인류의 태양계 탐사 미션과 과학적 결과
인류의 우주탐사 역사는 반세기가 넘었다. 첫 번째 성공적인 달 탐사는 러시아에 의해 시작된 근접 통과 및 충돌에 성공한 1959년이다. 달이나 화성 미션은 초기에 높은 확률의 실패율이 있었고, 달의 경우는 인류가 달에 첫 발자국을 1969년에 남겼으며, 이후 달 표면 탐험에서 얻어진 기술과 과학적인 결과들은 화성 탐사 미션의 활성화를 가져왔다. 1967년에 드디어 인류는 처음으로 화성표면에 착륙선을 보냈으며, 최근까지 46차례 시도를 통해 미국을 포함한 몇몇 국가들은 화성 탐사를 성공적으로 수행하였다. 화성의 첫 토양 탐사는 1976년 바이킹 미션에 의해 조사됐으며, 이후는 마스 글로벌 서베이어, 마스 오디세이, 마스 익스프레스, 마스 정찰선, 메이븐, 망갈라얀, 호프를 궤도선으로 화성표면과 대기를 조사하였다. 화성 착륙선은 화성패스파인더, 화성탐사로 버선, 휘닉스화성착륙선, 큐리오시티, 인사이트, 타이웬, 퍼서비어런스를 통해 화성표면의 지형, 현존하는 지하에서 흐르는 물의 증거, 극 지역의 충분한 물의 존재와 중위도 지역의 물의 존재 등을 확인하였으며, 향후 인류가 지구와 같은 화성으로 바꾸어 보겠다는 꿈을 키우기에 충분한 가능성을 더 증가시켰다. 화성은 95%가 이산화탄소로 만들어졌으며 이를 변화시켜 연료나 산소를 만드는 것이 이미 연구단계에 있다. 태양계에서 화성, 지구, 금성은 생명체가 살만한 생명 거주 가능 영역인 골디락스 존(Goldilocks zone)이고, 보다 심층적인 연구대상이 되어왔다. 외행성들인 목성, 토성, 천왕성, 해왕성, 명왕성의 탐험은 태양계를 이해하기 위해 반드시 탐험하고 싶은 지역이라고 할 수 있다. 파이어니어 10호와 11호, 보이저 1호, 2호는 목성을 근접 통과하며 목성을 관찰했고, 목성의 위성들을 조사해 이들 중 이오(Io)는 화산 분출이 일어나고, 유로파(Europa)는 얼음으로 덮여 있지만 그 밑에는 생물이 살 수도 있다는 전망으로, 현재 클리퍼 탐험미션이 2024년에 발사될 예정이다.
인류는 전등 없는 밤길을 비춰주는 달에서부터 65억km 떨어진 태양계 끝의 명왕성까지의 태양계 항해 기술과 통신기술 그리고 과학 임무를 설정하고, 이를 수행하기 위한 탑재체 기술을 발전시켜왔으며, 태양계의 행성 탐사에 대한 궁금증을 해소해 왔다. 이로써 인류는 지구에서 벗어나 삶의 영역을 확장시키는 새로운 문명의 시작의 길로 미래를 개척하고 있다.
달, 화성, 소행성에서 얻어지는 우주자원 소개
인류의 태양계 탐사는 60여 년의 긴 역사를 지나 인류는 오랜 기간 엄청난 재원을 투자해 태양과 행성 들을 이해하려고 노력해 왔다. 그동안 축적된 과학기 술과 탐험 결과들은 달, 화성, 소행성이 인류가 여행하고 자원을 활용할 수 있는 행성으로 다가오게 하였다. 달 귀환 시료에서 밝혀진 일메나이트 광물은 헬륨-3, 물, 산소 등 인류가 달에서 활용할 수 있는 귀한 자원이 있음을 보여줘, 달 표면에서 인류가 1만여년 정도 핵융합에너지원인 헬륨-3을 구할 수 있음이 밝혀졌다. 핵분열 에너지원이 고갈되는 시점에 달에서 헬륨-3을 채취해 올 수 있다면, 대체에너지로서의 헬륨-3은 1톤당 $3 billion(10억)의 가치로 다가올 수 있다. 달 표면에서 생존에 필수적인 자원인 물, 산소와 이외의 활성 물질과 광물들은 인류가 달 표면으로 지구에서 가져오지 않고 달 현지에 있는 자원을 채굴하고 활용할 계획이다.
화성의 대기는 95%가 CO2로 되어 있으며, 산소는 약 0.13%로 되어 있다. 화성의 대기에서 산소를 생산하는 방식은 지구의 나무들이 산소를 생산하는 것과 같은 방식이다. 화성에는 달보다 물이 풍부하며, 북극에는 얼음이 약 90%, 남극에는 넓게 분포한 얼음 지역이 50% 이하의 물을 포함하고 있다. 또한 이외 중위도 지역에도 물은 약 8% 정도 있는 것으로 확인되어 물은 어디에나 존재하며, 이 물은 인류가 활용할 수 있는 필수적인 자원이 될 것이다. 지구는 화성과 유사한 행성이다. 화성에서의 내화 원소(refractory element)는 지구와 유사하나 철분의 경우에는 화성이 많은 편이며, K, Zn, Cl 같은 활성 물질도 유사한 편으로, 지구에 있는 광물과 비금속 광 물은 유사한 함량을 가지고 있어서 지구의 채굴과 같은 방식으로 채굴 및 활용될 수 있다.
소행성은 현재까지 약 60만 개가 확인되고 있으며, 대부분이 화성과 목성 중간에 위치한 소행성 벨트에 속한다. wired.co.uk 사이트에서 발레리오 펠레그리니(Valerio Pellegrini)가 밝힌 가장 가치 있는 소행성은 탄소 계열(C-type) 소행성으로 200~300km 직경인 다비다(Davida)이며, $26.99 quintillion(1018 , 100경)의 가치를 가진다. 이 소행성은 카본 계열 콘드라이트 조성을 가지고 있으며, 물, 니켈, 코발트, 질소, 암모니아, 수소를 함유하고 있다. 이외에 디오티마(Diotima), 알라우다(Alauda) 등 8개의 소행성은 $7.09~3.56 quintillion으로 추정하고 있다. 총 소행성 벨트에 있는 소행성의 가치는 $700 quintillion으로 추정하고 있다.
달과 화성에서의 현지 자원 활용, 기술개발 동향 소개
아폴로 프로그램까지 달은 물이 거의 없는 곳이라고 알려졌었다. 달에 물이 있는 것으로 확인된 것은 1989년이다. 클레멘타인 미션에서 남극에 영구동토가 존재하는 것이 확인되었고, 이곳에 얼음이 존재할 수 있다는 추측을 하게 되었으며, 1991년 루나 프로스펙터의 중성자 분광기에 의해서 달의 극지에 물의 함량이 높은 곳은 약 4% 정도 있는 것으로 확인되었다. 최근 물은 극지뿐만 아니라 화산쇄설물이 있는 화산지역이나, 달 표면 지하 토양의 경우에는 태양풍에 의해 생성된 물이 오랜 기간 축적되고 있다. 이러한 물은 작은 운석들이 달 표면에 충돌할 때 지표로 분출되는 물의 순환과정이 래디(LADEE) 미션으로 밝혀진 것이며, 성층권에서 우주를 관측하는 소피아(SOFIA) 내에서는 달 표면에서 물이 생성되는 것을 관찰하였다. 이러한 연속적인 달 표면에서의 물 존재의 확인은 달 표면에서 물의 현지 활용의 가능성 및 물 이외의 휘발성 물질과 광물 등의 유용한 자원의 현지 활용에 대한 기술개발을 활성화했다.
달 표면 현지 자원 활용은 물, 연료, 산소 생산이 우선적이며 활성 물질과 희토류나 광물자원도 점차 생산하는 것을 고려하게 될 것으로 본다. NASA는 달 남극지역에 인류의 첫 번째 기지를 건설하고자 한다. 타 지역보다 이 지역에는 물을 비롯한 여러 가지 자원이 충분히 존재하지만, 아주 낮은 표면 온도를 극복해야 하는 문제를 해결해야 한다. 극 지역의 인류의 착륙 가능한 지역은 최근 ISECG(International Space Exploration Coordination Group) 워크숍에 참석한 지질학자들의 보고서로 출판되었으며, 이러한 지역은 물의 함량이 >150ppm, 자원이 풍부한 영구동토 지역, 태양에너지의 사용 가능성, 지구와의 교신이 가능한 지역으로 알려졌다(그림 1).
아르테미스 국제협력프로그램과 달 현지 자원 활용 소개
아르테미스 계획은 1, 2, 3으로 단계적으로 구분되어 있다. 1의 경우는 무인 오리온을 지구궤도에 발사하고 대형 우주발사시스템 로켓을 활용해 13개의 큐브셋을 심우주에 보내어 향후 과학 및 기술 분야 연구 수행 미션을 위한 달 환경에 대한 자료를 수집하는 것이다. 2의 경우는 4명의 우주비행사가 달 환경에 10일간 머물며 아르테미스 계획 3의 초기에 수행될 치명적인 랑데부, 근접 오퍼레이션, 도킹, 분리 오퍼레이션 등을 준비하는 경험을 쌓고 이와 관련된 수행 자료를 제공하게 된다. 아르테미스 계획 3은 남녀 우주 비행사가 달 표면에 착륙하여 무인으로 설치된 과학 장비 및 설비들을 사용하여 달의 형성연구, 달의 휘발성 물질 순환연구, 향후 활용 가능한 자원의 연구 등을 수행한다. 아르테미스 계획 3 이후는 NASA, 미국산업체, 글로벌 파트너의 달 대규모 사업이 활발히 진행될 것으로 전망한다. 우리나라는 아르테미스 협정을 10번째로 체결했으며, 향후 달 현지자원 활용 분야에서 자원추출 시연 탑재체를 달에서 시연하고, 달에서 자원을 추출하는 플랜트 건설에 참여하는 계획을 설계할 수 있다. 이러한 달 표면의 자원추출, 저장 및 활용의 성숙도는 2035년경에는 달에서 얻은 생존기술로 화성에 진출하여 현지 자원을 활용해 인류가 화성에 안전하게 머물 수 있도록 해 줄 것으로 기대하고 있다.
현지 자원 활용의 첫 번째 미션은 2022년 발사 예정으로 NASA가 추진하는 남극에 서의 얼음 채굴 실험인
Prime-1(Polar Resources Ice Mining Experiment)이다. 이 미션은 달 극지에서 얼음물을 채취해 인류가 달 표면에서 생존할 수 있도록 하기 위한 현지 자원 활용을 주목적으로 한다.
인류는 달과 화성 그리고 태양계 행성들을 60여 년간 지속해서 탐험해 왔다. 이렇게 해서 얻어진 과학적인 호기심의 충족과 기술적인 발전은 이제 탐험에서 한 걸음 더 나아가 태양계 안에서 인간이 거주할 수있는 곳을 찾는 또 다른 차원의 진보적인 행성 개척을 시도하고 있다. 인류가 우주 공간과 태양계의 행성들을 현명하게 활용할 수 있다면, 앞으로 올 자연재해와 우주 재해로부터 소수의 인구라도 보존해 인류의 지구와 태양계 내에서의 영속성을 지속할 수도 있다. 우주개발에 의해 얻어지는 우주 기술들은 우리 실생활에 항상 적용되어왔고 보다 윤택한 생활을 하는 데 도움을 주어 왔다. 앞으로 우리는 지구인이라기보다는 지구에 사는 우주인으로서 우주를 바라보며 탐험보다는 개척의 정신으로 달, 화성 그리고 더 멀리 있는 태양계 행성을 바라볼 때가 아닌가 싶다.
