기획·칼럼

화성 탐사는 왜 이렇게 어려울까?

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] NASA의 디스커버리 프로그램(2) 마스 패스파인더

NASA ‘디스커버리 계획’중 두 번째 계획으로 선정된 임무는 마스 패스파인더 (Mars Pathfinder) 프로젝트였다.

마스 패스파인더는 1997년에 화성에 착륙한 무인 착륙선 패스파인더(후에 칼 세이건 기지로 명명됨)와 6개의 바퀴를 가지고 있는 인류의 첫 번째 화성 로버 소저너를 함께 지칭하는 말이다. 

패스파인더와 소저너의 모습 © NASA/JPL

마스 패스파인더는 이미 우리에게도 참 친숙한 존재이다. 미국의 SF 소설을 바탕으로 만든 영화 마션에서 주인공 마크 와트니가 화성에서 찾아낸 물체가 바로 마스 패스파인더이기 때문이다. 

마크 와트니는 일주일이나 로버를 몰고 가서 패스파인더를 기지로 가지고 온 후 기지안의 배터리와 연결한 후 작동시킨다. 이는 곧 지구와 화성 간의 유일한 소통 수단이 되었다. 소저너 역시 마크 와트니가 재미있게 가지고 놀곤 했다.

이외에도 화성 조난 관련 여러 만화와 소설에서 지구와의 통신을 위해서 적절한 소재로 사용되곤 했다.

영화 마션에서의 패스파인더와 소저너의 모습 © 영화 마션

소저너는 인류 최초의 화성 로버이지만, 무인 착륙선은 이미 2번이나 성공적으로 화성을 탐사했던 NASA 바이킹 계획에 이은 NASA의 3번째 화성 착륙선이었다. 

마스 패스파인더는 화성의 대기권에 진입한 후 낙하산을 펼치면서 감속했다. 동시에 거대한 에어백을 펼치면서 지면에 부딪히는 방식으로 착륙 속도를 줄이고 안전하게 도착하는 기법인 리쏘브레이킹(Lithobraking)방식을 사용하면서 아레스 협곡에 착륙했다. 

에어백을 이용한 리쏘브레이킹 기법 © NASA/JPL

이 기법은 20년 전에 이미 성공한 바이킹 계획의 역분사 엔진을 이용한 기법에 비해서 다소 저렴한 계획일 순 있지만, 디스커버리 계획의 기본적인 모토인 ‘더 빠르고, 더 뛰어나며, 더 저렴하게’를 생각하면 적절한 선택이었다.

하지만 성공보다 실패가 더 많았던 화성 탐사를 생각해보면 리쏘브레이킹 기법은 상당한 모험이었다.

에어백을 이용한 이 기술의 성공 후, 다음 쌍둥이 화성 로버들인 스피릿과 오퍼튜니티도 같은 방식으로 화성에 착륙했다.  

패스파인더와 소저너의 예상 활동 기간은 1주일 정도였지만 실제로는 대략 3개월 정도 활동했다. 소저너가 열심히 탐사활동을 할 때 패스파인더는 초미니 기지 겸 지상관측소 역할을 하며 소저너가 수집한 정보와 탐사 내역을 지구로 전송하는 중간 기점 역할을 했다. 

패스파인더와 소저너의 화성 착륙 모습 © NASA/JPL

특히나 착륙선에는 화성의 토양을 분석하기 위한 여러 종류의 기구들과 특수 카메라들이 탑재되었으며, 온도 및 기압 심지어 풍속까지 측정가능한 기계를 수반하고 있었다. 소저너는 탐사활동을 하며 돌아다닐 계획이었기에 토양이나 암석의 성분을 분석하는 분광기를 탑재했다.

소저너의 이동속도는 초속 1cm인데, 비교적 느리지만 열심히 탐사하면서 1만 장 이상의 화성 표면 사진과 대기 정보 등을 수집했다. 

마스패스파인더 임무의 가장 큰 성과라면, 이들의 착륙 지점인 아레스 협곡이 300만 년전 쯤 발생한 홍수로 인하여 침식작용을 받았다는 사실을 밝혀냈다는 점이다. 이를 통해서 화성에 물이 존재했다는 사실이 확인되었기 때문이다. 

또한 소저너가 가지고 있는 분광기를 통해서 규산염이나 유황이 다량 함유된 암석을 발견했는데 이는 화성에서의 화산활동이나 지각변동을 암시해 주는 증거들이다. 

사실 화성 탐사는 그간 실패 사례를 보면 쉽지 않은 미션임이 분명하다. 미션 시작부터 문제가 생겼던 프로젝트들도 있었고 미션을 끝까지 마치지 못하는 경우도 대부분이었다. 1960년도부터 이미 활발해진 화성 탐사이고 인류는 그간 무려 40개가 넘는 탐사선을 화성에 보내왔지만, 절반 훨씬 이상의 화성 프로젝트들이 실패했다.

예를 들어서 마스 옵저버(Mars Observer)는 마스 패스파인더가 화성으로 가기 전 시작된 NASA의 첫 번째 옵저버 계획 임무였는데, 화성 궤도에 들어가기 직전 통신이 두절되는 바람에 탐사는 실패로 끝이 났다. 이 때문에 NASA의 전체적인 옵저버 계획 임무가 취소되어버렸다. 

이처럼 몇몇의 임무들은 확인된 기술적 결함으로 인해서 실패했지만, 몇몇 임무들은 실패 이유조차 알 수가 없었다. 하지만, 마스 옵저버의 실패는 다음 프로젝트의 성공으로 이어졌다. 마스 옵저버에 이용되었던 여러 기구들은 여러 가지 점검 후 마스 글로벌 서베이어(Mars Global Surveyor) 임무에 이용되었기 때문이다. 

마스 글로벌 서베이어는 2006년까지 성공적으로 임무를 완수하고 여전히 추가적인 임무를 수행하고 있다.

예를 들면, 화성에 물이 있음을 밝히고자 물과 얼음이 풍부한 화성 북극으로 떠났던 피닉스 프로젝트와 큐리오시티 로버의 착륙 장소를 살피곤 했다. 현재는 큐리오시티를 포함한 대략 10개의 화성 탐사 임무들이 수행 중인데, 올해도 퍼서비어런스의 새 화성 탐사가 시작될 전망이다. 

스피릿과 큐리오시티가 보내온 화성의 모습 © NASA/JPL

화성 탐사는 왜 이렇게 어려울까? 먼저 지구와 화성까지의 거리는 지구-달 거리의 무려 100배가 넘는다. 우주를 비행하는 탐사선들은 태양, 행성, 그리고 위성들의 중력 때문에 직선으로 날아가지 못하고 타원형의 궤도를 돌면서 여행을 한다.

또한 지구와 화성의 공전 주기와 공전 궤도의 차이로 인해 지구에서 화성까지의 거리는 지속적으로 변화하는데, 지구-화성까지의 거리가 짧아지는 시기가 아니라면 먼저 금성에 다가가 가속한 후 화성에 진입하는 경우도 생긴다. 따라서 실제로는 수억 km가 넘는 거리를 비행해야 한다.

가혹한 우주환경 속에서 최소한 8개월 이상 버티며 온전히 화성에 도착하는 것은 매우 어려운 미션이다. 또한 착륙할 때의 안전성도 화성 탐사의 어려움을 가중시키는 요소이다. 현재의 눈부신 과학기술로도 화성에서 다시 지구로의 귀환은 불가능에 가깝다.

다행인 점은 국가 차원이 아닌 민간 기업들 역시 화성에 대한 유인 탐사를 가시화하고 있다는 점이다. 이러한 추세는 민간자금의 투자를 증가시킬 뿐 아니라 많은 예산 문제를 해소하고 있기에 더없이 반가운 소식이 아닐 수 없다.

유럽의 Marsone계획 상상도 © mars-one.com

인류는 과연 화성을 정복할 수 있을까? 영화 인터스텔라의 명대사처럼 인류는 어떠한 어려움 속에서도 항상 답을 찾아왔다. 화성 정복에 관한 어려움 속에도 인류는 결국 답을 찾을 것으로 기대된다.

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