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[우주라이크 사이언스] (3) 달 탐사의 과거와 미래

지난 10월 27일 새벽(우리나라 시간) 미국항공우주국(NASA)은 햇빛이 비치는 달 표면에도 물이 존재하고 극지방에는 기존 예측보다 훨씬 많은 한반도의 두 배 가까운 면적을 덮은 얼음이 존재한다는 연구 결과를 발표했다. 앞으로 달에서 기지를 운용하는데 충분한 정도의 물이 있다는 결정적 증거를 NASA가 확보한 셈이다.

그동안 달에는 극지방에 있는 영구 음지인 크레이터 속에만 일부 얼음 형태로 물이 존재한다고 알려져 왔다. 하지만 이번 연구를 통해 햇빛이 비치는 달 표면의 흙 속에도 상당히 많은 양의 물이 존재한다는 증거가 밝혀진 것이다. 나사의 발표에 의하면 1㎥의 달 표면에 포함된 물의 양은 약 350ml로 사하라 사막의 토양에 포함된 물보다 100배나 많다.

일교차가 최대 400도 가까이 되는 달의 표면에 어떻게 물이 남아 있고, 이 물들이 어디에서 온 건지는 아직 알 수 없다. 또한 이 물들을 어떻게 추출하여 달 탐사에 활용할 수 있을 지도 아직은 모른다. 다만 앞으로 달의 토양으로부터 물을 추출할 수 있는 기술만 개발된다면 달에서 활동하는데 필요한 물을 얻는 데는 큰 문제가 없다는 것은 충분히 예상할 수 있다.

또한 이번 연구에서는 위도 80도 이상의 지역에 크고 작은 영구 음지가 있고, 그곳에 존재하는 얼음의 면적을 합하면 한반도의 2배 가까이 된다는 사실도 밝혀졌다. 그중 절반 이상인 60%의 영구 음지가 달의 남극에 존재한다. 영구 음지에 있는 물의 대부분은 혜성이나 소행성이 달과 충돌하면서 남겨 놓은 얼음들이다.

연구진은 보잉 747 비행기를 개조한 성층권 비행천문대(SOFIA)의 적외선 망원경을 이용하여 적외선으로 달을 분석하였다. 적외선은 수증기의 영향을 많이 받기 때문에 지상에서는 관측이 어렵고 구름이 거의 없는 고도 1만 1000m 이상의 성층권에서 관측을 실시한다.

미국항공우주국의 소피아 적외선 망원경과 달 표면에서 발견된 물의 증거. Ⓒ NASA / Daniel Rutter

미국은 2024년 유인 달 착륙을 위한 ‘아르테미스 프로그램’의 착륙 지점으로 달의 남극을 염두에 두고 있다. 이번 발표를 통해 달의 남극 주변에 대한 탐사와 기지 건설이 더욱 힘을 얻을 전망이다.

그렇다면 그동안의 달 탐사는 어떻게 진행되었고, 앞으로 다가올 ‘아르테미스 프로그램’은 어떻게 진행될 것인지 조금 더 자세히 알아보기로 하자.

아폴로 우주선은 정말 달에 갔을까?

외국의 일부 방송과 잡지 등을 통해 아폴로 우주선의 달 착륙이 조작되었다는 이야기가 가끔 전해진다. 우리나라에서도 달 착륙이 조작되었다는 주장을 지지하는 사람들이 상당수 있다고 한다. 그들은 아폴로 우주선이 보내온 영상과 사진이 실제로는 지구에서 가상으로 촬영된 것이라고 주장한다.

‘달에는 공기가 없는데도 성조기가 펄럭였다’, ‘그림자의 방향이 일정하지 않다’, ‘달의 암석에 특별한 마크가 표시되어 있었다’는 등 조작설을 주장하는 사람들이 그 근거로 주장하는 내용은 무척 많다. 하지만 중요한 것은 그들이 제시하는 영상물들 중 상당 부분은 실제로 NASA가 공식적으로 발표한 것이 아니라는 것이다.

그리고 달 착륙의 가장 중요한 증거는 당시 아폴로 우주인들이 달 표면에 설치한 반사판이다. 지금도 레이저 광선을 이 반사판에 반사시켜 달까지의 거리를 측정하고 있다는 사실은 아폴로 우주선의 착륙을 뒷받침하는 결정적인 증거이다.

아폴로 11호가 설치한 레이저 반사판. Ⓒ NASA

지금까지 레이저 반사판이 설치된 곳은 총 5곳이다. Ⓒ NASA

달 탐사의 역사

달 탐사는 미국과 러시아(옛날 소련)의 자존심을 건 대결이었다. 러시아는 1959년 루나 1호, 2호, 3호로 불리는 세 개의 무인 달 탐사선을 발사했다. 그중 루나 1호는 최초로 달 궤도에 진입했고, 루나 2호는 달 표면에 충돌하는 최초의 인조물이 되었다. 그리고 루나 3호는 처음으로 달의 뒷면 사진을 찍는데 성공했다. 미국은 러시아보다 5년 늦은 1964년에야 레인저 7호를 이용하여 달의 근접 사진을 찍는데 성공하였다. 미국은 이 탐사선을 이용하여 달에 대기가 없고 딱딱한 표면만이 있다는 것을 밝혀냈다.

최초의 달 탐사선 루나 1호. Ⓒ en.wikipedia.org

1966년 2월 3일에는 러시아의 루나 9호가 달에 착륙하는데 성공하였으며, 같은 해 루나 10호는 달 표면에 착륙하여 3시간 이상 달 표면의 방사능을 측정했다. 이때 달 표면의 암석이 지구 바닷속의 현무암과 비슷하다는 것이 밝혀졌다.

미국이 달에 처음으로 착륙시킨 우주선은 1966년 6월 1일의 ‘서베이어 1호’였다. 그리고 미국은 그해 8월 달 주위를 원 궤도로 도는 첫 궤도 탐사선을 발사하여 달의 전면을 자세하게 촬영하였다.

미국은 1968년 10월 아폴로 7호를 시작으로 본격적인 달 착륙 작전에 들어갔다. 그리고 그해 7월 20일, 드디어 아폴로 11호가 최초로 달에 인류를 착륙 시키는 데 성공한다. 아폴로 11호의 선장이었던 닐 암스트롱은 다른 천체의 흙을 밟은 최초의 인간으로 기네스북에 올라가는 영예를 누리가 되었다. 그리고 그가 남긴 “이것은 한 사람에게는 작은 한 걸음에 지나지 않지만, 인류에게 있어서는 위대한 도약이다.(That’s one small step for a man, one giant leap for mankind.)”라는 말은 우주 개발사에 있어서 가장 유명한 대사가 되었다.

아폴로 11호의 달 착륙 사진. Ⓒ NASA

아폴로 11호의 성공으로 미국은 구소련에게 짓밟혔던 자존심을 회복했을 뿐 아니라, 인류에게 우주에 대한 새로운 희망의 메시지를 전달하게 되었다. 그 후 아폴로 13호가 산소 탱크 폭발로 중간에서 귀환하기도 하였지만, 1972년까지 아폴로 11호에서 17호까지 총 12명의 우주인을 태운 6대의 우주선이 달에 착륙하여 달 표면을 탐사하고 많은 실험과 달의 토양 샘플을 가지고 지구로 귀환하였다.

1972년 이후 미국은 막대한 예산이 소요되는 아폴로 계획을 중단하였다. 아폴로 계획을 통해 더 이상 달에서 얻을 것이 없다고 판단한 NASA는 인간이 달에 상주하기 위한 기술이 개발될 때까지 달 탐사를 연기하기로 한 것이다.

미국은 1990년대에 이르러 다시 달 탐사를 재개하였다. NASA가 계획하는 달 탐사의 최종 목표는 달에 우주 기지를 건설하는 것이다. 클레멘타인, 루나 프로스펙터 등이 달 기지 건설을 위한 전초 작업으로 보다 자세한 달 탐사를 시도했다.

NASA가 제시하는 달 개발 모델은 4단계로 이루어져 있다. 1단계 무인 탐사선을 이용한 달 관측, 2단계 달 기지 건설과 인간 거주, 3단계 인간의 상주와 자원 활용, 4단계 인간의 정착 시대로 이어진다.

무인 탐사 단계에서는 원격 조정 기술 실험, 월면차 개발, 기지 선정 및 토양 분석 등을 통한 자원 분포 지도를 만든다. 유인 거주 초기에는 며칠씩 계속되는 낮 기간에만 거주하고 나중에는 주야가 바뀌는 1개월 이상 거주한다.

NASA가 계획하는 달 기지의 모습. Ⓒ ESA /Pierre Carril

달 기지에는 지름 4~5m, 길이 15m 정도의 원통형 거주동과 실험동, 식물동 등이 갖춰진다. 이때까지 모든 식량은 지구에서 수송된다. 그리고 자원 채굴을 위한 플랜트 공장을 달에 건설한다. 이 공장에서는 여러 대의 월면차와 로봇을 이용한다.

100명 이상의 인간이 거주하는 시대가 되면 달에서 얻을 수 없는 수소를 제외한 모든 생활용품은 달에서 직접 생산된다. 이후 달 기지는 점차 우주 도시화되고 달에서 만든 첨단 제품들이 지구로 수출된다.

2024년 아르테미스 계획은 과연 성공할 수 있을까?

과거 오바마 대통령 시절 NASA의 최고 목표는 유인 화성 탐사였다. 하지만 트럼프 대통령이 당선되면서 NASA의 유인 탐사 목적지는 달로 변경되었다. 아폴로 프로젝트처럼 단순히 발을 디디는 수준이 아닌 기지를 건설하고 자원을 개발하기 위해서는 비용과 효율성 면에서 달 탐사가 화성 탐사에 비해 훨씬 유리하고, 성공 가능성도 높다는 판단 때문이었다.

트럼프 미국 대통령은 2017년 나사의 유인 달 착륙을 승인하는 우주 정책 지침 1호에 사인하면서 1993년에 폐지된 국가우주위원회를 부활시켰다. 그리고 2019년 3월 국가우주위원회의 위원장인 마이크 펜스 부통령은 달 유인 착륙의 기한을 5년으로 명확하게 발표하였다. 2024년 유인 우주선의 달 착륙이 공식적으로 확정된 순간이었다.

NASA는 2019년 5월 13일 월요 브리핑에서 2024년 달에 착륙하기 위한 프로젝트의 공식 명칭을 ‘아르테미스 프로그램’으로 발표하였다. 그리스 신화 속에서 아폴로의 쌍둥이 여동생으로 등장하는 달의 여신 아르테미스에서 그 이름을 따온 것이다. 1960년대의 아폴로 계획에 이은 후속 계획이라는 의미와 더불어 최초의 여성 우주인을 달에 보내겠다는 목표가 함께 포함된 이름이다.

아폴로 계획과 아르테미스 계획의 가장 큰 차이점 중 하나는 지구에서 출발한 우주선을 달에 바로 착륙시키는 것이 아니라 달 궤도에 있는 우주정거장(Lunar Gateway)으로 보내고, 이후에 다시 달 표면에 착륙선을 내려보낸다는 것이다. 지구에서 달까지 가는 것은 NASA의 오리온 우주선을 이용하고, 우주정거장에서 달 표면에 착륙하는 것은 민간 우주기업에서 개발하고 있는 착륙선을 이용한다.

NASA가 개발하고 있는 달 탐사 유인 우주선 오리온은 아폴로 우주선에 비해 2배 정도 큰 규모로 6명이 탑승할 수 있다. 현재까지 다섯 차례의 테스트를 통과한 오리온 우주선을 이용하여 미국은 2021년과 2023년 두 차례의 유인 시험 비행(아르테미스 1호, 2호)을 거쳐 2024년 10월 아르테미스 3호를 달로 보낼 계획이다. 이후 2030년 아르테미스 9호까지 총 7대의 유인 우주선을 달에 보낼 계획이다.

아르테미스  3호의 비행 궤도. Ⓒ ESA

오리온 우주선의 모습 © NASA/Sierra Nevada Corp

NASA는 달에 기지가 건설될 경우 행성 탐사의 중간 기지로서의 역할뿐만 아니라 다양한 자원을 지구로 가져오는 에너지 보급소의 역할도 할 것으로 기대하고 있다. 하지만 실제로 달의 자원 개발에 대해 경제성이 있느냐에 대한 회의론도 많은 것이 사실이다. 또한 미국, 중국, 러시아의 과도한 자원 확보 경쟁으로 인해 달이 과도하게 상업화되고, 선진국에 의해 우주 자원이 독점되는 사태가 벌어지는 것에 대한 우려도 있다.

이미 미국을 포함하여 많은 국가와 기업이 NASA를 중심으로 52년 만의 유인 달 착륙 프로젝트인 아르테미스 프로그램에 참여하고 있다. 비록 작은 시행착오나 문제가 발생할 수는 있겠지만 계획 자체가 취소될 수는 없을 것이다. 다만 코로나 사태로 인한 경제적 어려움 속에서 아르테미스 프로그램에 소요되는 수백억 달러를 제때 조달할 수 있을지가 가장 큰 걱정거리이자 문제일 뿐이다.

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