 이용하면 연료가 가장 적게 든다. '호만 전이 궤도(Hohmann transfer orbit)'란 2개의 서로 다른 동심원 궤도 사이를 최소의 에너지로 이동할 때의 궤도를 말한다. 지구와 화성은 2년 2개월마다 접근하는데, 호만 전이 궤도를 지나는 발사 타이밍도 2년 2개월 간격으로 돌아온다. 이때 화성에 도착할 때까지의 비행 거리는 4억 km 이상이 되며, 화성에 도착할 때까지 약 6개월이 걸린다.
4. 우주선 내부의 생활
화성 여행에서 우주 비행사는 6개월 이상 되는 오랜 기간 동안 우주선에서 생활해야 한다. 이 동안에 우주 비행사들의 생명을 유지시키는 일은 매우 중요하다.
4-1. 우주 비행사의 생활
우주선 안에서는 무중력 용의 화장실 등이 필요한데, 샤워나 변기, 운동 기구 등은 이미 '국제 우주 정거장(ISS: International Space Station)'에서 사용되는 것들이 있다. 하지만 화물이 무거울수록 그만큼 연료가 많이 들기 때문에, 재료의 개량 등을 통해 경량화할 필요가 있을 것이다.
- 수면: 무중력 상태에서는 어떤 곳이나 어떤 자세로도 잠잘 수 있다. 다만 자고 있는 동안 공간 속을 계속 떠다니게 되므로, 침낭을 고정시킨다.
- 운동: 무중력 환경에서는 서서히 근육의 힘이나 뼈가 열화하므로, 용수철 등을 사용한 기기로 운동을 할 필요가 있다.
- 식사: 장기간의 미션에서는 식사가 중요한 요소이다. 그래서 우주 비행사의 사기를 높이는 메뉴 등이 검토되고 있다.
- 대소변: 우주에서 사용되는 화장실은 진공 청소기처럼 공기와 함께 대소변을 흡입하는 구조로 되어 있다.
- 식물 재배: 식물을 재배하는 데 필요한 물은 무중력 환경에서 물방울로 떠돌아다니기 때문에, 어떤 방법으로든 고정시켜야 한다.
4-2. 폐쇄 생태계 생명 유지 시스템
인간이 호흡을 하면 이산화탄소가 나오는데, NASA에 따르면 한 사람이 배출하는 이산화탄소의 양은 하루에 약 1kg이라고 한다. 이산화탄소는 공기 중에서 5%를 넘으면 숨이 차거나 두통이 일어나고, 10%를 넘으면 호흡 곤란이나 현기증, 구역질이 일어나고, 25%를 넘으면 경련을 일으키며 혼수상태에 빠지게 된다. 그래서 우주선 안에 있는 공기에서 이산화탄소를 제거해야만 한다. 현재의 우주 왕복선에는 이산화탄소와 결합력이 강한 '수산화리튬(LiOH)'이라는 물질을 사용한 장치로 공기 중의 이산화탄소를 제거하고 있다. 하지만 이 방법을 사용하면 화물의 양이 늘어나게 된다.
또 인간은 땀이나 소변으로 하루에 약 3.3kg의 물을 배출하고, 대변 등으로 약 200g의 고체 배설물을 배출한다. 지금까지 우주 왕복선에서는 우주선 밖으로 배출하고, 대변 등의 고체 쓰레기는 지구로 가져왔다. 하지만 앞서 말했듯이 한정된 연료로 화성까지 임무에서는 가능한 화물의 양을 줄여야 한다. 그래서 고려되는 것이 '폐쇄 생태계 생명 유지 시스템(closed ecological life support system)'이다.
'폐쇄 생태계 생명 유지 시스템'은 식물을 이용해 물질을 재순환시키는 방법이다. 이 방법에서는 식물이 이산화탄소를 흡입해 산소를 배출하고, 인간의 배설물은 식물의 영양분이 되고, 다 자란 식물은 식품이 된다. NASA에서도 이 방법을 검토하고 있다.
5. 화성으로의 진입
약 6개월이 지나면, 화성에 도착한다. 지구에서 화성까지 행성 사이를 비행해 온 우주선은 매우 고속이므로, 아무 조치도 취하지 않으면 화성을 그대로 지나쳐 어딘가로 날아가 버린다. 그래서 화성을 도는 선회 궤도에 들어가거나, 화성 표면에 착륙하기 위해서는 우주선을 감속해야 한다.
5-1. 화성의 대기를 이용해 역분사 없이 감속할 수 있다.
그러면 어떻게 우주선을 감속시킬 수 있을까? 먼저 아폴로 우주선처럼 '역분사(retrofiring)'해 감속하는 방법이 있다. 하지만 이 방법의 경우 많은 연료가 필요하므로, 달에는 없지만 화성에는 존재하는 대기를 이용하는 방법이 고려된다. 화성에 직접 돌입해, 대기와의 마찰을 이용해 감속하는 것이다. 대기를 사용해 감속할 때나 착륙할 때는 대기와의 마찰로 고온이 되므로, 내열 타일 등을 사용해 열을 차단하는 방법이 필요해진다.
화성의 대기를 이용해 감속하는 방법에는 '화성 선회 궤도'에 들어가는 '에어로캡쳐(aerocapture: 공기 포획)'와, 선회 궤도에 들어가지 않고 그대로 착륙하는 '직접 대기 돌입'이 있다. 지금까지 보낸 화성 탐사선 중에는 1996년에 발사된 '마스 패스파인더(Mars Pathfinder)'가 '직접 대기 돌입' 방법을 선택했다.
5-2. 연착륙하기
이들 방법을 사용한 경우에도, 연착륙을 하기 위해서는 지표 가까이에서 엔진을 분사한다. 하지만 화성의 선회 궤도나 선회 궤도에서 벗어나 하강하기 위해 엔진을 사용하지 않으면, 그만큼 연료가 절약되므로, 화성 유인 비행에서도 대기를 사용해 감속하는 방법이 검토된다.
최종적으로 사용할 추진 시스템에 따라 대기를 이용해 감속할지가 결정된다고 한다. '화학 로켓' 등을 사용할 경우, 아마 연료 절약을 위해 대기을 이용해 감속될 것으로 보인다. 하지만 '전기 추진 시스템'을 사용할 경우, 연비가 아주 높으므로 엔진을 이용해 감속하게 될 것으로 생각된다.
5-3. 착륙 지점 선택하기
우주선이 화성 표면에 착륙할 때, 어디에 착륙하느냐는 중요한 문제이다. 왜냐면 화성에는 지구처럼 안전하게 착륙할 수 있는 활주로가 없기 때문이다.
안전하게 착륙하기 위해서는 급한 경사면이나 절벽, 암석이나 먼지가 흩어져 있는 곳, 기복이 심한 지점 등을 피해 평탄한 지형을 선택해야 한다. 또 감속을 충분히 하기 위해서는 표고가 낮은 지점이여야 하며, 태양 전지를 사용할 경우에는 충분히 발전이 이루어지도록 저위도 지역을 골라야 한다. 화성에서 이들 조건을 만족시키는 곳은 북반구에 많다. 화성은 북반구가 남반구보다 고도가 낮고, 대규모의 '화구(Crater)'도 적다. 이제까지 화성에 내려선 탐사선은 모두 북반구 또는 남반구의 저위도 지점에 착륙했다.
화성 유인 비행의 착륙 장소로는 '메리디아니 평원(Meridiani Planum)'이 유력한 후보로 검토되고 있다. 다만 확정된 것은 아니며, 새로운 정보를 얻게 되면 착륙 지점이 완전히 바뀔 수도 있다.
6. 화성의 기후
6-1. 화성의 하늘
화성에 내려선 우주 비행사들은 분홍색 하늘에 빛나는 푸른 저녁 노을을 보게 될 것이다. 화성의 하늘이 불그스름한 이유는, 대기 중에 포함된 산화 철 자체가 붉은색을 띠고, 먼지가 태양광에 포함된 붉은색 파장을 잘 산란시키기 때문이다.
또 저녁노을이나 아침노을이 푸른 이유는 화성의 대기압이 지구의 약 100분의 1 밖에 안되기 때문이다. 화성의 대기는 기체 분자가 적으므로, 보통 때는 햇빛이 별로 산란하지 않는다. 하지만 아침이나 저녁이 되면, 햇빛이 비스듬한 각도로 들어오는 만큼 대기 속을 길게 나아간다. 그래서 태양광에 포함된 푸른색 빛의 대기에 의해 충분히 산란되어, 지구의 낮 하늘처럼 푸르게 보인다.
6-2. 가혹한 환경
하지만 이 환상적인 풍경과는 반대로 화성은 인간이 생존하기에 가혹한 환경이다. NASA의 생물학·물리학 연구 부서에 따르면, 화성의 기온은 가장 높을 때 13℃, 가장 낮을 때 -110℃ 정도이며, 연평균 기온은 -110℃ 정도로, 연평균 기온은 -55℃ 정도라고 한다. 하지만 대기가 없고, 양지에서는 130℃까지 올라가며 그늘에서는 -170℃까지 내려가는 달보다는 가혹하지 않다. 따라서 난방 시설이 되어 있는 훌륭한 주거 시설과 우주복이 있으면, 화성에서도 쾌적한 생활을 할 수 있을 정도일 것이다.
6-3. 화성의 모래 폭풍
화성에서는 곳곳에서 모래 폭풍이 자주 일어나므로, 모래 폭풍으로부터 몸을 지켜줄 우주복과 기지가 필요하다. 화성의 모래 폭풍은 초속 100m 이상 되는 경우가 있는데, 이는 지구에서 일어나는 '태풍(Typoon)'이나 '허리케인(Hurricane)'의 최대 풍속에 해당한다. 하지만 대기가 희박하기 때문에, 바람에 의해 받는 힘 자체는 그다지 문제가 되지 않을 것이다. 그래서 매우 빠른 바람이라고 해도 기분 좋게 느껴질 수준일 것이다.
정말 위험한 것은 바람이 운반하는 모래이다. 화성의 모래알에는 인간에게 해로운 화학물질이나 중금속이 포함되어 있을 가능성이 있다. 또 화성 전체가 모래 폭풍에 뒤덮이는 경우, 대기의 광투과율이 나빠져 시야가 나빠진다. 그래서 사용하는 기기에 문제가 생기지 않도록 여러 가지 준비가 필요하다. 예컨대 대규모의 폭풍 속에서도 전력을 충분히 확보하기 위해, 태양 전지판의 크기를 키울 필요가 있다. 또 모래는 기기의 고장의 원인이 될 수도 있으며, 창유리를 덮어버릴 우려가 있다. 그래서 공기가 들어오는 부분에 필터를 설치하거나, 우주복을 세탁하기 위한 세차기 같은 기계를 사용하거나, 태양 전지판 등의 모래를 제거하는 '와이퍼(Wiper)' 등의 사용이 고려되고 있다.
7. 화성에서의 조사 작업
7-1. 초반 조사
화성은 '지구 이외의 천체해도 생명이 존재하는지', '생명은 어떠한 환경에서 탄생하고 생존할 수 있는지'에 대한 물음에 답을 제공해 줄 수 있는 가능성이 있는 행성이다. 생명에 관한 문제 외에도, '기후 변동', '행성의 진화' 등 과학적인 면에서도 화성은 크게 주목받고 있다. 우주 비행사들은 이런 물음에 답을 찾기 위해 조사 활동을 벌일 것이다.
우선 초기에는 우주 탐사 기기를 설치하거나 암석을 수집한다. 화성에서의 조사 활동은, 남극에서의 활동이 참고가 된다. 남극에서는 계속 바깥에서 머물 수 없으므로, 관측 기기를 설치하면 사람은 기지로 돌아온다. 화성의 환경은 남극보다도 가혹하므로, 같은 방식으로 활동할 것이다. 아마 최초의 10년간은 생명이나 과거 환경을 살펴보는 단서가 남은 암석을 수집하게 될 것이다.
7-2. 장기 조사
장기 체재가 가능해지면, 활동이 폭이 넓어진다. 생물학적인 조사라는 관점에서는 화성에 존재하는 생명 탐사뿐 아니라 지구에서 가지고 간 세균이 화성의 가혹한 환경에서 어떻게 적응해 나가는지도 관찰할 수 있을 것이다. 이들의 활동은 의미가 깊지만, 인간이 화성이 가는 것 자체가 더 중요하다. 과학적인 조사라는 점에서 많은 일은 로봇으로도 가능하겠지만, 그래도 인간이 가는 것 자체가 과학적인 대실험이라고 할 수 있겠다.
8. 연료 조달
화성 유인 비행에서는 화물을 최대한 줄이는 것이 중요하다. 그래서 연료를 화성에서 조달하려는 아이디어가 나오고 있다. 화성에 있는 물질을 사용해 로켓의 연료를 만들 수 있는 가능성에는, '화성의 대기에서 메탄과 산소를 메탄을 얻을 가능성'과 '물을 얻을 수 있는 경우 물에서 수소와 산소를 얻을 가능성'이 있다.
화성의 자원을 사용해 연료를 조달하는 경우에는, 연료를 만드는 공장 설비를 먼저 화성에 보내고, 연료가 만들어진 뒤 사람을 태운 우주선을 보내게 된다.
9. 방사선 문제, 무중력 문제
지구에서는 지구의 자기장이 우주에서 내리쏟아지는 방사선을 막아주지만, 우주 공간은 방사선에 노출되어 있다. 인체가 방사선에 장기간 노출되면 암 등에 걸릴 가능성이 높아진다. 또 장기간 무중력에 노출되어 있으면, 근력이 줄어들고 칼슘이 빠져나가 뼈가 약해진다. 이 두 문제르 해결해야 하지만, 생각처럼 간단한 일이 아니다. 방사선 문제의 해결은 시간이 걸릴 것으로 생각된다. 그리고 중력이 작은 환경에서 인체의 기능 저하를 막는 방법도 '우주 정거장'에서 발견해야 한다. 현재는 이들 문제를 직접 해결하기는 어렵고, 화성까지 왕복하는 데 걸리는 시간을 최대한 줄이는 방법이 거론되고 있다. 그러기 위해서는 '원자력 열추진 엔진'이나 '원자력 전기 추진 엔진' 같은 새로운 엔진이 필요하다.
10. 지구상에서 이루어지고 있는 '유인 우주 탐사 훈련'과 '로봇의 실증 실험'
여기에서는 다른 천체에 도달하기 위해 지구상에서 이루어지고 있는 '유인 우주 탐사 훈련'이나 '로봇의 실증 실험' 등을 소개한다.
NASA는 미국 애리조나 주의 사막을 무대로 달이나 화성 등을 가정한 2주일 정도의 필드 시험을 1년에 한 번씩 하고 있다. 'Deset-RAT'라 불리는 시험에서는, 유인 우주 탐사에 꼭 필요한 탈것이나 로봇, 우주의 거주 설비 등의 시험이 실시된다. 그리고 그 조작 방법에 대한 훈련 등도 이루어진다.
10-1. 여압 로버
아래의 사진은 '로버'의 시제품이다. 무게는 3000kg, 차의 길이는 4.5m로, 이 로버의 내부에서는 기압과 기온이 지구와 비슷한 수치로 유지되기 때문에 우주복을 입을 필요가 없다.
이 로버에는 충전할 수 있는 전지가 장착되어, 시속 10km 정도로 달릴 수 있다. 1회 충전으로 200km를 달릴 수 있어, 2주일 정도 걸려 넓은 지역을 탐사할 수 있다. 이와 같은 대형차를 실제로 우주에서 충전하려면 태양광 등을 이용한 발전소도 필요하다고 생각된다. 아래의 사진에서는 사람이 밖으로 나와 암석을 채취하는 등의 선외 활동을 가정한 훈련을 하고 있다.
10-2. 조립식 거주 시설
우주에서 오랜 기간 머물려면 거주 설비가 반드시 필요하다. 아래의 사진은 NASA가 개발 중인, 화성과 달의 거주 설비 'HDU-DSH'이다. 시설의 가운데 위는 공기를 넣어서 부풀리도록 되어 있다. 부푼 부분은 침대 등을 놓는 거주 공간이고, 1층 부분은 암석 분석과 로봇의 원격 조작을 하는 공간이다. 가운데 부분의 지름은 5m 정도이다. 사진의 오른쪽에 보이는 'HYGIENE MODULE'이라고 적힌 모듈 안에는 세면대나 화장실 등이 있다. 거주 설비 같은 큰 설비는 그대로는 너무 커서 우주로 발사할 수 없기 때문에 몇 개의 모듈로 분리되도록 설계되어 있다.
10-3. 사람 대신 작업하는 로봇
우주 공간에서 작업할 때는 방사선에 노출되는 등의 위험이 따른다. 그래서 유인 탐사에서는 거주 설비 밖의 활동을 우주 비행사 대신 수행하는 로봇이 중요한 역할을 하게 될 것으로 생각된다. 로봇이 우주 비행사 대신 암석 채취나 설비 관리 및 유지 등의 활동을 하게 되는 것이다.
아래의 사진은 '켄타우르스 2(Centaurus 2)'라는 이동용 차에 '로보노트 2(Robonaut 2)'라는 로봇을 접속시킨 모습이다. '켄타우루스 2'는 '파워 셔블' 같은 기능을 갖고 있어, 거주 설비 건설을 위한 '땅 고르기' 작업을 무인으로 하는 일 등이 고려되고 있다. '로보노트 2'는 상반신만 있는 로봇으로, 1m 정도의 크기로 사람의 모습과 아주 비슷하다. 또 인간처럼 움직일 수 있는 손가락이나 팔을 가지고 있어서, 사람용 도구를 그대로 사용할 수 있다. 헬멧 안에는 입체로 볼 수 있는 4개의 카메라(2개는 예비)가 내장되어, 대상물까지의 정확한 거리를 알 수 있다.
10-4. 크레인 겸용 운반차
달이나 화성에 착륙할 때 쓰이는 착륙선에서는, 출입구를 지상에서 몇 m 위에 설치한다. 중력을 거슬러 연착륙하기 위해, 아래쪽에 역분사기가 달려 있기 때문이다. 그래서 착륙선의 출입구에서 짐을 내려 이동시키기 위해서는 '크레인'과 '운반차'가 필요하다. 그래서 생각된 것이 차바퀴가 달리고 접히는 다리를 가진 '애슬리트(athlete)'라는 로봇이다. 이 다리가 있어서, 짐을 내리고 운반하는 작업을 애슬리트 혼자서 다 할 수 있다. 아래의 사진은 '애슬리트'가 다리를 뻗은 모습으로, 위에 있는 원통형 물체에는 애슬리트가 운반 중인 거주 모듈이다. 6개의 다리 밑에는 타이어가 달려 있어서 그것을 향해 달릴 수 있으며, 장애물이 있으면 다리를 벌려서 넘어갈 수 있다.
