기획·칼럼

토성의 달 타이탄에 대형 드론이 뜬다

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] NASA 뉴프런티어 프로그램 (4) 드래곤플라이

카시니-하위헌스호는 주로 토성 고리의 입체적인 구조와 원리 그리고 그의 위성들을 탐사하기 위하여 미항공우주국 (NASA)과 유럽우주국(ESA)이 공동으로 준비한 무인 토성 탐사 프로젝트이다.

카시니호는 2008년 7월 성공적으로 임무를 마친후, 이름과 임무를  2번이나 변경 (카시니 이쿼녹스 미션 -> 카시니 솔스티스 미션) 하면서 임무를 연장했다.

총 3번의 성공적인 임무 완수 끝에 카시니호는 2017년 9월 15일 그의 마지막 임무인 ‘그랜드 피날레’ 임무를 성공적으로 수행하였다. 카시니호는 토성의 대기권으로 진입하면서 토성 650km 상공에서 산화하였고, 마침내 토성의 일부가 되면서 그의 임무를 종료했다.

카시니호의 그랜드 피날레 상상도 © NASA/JPL

총 600GB 이상의 자료를 지구에 전송하면서 사상 초유의 성공을 거둔 카시니호 탐사선이 보낸 자료를 바탕으로 NASA는 다음 후속 프로젝트를 준비했다. 2019년 6월, NASA의 국장 짐 브라이든스틴은 “NASA는 누구도 할 수 없는 일을 하게 될 것”이라고 호언장담하면서, NASA 뉴프런티어 프로그램의 네 번째 프로그램으로 토성의 위성 타이탄 탐사 계획 ‘드래곤플라이(Dragongfly)’를 발표했다.

토성의 위성 타이탄 탐사 계획이 발표되자 많은 사람들이 놀랐다. 드래곤플라이 프로젝트는 바로 드론을 이용할 예정이기 때문이다. 보다 정확히는 공중을 날아다니는 드론과 지상을 이동하는 로버가 합쳐질 예정이다.

드래곤플라이의 상상도 © NASA

NASA에 따르면 드래곤플라이탐사선은 화성 로버 형태를 갖추고 있지만 8개의 날개를 가지고 있어서 수직 이착륙이 가능하며, 탐사 목표물 사이를 날아다닐 수 있다.

잠자리의 비행 능력은 곤충은 물론 조류를 포함해도 최상급 수준이다. 날개마다 신경을 가지고 있고, 날개를 움직이는 근육도 자유자재로 움직일 수 있다. 또한 급선회, 급강하, 급상승 등의 고급 비행 기술을 이용한 모든 비행이 가능하다. 바로 이점에 착안하여 탐사선의 이름도 드래곤플라이로 명명되었다.

드래곤플라이 탐사선 또한 역시 비행 기술들이 모두 가능하며 위기 상황에서의 대처능력도 상당히 준수한 수준으로 알려져 있다. 더 기대되는 점은 예상 이동거리가 170km 정도로 상상했던 이상이라는 점이다.

2020년 7월경에 화성에 보내질 퍼서비어런스는 이 모델의 좋은 스승이 될 전망이다. 퍼서비어런스도 화성 헬리콥터와 함께 할 예정인데, 이 비행이 성공한다면 드래곤플라이의 토성 비행도 성공할 확률이 높아질 가능성이 높다. 타이탄의 대기 밀도는 대략 지구의 5배이며 중력은 1.352 m/s²로 지구의 1/7수준이기에 지구의 대기와는 상당히 다르다. 화성의 대기 역시 지구의 대기와 상당히 다르기에 화성에서의 선 실험이 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

NASA가 이 거대하고 멋진 프로젝트의 대상을 타이탄으로 정한 데에는 타당한 이유가 있다. 타이탄은 목성의 위성 가니메데에 이어서 태양계에서 두 번째로 큰 위성이다. 타이탄은 심지어 행성인 수성보다도 크다.

카시니탐사선이 가시광선/적외선 분광계를 통해서 얻은 자료들의 여러 조각들을 모아서 만든 타이탄의 모습, 왼쪽부터 2005년 10월, 2005년 12월, 2006년 1월 © NASA/JPL/University of Arizona

타이탄은 여러 가지 이유로 생명체가 존재할 수도 있는 위성으로 여겨지고 있다. 이 모든 예측은 카시니-하위헌스호의 기여로 가능해졌다. 하위헌스호에 탑재된 하위헌스 탐측기(Huygens Probe)를 통해서 타이탄의 극지방에서 강, 바다, 호수, 그리고 삼각주 등을 발견했다. 놀라운 점은 지구에서의 물의 순환을 통한 비가 내리는 것처럼 타이탄에서는 메테인비가 내린다는 점이다. 타이탄은 표면 온도가 매우 낮아 상온에서 기체인 메테인이 액체로 존재한다.

타이탄의 대기 환경은 주로 질소(~95%), 메테인(~5%) , 그리고 수소(~0.1%) 등으로 구성되어 있다. 이는 낮은 온도만 제외하면 원시 지구와 비슷하기에 타이탄의 지표면이나 지하에도 원시 지구처럼 얼음이 존재할 가능성이 있다고 추정된다.

이미 타이탄의 대기에 존재하고 있음이 밝혀진 벤젠고리로 구성된 다환방향족탄화수소(PAH)들은 자외선을 받을 시 아주 낮은 온도에도 더 복잡하고 다양한 유기물을 만들어 낼 수 있음이 밝혀졌다. 타이탄의 대기에 풍부한 유기물들이 타이탄의 극한 환경에서도 생체 분자인 DNA나 RNA와 비슷한 구조의 유기 화합물을 만들어질 수 있음이 밝혀진다면,  혹시 존재할지 모르는 원시생명체의 기원을 규명해 줄 수 있을 것이라고 예측된다.

드래곤플라이는 2026년 발사 예정이며 2034년이나 되어서야 토성 부근에 도착할 수 있을 것으로 예상이다. 드래곤플라이는 토성의 근처에서 기다리면서 타이탄의 날씨가 가장 평온할 때 적도 인근 샹그릴라 사구에 낙하산을 이용해 착륙할 예정이다. 착륙 후 비행모드로 전환하여 탐사지를 계속해서 옮겨 다니며 조사를 진행하고 샘플을 회수할 예정이다.

드래곤플라이의 이동 탐사 상상도 © NASA

드래곤플라이의 최종 목적지는 지름 80km 크기의 셀크(Selk) 분화구이다. 이 분화구는 과거 혜성이나 소행성이 타이탄에 충돌해서 생긴 분화구로 추정되며 탄소와 질소가 포함되어 있을 것이라고 예측되는 곳이다.

드래곤플라이는 대략 2년 7개월간 타이탄의 대기를 날아다니면서 다양한 유기 화합물을 발견하고 생명체 기원에 대한 새로운 단서들을 제공해 줄 것으로 기대된다. 짙은 대기로 가려진 타이탄에는 과연 어떠한 생명체가 살고 있을까? 카시니호가 어마어마한 자료를 보내와서 드래곤플라이 프로젝트가 시작된 것처럼, 드래곤플라이가 가져다줄 엄청난 결과를 바탕으로 다시 시작 될 후속 프로젝트가 벌써부터 기대된다.

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