아르테미스 계획(Artemis Program)
'아폴로 계획(Apollo Program)'은 1961년부터 1972년까지 NASA의 주도로 이루어진 미국의 유인 달 탐사 계획이다. '아폴로 계획'으로 인해 인류는 역사상 최초로 달에 내려섰다. 그리고 50년이 지나고 인류는 '아르테미스 계획'으로 다시 달에 착륙하려고 한다. 그런데 '아르테미스 계획'은 단순히 유인 달 착륙만 의미하는 것이 아니다. '아르테미스 계획(Artemis Program)'은 유인 달 착륙에서부터 월면에서의 지속적 활동, 나아가 유인 화성 탐사도 예정된 초거대 프로젝트이다. '아르테미스 계획'에 대해 자세히 알아보자.
0. 목차
- 아르테미스 계획
- 아르테미스 1 (Artemis 1)
- 아르테미스 2 (Artemis 2)
- 게이트 웨이 (Gateway)
- 아르테미스 3 (Artemis 3)
- 아르테미스 4 (Artemis 4)
- '베이스 캠프 건설'과 '달 장기 체류'
- 달에서 화성으로
1. 아르테미스 계획
1-1. '아르테미스 계획'의 시작
'동서 냉전 시대(1945년~1989년)'가 한창이던 1961년 4월, 구소련은 인류 최초의 유인 우주 비행에 성공했다. 그로부터 불과 1개월 뒤, 미국의 '존 F 케네디(John F. Kennedy, 1917~1963)' 대통령은 "1960년대가 끝나기 전에 우주 비행사를 월면에 보내고 무사히 지구로 귀환시킬 것이다."라고 선언했다. 그리고 미국의 계획대로, NASA의 '아폴로 11호(Apollo 11)'가 인류를 최초로 달에 착륙시키는 데 성공했다. 그 후 1972년까지 4년 동안 총 12명의 우주 비행사를 차례로 월면에 보내면서 미국은 우주 개발에서 확고한 지위를 구축했다. 그러나 그 후 막대한 비용이 드는 유인 달 탐사는 불길이 사글어들었다. 그 대신에 지구를 도는 '국제 우주 정거장(ISS: International Space Station)'이 건설되고, ISS를 거점으로 하는 유인 우주 활동 시대가 찾아왔다. 2017년에는 '도널드 트럼프(Donald Trump, 1946~)' 대통령이 '우주 정책 명령 제 1호'에 서명해, 인류를 다시 달에 보내는 '아르테미스 계획(Artemis Program)'이 시작되었다.
'아르테미스(Artemis)'라는 이름은 그리스 신화에 나오는 달의 여신 '아르테미스'에서 유래했다. 아르테미스는 아폴로의 쌍둥이 누나이다. 달을 목표로 하는 이유도, 2020년 9월 NASA의 '짐 브라이든스타인(Jim Bridenstein, 1975~)' 당시 국장은 "과학적 발견과 경제적 이익, 그리고 신세대 탐험가에게 영감을 주기 위해서"라고 말했다.
1-2. '아르테미스 계획'의 스케줄
'아르테미스 계획'은 유인 달 착륙만 목적이 아니다. 달에서 지속적으로 활동하기 위한 환경과 기술을 확립해 최종적으로는 유인 화성 착륙을 목표로 하는 장대한 프로젝트이다. 현재 예정된 미션의 개요를 소개한다. 아래의 표는 '아르테미스 계획'의 스케줄로, NASA의 '2023년 회계 연도 예산 요구서'를 바탕으로 작성하였다.
| 연도 | 미션 | 내용 |
| 2022 | 아르테미스 1 (SLS 로켓) | 무인 달 선회 궤도 테스트 비행 |
| 2024 | 아르테미스 2 (SLS 로켓) | 유인 달 플라이바이 테스트 비행 |
| 2024 | 게이트웨이 발사 개시 (팰컨 헤비 로켓) | 'PPE(전력·추진·통신계)'와 'HALO(미니 거주동)' 발사 |
| 2025 | 아르테미스 3 (SLS 로켓) | 유인 월면 착륙 |
| 2027 | 아르테미스 4 (SLS 로켓) | 'I-HAB(국제 거주동)' 발사 |
| 2028 | 아르테미스 5 (SLS 로켓) | 유인 월면 착륙(게이트웨이 경유), 아르테미스 베이스캠프 건설 개시 |
| 2029 | 아르테미스 6 (SLS 로켓) | 유인 월면 착륙(게이트웨이 경유), '에어록 발사 (게이트웨이 건설 완료) |
2022년의 '아르테미스 1'에서는 '오리온(Orion)'이 '달 궤도 테스트 비행'을 마치고 지구로 귀환한다. 이어지는 2024년의 '아르테미스 2'에서는 실제로 우주 비행사가 '오리온' 우주선에 탑승하는 '유인 달 플라이 바이 테스트 비행'을 실시한다. 그리고 2025년의 '아르테미스 3'에서는 실제로 4명의 우주 비행사가 오리온 우주선에 탑승하며, 그 가운데 2명이 오리온 우주선에서 '달 선회 궤도' 위에 대기하는 달 착륙선으로 바꿔 타고 달의 남극 부근에 착륙한다.
2028년의 '아르테미스 5'에서는 달 선회 궤도 위의 우주 정거장 '게이트웨이(달 선회 유인 거점)'를 경유하는 달 착륙을 실시한다. '게이트웨이(Gateway)'는 지구와 달, 그리고 나아가서는 화성을 오고 갈 때의 '현관'으로 중요한 역할을 담당한다. '게이트웨이' 건설은 2024년에, 그릭 '아르테미스 베이스캠프(Artemis Base Camp)'라는 월면 기지 건설은 2028년에 시작된다.
1-3. '국제 파트너', '민간 기업'과의 협력 체제로 진행한다.
'아폴로 계획'은 20세기 미국과 소련의 우주 개발 경쟁을 배경으로, 미국이 단독으로 진행했다. 하지만 '아르테미스 계획'은 NASA를 비롯해 'ESA(유럽우주기구)', 'CSA(캐나다 우주국)', 'JAXA(일본 우주항공연구 개발 기구)', 'ASA(오스트레일리아 우주국)' 등의 국제 파트너에 더해, '스페이스 X(Space X)' 등의 민간 기업을 포함한 협력 체제를 바탕으로 진행된다. '아르테미스 계획'은 초거대 프로젝트이기 때문에 NASA의 힘만으로는 실행하기 어렵기 때문이다. 민간 기업이 담당하는 것은 주로 '착륙선의 개발', 그리고 관측 장치와 보급 물자를 월면에 보내는 '상업용 달 탑재 수송 서비스(CLPS: Commercial Lunar Payload Service)'라는 미션 등이다.
한국은 2021년 5월, 아르테미스 계획을 위한 국제 협정 약정인 '아르테미스 약정(Artemis Accords)'에 서명했다. 이로써 한국은 '아르테미스 계획'의 10번째 참여국이 되었다. '아르테미스 협정'에 먼저 참여한 국가들이 분명한 역할을 갖고 있는데 비해, 뒤늦게 합류한 한국은 아직까지는 아르테미스 계획에 간접적으로 기여하고 있다. 2022년 8월 5일에 발사된 달 탐사선 '다누리'에 실린 NASA의 '섀로캠(ShadowCam)'이 아르테미스 계획의 유인 착륙 후보지 탐색을 위한 '달 극지방 영구 음영 지역'을 촬영한다. 또 한국천문연구원이 개발하고 있는 여러 장비가 CLPS에 쓰일 가능성도 있다. 다만 뒤늦게 참여한 만큼 한국의 역할을 분명히 제시하고, 분명히 해야 한다는 목소리가 많다.
일본은 아르테미스 계획에서 '게이트웨이 거주동에 대한 기기 제공', '물자 보급', '달 탐사선을 이용한 데이터 공유', '유인 여압 로버' 개발을 중심으로 협력한다. 또 '인도우주연구기구(ISRO: Indian Space Research Organisation)'와 공동으로 달의 '수자원 존재량'과 '자원으로서의 이용 가능성'을 조사하는 달 극지역 탐사선 'LUPEX'의 미션 진행, 소형 달 착륙 실증선 'SLIM'의 미션 등을 담당한다.
1-4. 신형 거대 로켓 SLS가 오리온 우주선을 쏘아 올린다.
'우주 발사 시스템(SLS: Space Launch System)' 로켓은 전체 길이 약 98m로, 약 30층 건물에 상당하는 2단식의 거대한 로켓이며, '오리온(Orion)' 우주선을 쏘아 올리는 역할을 맡는다. '아스테미스 1'에서 사용되는 SLS 로켓은 '블록 1'이라는 조합으로 기체가 구성된다. 아래쪽 1단이 길이 약 60m, 지름 8.4m의 '코어 스테이지(Core Stage, SLS의 기본 블록)'이며, 그 위의 2단에 '극저온 추진 스테이지(ICPS: Interim Cryogenic Propulsion Stage)'를 부착한 오리온 우주선이 위치한다. 측면에는 '고체 로켓 부스터(고체 연료 로켓)' 2개, 맨 아래쪽에는 우주 왕복선의 주 엔진을 채용한 'RS-25 엔진' 4기가 부착되어 있다. 총 중량은 약 2600톤에 이르며, 지구 저궤도에 95톤, 달로 향하는 궤도에 40톤의 기재를 운반할 수 있다.
1-5. 오리온 우주선으로 달을 향한다.
아래의 그림은 '극저온 추진 스테이지(ICPS: Interim Cryogenic Propulsion Stage)'로부터 오리온 우주선이 떨어져 나갈 때의 상상도이다. SLS 로켓의 발사로부터 2분 뒤 '고체 로켓 부스터'가 떨어져 나가고, 무사히 우주에 도달한 단계에서 맨 앞의 '비상 탈출 장치'가 제거된다. 이어 '코어 스테이지(Core Stage)'의 엔진이 연소를 끝내고 떨어져 나가며, ICPS와 오리온 우주선은 '지구 선회 궤도'에 들어간다. 이 단계에서 지구로 귀환하기까지의 필요한 전력을 공급하기 위한 4개의 '태양 전지 패널'을 펼친다. 그 후 ICPS도 떨어져 나가 오리온 우주선은 단독으로 달로 향한다.
2. 아르테미스 1 (Artemis 1)
'아르테미스 1 (Artemis 1)'에서는 2022년 8월 29일과 2022년 9월 3일, '아르테미스 계획(Artemis Program)'의 첫 단계인 '오리온(Orion)' 우주선을 실은 'SLS 로켓' 발사가 기술적 결함이 발견되면서 두 차례나 무산되었다. NASA는 2022년 9월 27일 3차 시도도 계획했지만, 허리케인 '이언(Ian)'의 북상으로 인해 취소되었다. 그 뒤, 2022년 11월 14일에 4차 발사를 하려 했으나 열대성 폭풍 '니콜(Nicole)'의 영향으로 또다시 이틀 미뤄졌다. 이후 SLS는 11월 15일에 성공적으로 발사됐으며, 이 로켓에 탑재됐던 미국의 달 탐사 캡슐 '오리온(Orion)'도 목표대로 '달 궤도 테스트 비행'을 마치고 지구로 귀환했다.
무인으로 달을 선회하는 '아르테미스 1'의 미션에서는 오리온 우주선과 함께 일본의 소형 탐사선 '오모테나시(OMOTENASHI)'와 '에클레우스(EQUULEUS)'를 포함한 10개의 '큐브셋(CubeSat, 초소형 위성)'이 탑재되어 순차적으로 발사된다.
'오모테나시(OMOTENASHI)'는 월면 착륙의 기술 실증을 목적으로 하는 초소형 탐사선이다. 약 11×24×37cm, 질량 약 12.6kg이며, 착륙할 때의 충격 데이터를 지구로 송신한다. 착륙은 초속 50m, 약 10000G나 되는 중력이 가해지는 격돌이다. 그러나 그 충격은 '크러셔블 재료(Crushable Material, 찌부러지기 쉬운 재료)'로 흡수된다.
2-1. '아르테미스 1'의 비행 경로
무인 오리온 우주선을 달 뒤쪽에까지 도달시키고, 최후로 귀환 캡슐이 대기권 돌입 때의 고온(2760℃), 고속(초속 11km)을 견딜 수 있는지 시험한다. SLS 로켓은 플로리다의 케네디 우주센터에서 발사되고, 귀환 캡슐은 난바다인 태평양에 낙하한다. 전 과정에 26~42일의 시간이 예정되었다. (실제로는 오리온은 SLS 로켓에 실려 11월 15일에 성공적으로 발사되었고, 12월 11일에 지구로 무사 귀환하였다.)
초록색 선은 지구에서 달까지 가는 궤도이고, 파란색 선은 달에서 지구까지 돌아오는 궤도를 나타낸다. 회색 선은 'DRO 궤도(Distant retrograde orbit, 원거리 역행 궤도)'이로, 'DRO 궤도'란 '달의 자전과 역행해 선회하는 궤도'이다. 가장 먼 것은 7만 km이며, 달을 1.5바퀴 돈 뒤 돌아오는 궤도에 들어간다. 한편, 오리온 우주선이 떨어져 나간 뒤의 '극저온 추진 스테이지(ICPS: Interim Cryogenic Propulsion Stage)'는 A~C 장소에서 10개의 초소형 위성을 순차적으로 '사출(위성, 탄알 등을 쏘아서 내보내는 일)'을 한다. 1~17까지의 숫자는 예정된 각종 이벤트의 차례를 나타낸다.
3. 아르테미스 2 (Artemis 2)
3-1. '아르테미스 2'의 여행 경로
우주 비행사가 오리온 우주선에 탑승한 후, 달에서 6000km 떨어진 달 뒤쪽을 통과해 즉, '플라이바이(Flyby)'해 지구로 귀환한다. '플라이바이(Flyby)'란 천체 주위를 지나가는 우주선 이 그 천체의 중력을 이용하여 속도를 바꾸어 가며 궤도를 수정하는 일을 말한다. 오리온 우주선은 달의 선회 궤도에 들어가지 않으며, 지구와 달의 중력을 이용해 '8자'를 그리는 합계 100만 km가 넘는 궤도를 사용한다. 성공하면 우주에서의 인류 최장 이동 거리가 된다. 왕복 약 10일 동안의 여정이다.
초록색 선은 '지구에서 달까지 가는 궤도'이고, 파란색 선은 '달에서 지구로 돌아오는 궤도'를 나타낸다. 주황색 선으로 나타낸 구간에서는 오리온 우주선의 근접 조작 데모와(오른쪽 주황색 박스 안)와 수동 조작을 평가한다. 1에서 15까지의 숫자는 예정된 각종 이벤트의 차례를 나타낸다.
3-2. 사람을 태운 오리온 우주선이 달 상공을 난다.
아래의 그림은 달 가까이를 비행하는 오리온 우주선의 상상도이다. '아르테미스 2'의 미션에서는 오리온 우주선에 4명의 우주 비행사가 탑승해, 약 반세기 만에 달을 다시 방문한다. 오리온 우주선은 아폴로 계획에서도 방문하지 않은 달의 뒤쪽을 통과하기 때문에, 우주 비행사는 달을 앞에 두고 멀리 떨어진 우주에 떠오르는 지구를 바라보게 된다.
4. 게이트 웨이(Gateway)
아래의 그림은 오리온 우주선이 '게이트웨이(Gateway)'에 접근하는 상상도이다. '게이트웨이'는 달의 선회 궤도에 건설되는 우주 정거장이다. 이 우주 정거장을 이용해 지속적인 월면 탐사를 진행하며, '아르테미스 베이스캠프'를 건설할 때의 거점이기도 하다. 또 화성으로 사람과 물자를 보내기 위한 관문으로도 활용될 예정이다. 즉 '게이트웨이(Gateway)'는 달과 화성으로 가는 관문이 될 예정이다.
게이트웨이가 투입되는 것은 약 6일의 주기로 달의 극을 남북으로 선회하는 'NRHO 궤도(Near-rectilinear halo orbit, 직선 헤일로 궤도)'이다. 궤도면이 항상 지구를 향하기 때문에, 지구와의 통신이 상시 확보되며, 또 달의 북쪽보다 남쪽을 오래 돌기 때문에, 유인 활동 거점인 남극의 가시 기간이 길다는 이점이 있다. 게이트웨이의 크기는 'ISS(국제 우주 정거장)'의 6분의 1 정도이며, 거주 공간은 2개이다. 우주 비행사는 4명까지 체재 가능하고, 1년에 10~30일 정도 체재해 나머지 기간은 무인이 된다.
4-1. 게이트웨이 건설을 담당할 대형 로켓 '팰컨 헤비'
아래의 사진은 '스페이스 X(Space X)'의 대형 로켓 '팰컨 헤비(Falcon Heavy)'다. '팰컨 해비'는 게이트웨이 건설을 담당하기로 했다. 게이트웨이는 몇 회로 나뉘어 발사되고 건설된다. 최초 발사는 'PPE(전력·추진·통신계)'와 'HALO(미니 거주동)'로, 2024년 '팰컨 헤비'에 실려 발사될 예정이다. 그 후 'I-Hab(국제 거주동)', '로봇팔', 'ESPRIT-RM(연료 보급계와 승무원용 창문)', '에어록(Airlock)' 등이 차례로 발사되어 2029년에 건설이 완료된다.
5. 아르테미스 3 (Artemis 3)
아래의 그림은 달 착륙의 상상도이다. 2025년 '아르테미스 3' 미션에서는 마침내 인류가 다시 월면에 내려선다. '아르테미스 3'에서는 최초로 여성이 달에 내려설 예정이다. 4명의 우주 비행사를 태운 오리온 우주선이 SLS 로켓으로 발사되어, '달 선회 궤도'에서 대기하던 달 착륙선 '스타십'과 도킹한다. 그리고 4명 가운데 남녀 2명이 오리온 우주선에서 스타십으로 옮겨타고, 월면에 착륙할 예정이다. 성공하면 '아폴로 계획'의 마지막 달 착륙으로부터 53년 만이 된다. 달에 착륙하는 2명은 "the first woman and the next man", 즉 "우주 비행사로서는 최초로 월면에 내려서는 여성과 아폴로 계획에 이어 월면에 서는 남성"이라고 발표되었다. 월면에서의 활동은 아폴로 계획에서는 최장 3일 정도였지만, 이 미션에서는 6.5일로 예정되어 있다.
6. 아르테미스 4 (Artemis 4)
7. '베이스캠프 건설'과 '달 장기 체류'
7-1. 달의 남극에는 얼음이 분포할 가능성이 있다.
아래의 그림에서 파란색 부분은, 2018년 학술지 PNAS에 보고된 달의 남극과 북극의 표면 얼음으로 보이는 물질의 분포다. NASA의 달 광물 지도 제작 장치 'M3'가 검출했다. 회색은 표면 온도에 대응해 어두운 곳일수록 저온인 지역을 나타낸다. 지구의 자전축이 태양의 궤도면에 대해 23.4° 기울어진 것에 비해, 달의 자전축은 1.5°밖에 기울어지지 않았다. 얼음으로 보이는 물질은 연간 최고 온도가 -163℃ 이하의 극한 환경인 남극 부근에 집중해 있다.
7-2. 아르테미스 베이스캠프
아래의 그림은 장기적인 달 탐사를 가능케 할 '아르테미스 베이스캠프(Artemis Base Camp)'라는 '월면 유인 활동 거점'의 상상도이다. 달의 남극인 '섀클턴 크레이터(Shackleton Crater)'에 건설되며, 4명의 우주 비행사가 1개월 체재할 수 있는 환경을 상정하고 있다. '섀클턴 크레이터'의 지름은 약 21km나 된다. 산소와 수소를 만들어 내는 얼음과 광물 자원의 채취와 조사를 진행한다.
7-3. 민간 기업의 개발이 월면에서의 활동을 유지한다.
아래의 그림은 '노스롭 그루먼(Northrop Grumman)'과 '미쉐린(Michelin)'이 협력해 개발할 예정인 '월면 지형차(LTV: Nunar Terrain Vehicle)'의 상상도이다. 우주복을 입은 상태에서 타는 '유인 비여압' 로버이다.
7-4. 선외 활동 시스템 제공 업체
아래의 사진은 월면에서 작업하는 우주 비행사의 상상도이다. NASA은 '액시엄 스페이스(Axiom Space)'와 '콜린스 에어로스페이스(Collins Aerospace)'를 선외 활동 시스템 제공 업체로 선정했다.
7-5. 월면에서 장기 체재할 수 있는 기지 건설
아래의 그림은 'JAXA(일본 우주항공연구 개발 기구)'가 건설할 월면 기지의 상상도이다. JAXA는 월면에 '연료 공장'을 건설할 예정이다. 그림에서는 왼쪽 위 부분이 '연료 공장'이다. 2035년 무렵을 목표로 달의 남극 지역에 공장을 건설하고, 월면에서 채취한 물을 태양 전지를 이용해 수소와 산소로 분해하여 연료를 생성한다. 연료는 게이트웨이를 왕복하는 달 착륙선의 동력이 되는 이외에 월면을 이동하는 로버 등에도 사용된다.
8. 달에서 화성으로
그러면 최종적인 유인 화성 탐사는 언제 가능할까? NASA 주도의 계속적인 월면 활동이 궤도에 오른 뒤, 민간 기업 주체의 월면 활동으로 옮겨간다. 그 성과가 확실해졌을 때 화성에 대한 유인 탐사가 시작될 가능성이 높다고 생각된다. NASA에서는 유인 화성 탐사의 구체적인 스케줄을 제시하지 않았지만, 2022년 3월에 NASA의 '빌 넬슨(Bill Nelson, 1942~)' 국장은 2040년까지 인류가 화성을 걷게 하는 것이 우리의 계획'이라고 밝혔다.
달에서의 지속적인 활동이 성공하면, 다음은 게이트웨이를 발판으로 화성으로의 유인 탐사를 노린다. 지구와 화성은 형제와 같은 행성이다. 화성에는 대기, 지구와 비슷한 자전 주기가 있고 사계절도 있다. 화성 표면이나 지하에는 물이 존재할 가능성이 있으며, 생명이 존재할 수도 있다. '스페이스 X(Space X)'는 화성으로의 이주를 진지하게 생각하고 있다. 그러나 지구에서 달까지의 거리는 평균 약 38만 km이지만, 화성까지는 5580만 km~ 4억 40만 km에 이른다. 왕복하는 것만으로 2년은 걸릴 것으로 보여, 화성까지의 수송과 우주 비행사의 생명 유지에 필요한 기술을 개발해야 하며, 막대한 자금도 필요하다. 따라서 화성 탐험은 달 착륙보다도 난도가 훨씬 높다. 하지만 인류는 가까운 미래에 반드시 실현할 것이다.