기획·칼럼

화성을 제2의 지구로 만드는 것이 가능할까?

[우주라이크 사이언스] (4) 착륙 방법, 이동 경로 등 확정돼야

지난 10월 아이언맨의 주인공으로 알려진 스페이스X의 최고경영자 일론 머스크는 국제화성학회의 온라인 인터뷰를 통해 자체적으로 개발한 스타십 우주선을 이용하여 2024년에 화성 탐사에 나설 것이라고 발표했다. 일론 머스크의 최종 목표는 100명이 탈 수 있는 우주선을 만들어 2050년까지 화성에 100만 명을 이주시키는 것이다.

2024년 달의 유인 탐사에 전념하고 있는 미국항공우주국(NASA)은 달 탐사를 발판으로 오는 2030년대 말까지 화성에 유인 탐사선을 보내는 것을 목표로 하고 있다. 태양계에서 지구와 가장 비슷한 환경을 가진 것으로 알려진 화성, 과연 인류가 화성에 정착하고 화성을 제2의 지구로 만드는 것이 가능한 일일까?

인류는 언제쯤 화성에 갈 수 있을까?

2019년 NASA가 미국 과학기술정책연구소(STPI)에 의뢰하여 만든 보고서에 의하면 현재의 기술과 예산으로는 2037년 이전에 화성에 유인 탐사선을 보내는 것은 거의 불가능하다고 평가되었다. 특히 우주인이 화성까지 왕복하는 데 사용하는 장거리 우주선(Deep Space Transport, DST)과 관련된 기술이 아직은 많이 부족하다.

화성까지 가는 장거리 우주선은 달까지 가는 우주선에 비해 크기나 무게가 훨씬 커야 한다. 그에 따라 새로운 로켓도 개발되어야 한다. 또한 직접 화성에 우주선을 착륙시킬 것인지, 아니면 달의 게이트웨이와 마찬가지로 화성 궤도에 우주정거장을 만들고 그곳에서 착륙선을 내려보낼 것인지도 확정해야 한다.

우선 화성까지 가는 시간을 줄일 수 있는 강력한 엔진이 필요하다. 현재 지구에서 화성까지 가는 탐사선들의 비행시간은 최소 6개월 이상이다. NASA는 이 시간을 줄이기 위해 핵을 이용한 강력한 엔진을 개발 중이다. 이동 시간을 줄인다는 것은 그만큼 위험을 줄이고 인간의 화성 탐사 가능성을 높이는 요소가 될 전망이다.

NASA가 개발 중인 장거리 우주선 DST의 상상도. ⒸNASA

화성 탐사에서 가장 중요한 요소 중의 하나는 바로 착륙 기술이다. 지금까지 화성에 착륙한 탐사선의 무게는 모두 1톤을 넘지 않았다. 그마저도 착륙에 성공하지 못하고 표면에 충돌하여 임무를 실패한 우주선들이 많았다. 아폴로 11호의 착륙선인 이글호의 무게가 15톤이 넘었기 때문에 화성 착륙선의 무게는 그 이상이 될 수도 있다. NASA는 화성의 대기를 이용하여 최대한 안전하게 착륙하는 방법을 연구하고 있다. 현재로서는 풍선처럼 부풀어 오를 수 있는 착륙선이 고려되고 있다.

이외에도 화성 표면에서 활동하기 편한 고기능의 우주복과 우주인이 몇 개월 이상을 머물 수 있는 공간이 필요하다. 현재로서는 주택과 차량의 기능을 결합한 로버 형태의 이동식 주택이 연구되고 있다.

이동식 주택 로버. ⒸNASA

지구와의 통신은 대용량 정보를 주고받을 수 있는 레이저 통신이 이용될 전망이다. 레이저 통신은 화성 궤도를 도는 중계 위성을 이용하여 고해상도의 사진과 영상을 실시간으로 주고받게 된다. 화성에서의 전기는 핵분열 발전기를 이용하여 공급될 계획이다. 영화 마션에 나오는 태양광 발전으로는 충분한 전기 확보가 어렵다. NASA는 이미 큐리오시티 로버에 핵분열 발전기를 장착하여 이미 운영하고 있다.

화성과 지구 사이의 레이저 통신. ⒸNASA 고다드 비행센터

이외에도 우주 방사선으로부터 우주인을 보호하는 방법, 밀폐된 우주 공간에서 우주인들이 건강을 유지할 수 있는 방법 등 장거리 우주여행에 필요한 기술들도 개발되어야 한다. 그리고 그 개발된 기술을 이용하여 우주선을 만들고 여러 가지 테스트를 하는데 만 최소 10년 이상이 소요될 것으로 예상된다. 일단 NASA는 2024년 이후 달에서의 유인 탐사가 본격적으로 시작되면, 그 기술을 바탕으로 화성 유인 탐사의 일정을 최종 확정할 예정이다.

가장 중요한 것은 이들 기술을 개발하고 실제로 화성까지 인류를 보내는데 필요한 자금을 확보하는 것이다. 원화로 최소 수백조 원이 필요한 사업이다.

과연 화성까지 갔다 오려면 어느 정도의 시간이 필요할까?

지구에서 화성까지 왕복하는 데는 현재 두 가지 경로가 알려져 있다.

하나는 지구와 화성이 가장 가까워지는 때를 기다려 우주선을 보내는 것이다. 지구와 화성은 2년 2개월마다 가장 가까워지는데 이것을 회합주기라고 한다. 이 경우 편도 비행에 6개월 정도가 소요되지만 화성에서 다음 회합주기까지 기다리기 위해 약 1년 반을 기다려야 한다. 따라서 화성까지 왕복에 소요되는 전체 시간은 가는데 6개월, 화성에서 머무는 시간 1년 6개월, 오는데 6개월을 합해 총 2년 반, 날짜로는 900일 이상이 걸리는 긴 시간이다.

지구와 화성까지의 거리는 매 회합주기마다 조금씩 차이가 나는데 약 15년마다 가장 가까이 접근한다. 2018년과 2020년이 가장 가까워진 때였고, 다음에 가장 가까워지는 시기는 2033년과 2035년이다. 이때 탐사선을 발사하지 못하면 그만큼 더 많은 시간과 비용을 들여야 한다는 뜻이다.

2014년부터 2061년까지의 지구와 화성 사이의 최소거리. y축 거리 단위는 AU(지구와 태양 사이 거리로 1AU=1억 5000만km). ⓒ  https://en.wikipedia.org/

다른 하나는 화성으로 갈 때나 올 때 중 한번 금성을 지나는 것이다. 이 경우 우주선이 금성의 중력을 이용하여 궤도를 수정하면 연료나 무게를 줄일 수 있기 때문에 시간과 비용이 상당 부분 절약된다. 물론 금성을 지나면서 인간이 직접 금성을 자세히 관찰하고 연구할 수 있는 부대적인 기회를 가질 수도 있다.

화성 유인 탐사 경로. ⒸNASA

회합주기를 이용하는 미션은 합(Conjunciton) 미션이라고 하는데 26개월마다 창이 열린다. 금성의 중력을 이용하는 충(opposition) 미션은 19개월마다 창이 열린다. 왕복 비행시간은 충 미션이 합 미션에 비해 8달 이상 더 걸리지만 화성에 머무는 시간을 40일 정도로 줄일 수 있기 때문에 미션에 걸리는 총 시간은 660일 정도로 줄일 수 있다.

금성의 대기에 생명체의 흔적인 인화수소가 발견되면서 금성을 통과하는 화성 탐사에 대한 효용성이 더 많이 논의되고 있다. 하지만 비행시간이 길다는 것은 그만큼 위험 요소가 많다는 뜻이기도 하다. 아직 화성 유인 탐사에 대한 정확한 궤도나 방법이 확정된 것은 없다.

영화 마션의 거짓과 진실

2015년 가을 개봉한 영화 마션은 화성을 주제로 한 영화 중 과학적 고증을 통해 가장 현실과 가깝게 만들어진 영화로 알려지면서 500만 명 가까운 관람객을 동원하였다. 그렇다면 영화 속 이야기는 과학적으로 얼마나 맞는 이야기일까? 마션 속 거짓과 진실에 대해 몇 가지만 알아보기로 하자.

1. 영화 속 모래 폭풍

1970년대 화성 탐사 이후 수년에 한 번씩 화성 표면의 절반 가까운 면적을 덮는 강한 모래 폭풍이 관측됐다. 특히 지난 2018년 여름에는 화성에서 15년 동안 활동했던 오퍼튜니티 로버가 모래 폭풍으로 인해 태양광 패널이 작동 불능이 되면서 결국 배터리가 방전되어 임무를 끝내기도 하였다.

NASA의 화성 대기 탐사선인 MAVEN(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN)은 수년 전 화성의 모래 폭풍이 표면의 수증기를 80km 위까지 끌어올린다는 것을 확인하였다. 화성의 한 해를 기준으로 3년(지구 기준으로 5년 반)에 한 번꼴로 거대한 모래 폭풍이 발생하는데, 아직 그 정확한 원인이나 성분에 대해서는 알지 못한다.

그렇다면 화성의 모래 폭풍 속에 들어가면 정말 영화에서처럼 사람이 움직이기 힘들 정도로 강력한 바람이 불까? 정답은 그런 강한 바람은 불가능하다는 것이다.

화성의 대기 농도는 지구의 1% 정도로 매우 희박하다. 따라서 시속 100km(초속 28m)의 강력한 폭풍이 불어도 사람이 느끼는 정도는 지구에서 부는 시속 10km(초속 2.8m) 정도의 바람에도 미치지 못한다. 지금까지 화성에서 관측된 가장 강력한 폭풍의 풍속은 초속 26.8m(시속 96.5km)로 지구에서 부는 태풍의 절반 이하이다. 실제로 탐사 로버의 태양광 패널이 모래에 묻혀 작동을 멈춘 적은 있어도 탐사선이나 로버가 날아가거나 쓰러진 적은 없다.

마션 영화 속 모래 폭풍. Ⓒ영화 마션

2. 화성의 중력과 기압

화성의 중력은 지구의 1/3로 몸무게 90kg인 사람도 화성에서는 30kg 정도밖에 느끼지 못하기 때문에 움직임이 지구와 같을 수가 없다. 또한 화성의 기압은 지구에 비하면 1% 정도 밖에 되지 않는다. 이 정도 기압에서는 물이 액체 상태로 존재할 수 없기 때문에 피가 나도 바로 증발해 버린다.

가장 중요한 것은 이 정도 기압이면 거의 진공과 같다는 것이다. 영화 속에서 폭발 사고 후에 비닐과 테이프로 통로를 막아서 주인공이 머무는 곳과 외부를 단절시키는 장면이 나오는데 이것은 거의 불가능한 장면이다. 기지 내부에 비하면 외부는 거의 진공과 같기 때문에 기지 밖에 바람이 불고 비닐이 펄럭이는 장면은 불가능하다. 실제로는 마치 진공청소기로 외부에서 빨아들이듯이 비닐이 밖으로 팽창하게 될 것이며, 테이프로 그 압력을 버티는 것도 거의 불가능하다.

마션 영화 속 기지 모습. Ⓒ영화 마션

3. 화성에서의 감자 재배

주인공은 화성에서 감자를 키우기 위해 로켓의 연료인 하이드라진을 태워 물을 만든다. 실제로 감자를 키울 정도로 많은 물을 얻는다는 것은 거의 불가능한 일이다. 현실적으로 보면 화성의 흙에 포함된 2% 정도의 물을 얻는 것이 더 가능성이 있다. NASA에서는 화성에서 수경재배로 야채를 생산하는 방법을 연구하고 있다.

마션 영화에서 감자를 재배하는 모습. Ⓒ영화 마션

4. 화성에서의 붉은 노을

영화에서는 주인공이 해가 지는 붉은 하늘을 배경으로 앉아 있는 장면이 자주 등장한다. 하지만 화성에서는 지구처럼 붉은 노을을 볼 수 없다. 노을이 붉은빛으로 보이기 위해서는 햇빛을 산란시킬 수 있는 충분한 대기가 있어야 한다. 파장이 짧은 푸른빛이 대기에 부딪혀 산란되고, 남은 붉은빛 만이 먼 거리까지 도달하여 노을이 붉게 보이는 것이다.

화성 탐사 로버가 촬영한 화성의 노을은 푸른빛이다. 화성에서는 대기 입자들이 많은 지평선 근처에서만 햇빛이 조금 산란된다. 따라서 해가 지평선 근처에 있을 때만 하늘이 옅은 푸른빛을 띤다.

영화 속 노을 장면 Ⓒ 영화 마션

Curiosity 로버가 촬영한 화성의 노을 Ⓒ NASA

 

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