드론을 띄워 화성을 탐사한다?

NASA, 차세대 화성 드론 개발 나서

미항공우주국(NASA)이 차세대 화성 드론 개발에 나섰다. 지난 13일 애리조나대학교는 NASA로부터 새로운 화성 탐사 드론의 개발과 테스트를 위한 연구비로 310만 달러를 받았다고 밝혔다. 이번 연구는 로버와 연계해서 넓은 면적을 효과적으로 탐사할 수 있는 드론을 개발하는 것이 목표다.

NASA, 지구 밖 천체에서 사상 첫 비행에 도전

오는 2월 18일 화성 착륙을 시도할 퍼시비어런스 로버에는 1.8kg 무게의 소형 헬리콥터 드론이 탑재되어 있다. ‘인제뉴어티(Ingenuity)’라는 명칭의 이 드론은 화성에서 비행할 수 있는지 시연하기 위해 개발된 테스트 기체다.

퍼시비어런스 로버에 탑재된 인제뉴어티 화성 드론. ⓒ NASA / JPL

화성의 평균 지표면 대기압은 지구 해수면 대기압의 0.65% 정도에 불과하다. 지구에서는 29km 고도의 기압과 비슷한 수준. 이처럼 희박한 대기에서 드론이 비행하려면 프로펠러를 매우 빠르게 회전시켜야 한다.

인제뉴어티의 동축반전로터는 회전수가 무려 2400 RPM이나 된다. 한번 이륙하면 3~10m 고도에서 90초 동안 최대 300m 거리를 이동할 수 있도록 설계되었고, 착륙 후 태양전지로 재충전해서 최대 5번까지 비행할 수 있다.

드론을 이용한 본격적인 화성 탐사는 아직 멀어

아쉽게도 인제뉴어티는 비행 실험에 초점을 맞췄다. 아직 드론을 이용해서 주위를 탐사하거나, 지형지물을 관측하기에는 부족한 수준. 이에 NASA는 인제뉴어티의 첫 화성 비행에 맞춰 본격적인 화성 탐사 드론의 개발을 추진하고 있다.

애리조나대학교의 ‘달·행성 연구소(Lunar and Planetary Laboratory, LPL)’는 NASA와 밀접한 관련이 있는 행성과학 연구교육기관이다. LPL 소속의 크리스토퍼 해밀턴(Christopher Hamilton) 교수가 이끄는 연구팀은 차세대 화성 탐사 개념을 연구하기 위해 아이슬란드에서 드론을 이용한 테스트를 해왔다.

RAVEN 테스트를 위해 드론을 날리는 연구팀. ⓒ Christopher Hamilton

해밀턴 연구팀은 ‘로버-비행체 탐사 네트워크(Rover–Aerial Vehicle Exploration Networks)’, 약칭 ‘레이븐(RAVEN)’이라는 신개념 행성 탐사 프로젝트를 진행 중이다.

기존에 개발된 행성 탐사 기술은 크게 네 가지로 분류된다. 천체 근접 비행, 위성 궤도에서 탐사, 지표면 착륙, 그리고 주행 가능한 로버의 순이다. 레이븐은 미약한 대기가 있는 화성에서 로버와 드론을 연계해 탐사하는 것이 주요 목표다.

아직 프로토타입 연구 단계에 머물고 있지만, 지금까지 나온 제안 중에는 10kg 무게의 드론을 프로펠러 6개로 띄우는 방식도 있다. 또한 집게가 달려서 채취한 샘플이나 추가 탑재물을 6kg까지 운반하도록 설계할 예정이다.

만약 화성 드론이 장시간 비행할 수 있다면 로버가 접근하기 어려운 지역을 탐사하거나, 통과하기 힘든 지형에서 진행 경로를 찾는 데 도움이 된다. 레이븐이 목표로 하는 비행시간은 35분, 최대 비행거리는 약 4.8km 정도다.

아이슬란드 홀루흐라운 용암지대. ⓒ University of Arizona

현재 레이븐은 화성 지형과 유사한 아이슬란드에서 실험 중이며, 인제뉴어티 드론이 획득할 정보를 바탕으로 계속 개발할 예정이다.

실험 장소인 홀루흐라운(Holuhraun)은 2014년 화산 활동에 의해 형성된 광활한 용암 지대로, 침식과 풍화 작용이 덜해서 화성 지표면과 비슷한 환경을 보여준다.

이에 관해 해밀턴 교수는 “이곳 용암은 모래 지역에 형성되어서 화성의 일부 지형과 매우 유사하다는 점이 흥미롭다”라고 밝혔다.

타이탄에서 비행하는 드래곤플라이 탐사선 상상도. ⓒ NASA

다른 천체 탐사에도 활용될 전망

앞으로 레이븐을 통해 차세대 화성 드론이 개발되면, 그 기술은 다른 천체를 탐사하는데도 사용될 전망이다.

태양계에서 지구를 제외하면 대기가 있는 암석형 천체로는 금성과 화성, 토성의 위성인 타이탄이 있다. 그러나 금성은 매우 뜨겁고 두터운 산성 대기 때문에 높은 고도에서나 비행할 수 있고, 한번 착륙하면 다시 이륙하기 어렵다.

타이탄은 지구 대기압의 약 1.4배에 달하는 질소 대기가 있어서 화성에 이어 유력한 드론 탐사 대상지다. NASA는 2027년에 타이탄으로 ‘드래곤플라이(잠자리)’라는 드론형 탐사선을 발사할 계획이다. 로버가 아닌, 드론을 이용하면 더 넓은 면적을 탐사할 수 있어서 행성 탐사에 신기원을 열 것으로 기대된다.

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