화성 유인 탐사 계획

화성 유인 탐사 계획

출처 : http://www.pyroshot.pe.kr/sf/arc/980601f.htm

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"인류는 1996년을 새로운 화성의 새벽으로 회고할 것이다."

 

- David S. F. Portree

  화성의 세기, 미래의 역사가들은 21세기를 그렇게 부를 것이다. 그들은 화성의 세기의 시작을 21세기 몇 년 전인 1996년 8월 6일로 기록할 것인데, 과학자들이 화성의 운석에서 고대 생명체의 흔적의 가능성을 발표했을 때였다. 미래의 역사가들은 화성의 붉은 모래의 첫번째 발자국, 첫번째 정착지, 또 화성 고대 생명체 문제에 대한 궁극적인 해답을 갖고서 그 위에서 회고할 것이다.

  작년 8월까지, 우주인과 기술자들은 화성의 세기의 개념을 공식적으로 표현하기 를 주저했었다. 그러나 지금은, - 그들은 감자 크기의 화성 운석에 감사해야 한다 - NASA 는 공식적 자금 지원과 관심을 받고 있다.

  휴스턴에서 열린 미국 천문학회(AAS) 회합 때 Michael Mott는, "화성은 미래 우주 탐험의 보석 박힌 왕관이 될 것이다... 최고의 우주 탐사 도구는 우주 헬멧의 창을 통해 바라보는 한 쌍의 눈이다/"라고 말했으며, NASA 진보적 프로젝트 국장인 Elric McHenry는 항공우주 전문가 모임에서 한 술 더떠서, "결국 화성 정착지야말로... 현재 우리 계획의 지도적 원리이다."라고 말했다.

  NASA는 화성 유인 탐사 시기가 2004년까지는 결정될 것이라고 한다. 이것은 서베이어 탐사선과 10년 화성 탐사 시리즈 중에 결정될 것이다. - 아마 2011년이 그 발사일이 될 것이다.

  화성 유인 탐사의 4가지 도전점은,

 

• 오랫동안 저중력 환경에 노출된다,
• 막대한 양의 복사에 노출된다,
• 화학적으로 매우 반응성이 높은 화성의 토양을 다룬다,
• 화성의 생명에 의해 오염될 가능성이 있다,

는 것이다.

  휴스턴의 달과 행성 연구소(LPI) 과학자인 Michael Duke는, "우리는 사람을 보낼 필요성을 보여주어야 한다. 더 이상 호기심만 가지고 유인 탐사를 제안하는 것은 충분치 않다."고 말한다. 그는 로봇에 의한 샘플 채취 계획을 반대하는데, 왜냐하면, 계획, 건설, 발사에 여러해가 걸릴 뿐만 아니라, 화성까지 가는 데 6개월, 표면에서 2년, 돌아오는 데 6개월이 걸리고, 그 후에야(발사하고 3년을 기다린후!) 분석을 할 수 있다. 그 미션에서 얻은 문제를 조사할 그 다음 미션을 계획하는 데만도 또 몇 년이 걸린다. 유인탐사는 계획 과정에서 로봇 탐사보다 더 많은 시간이 걸리지만, 지구로 귀환하기 전 화성에서 많은 과학작업을 수행할 수 있다. 우주인이 흥미있는 곳을 파고 샘플을 채취한다면, 몇 년 후가 아니라 그 다음날 바로 연구를 시작할 수 있는 것이다. Duke는, "인간이 화성 표면에서 1, 2년 사이에 할 수 있는 일을 로봇은 100년이나 200년은 걸려야 할 것이다."라고 말한다.

  로봇 탐사와 유인 탐사는 서로 경쟁 관계로 보이지만, 연결점은 있다. 마스 서베이어 2001 탐사선은 착륙선에 화성의 대기로 연료를 만드는 것을 시험하기 위한 여행용 가방 크기의 패키지를 가져간다. (값싼 화성 유인 탐사에 필수적이다)

  하지만, 아무리 시험을 많이 해본다고 해도, 유인탐사에는 위기가 따를 것이다. 미르 정거장의 생의학 실험을 관장하는 NASA 의학연구자 John Charles는, "탐험가는 모험가다. 탐험은 위험하고, 그것이 생명이다."고 말한다.

  화성 여행이 직접 생의학적 위험을 가진 것은 아니지만, 우주인의 신체는 변화를 겪을 것이다. 무중량 상태의 여행자는 1개월에 1%의 비율로 뼈 밀도를 잃을 것이다. 지구 중력은 뼈 밀도를 회복시키지만, 구조적 변화는 귀환 후에도 지속된다. 우주 정거장의 생의학 연구는 2003년 완료될 계획이고, 장기간의 무중량 상태의 효과에 대해 더 많은 자료를 얻어야 한다.

  지구의 1/3 밖에 안되는 화성의 중력은 어떤 영향을 줄까? Charles는, "나는 그들이 계속해서 뼈 밀도를 잃을 거라고 생각한다. 아마 그 비율은 줄겠지만."이라고 말한다.

  다른 장기간의 요인들도 화성 미션 입안자들의 마음에 부담을 주고 있다. 우주인들은 화성행 비행 도중 높은 수준의 복사선에 노출될 것이다. 휴스턴의 NASA 존슨우주센터(JSC) 탐험 엔지니어인 Kent Joosten은, 마스 서베이어 2001에 복사 측정기를 실어, 화성 탐사가 직면할 복사 강도에 대한 자료를 얻을 것이다.

  행성간 비행 중 복사 노출 안전정도에 대한 기준은 없다. 지구궤도의 스페이스셔틀 우주인들은 핵발전소 노동자들이 노출되는 수준 이내에 있다. 이러한 소위 '복사 노동자'들은 사망률이 3% 더 높다. 허용 복사 노출 수준은 좀 더 높여져야 하는데, 행성간 탐험가는 지구 자기장의 보호 밖에 있게 되므로, 셔틀 우주인보다 훨씬 많은 방사선에 노출될 것이기 때문이다.

  Charles는, "최소한 복사에 대해서는, 기술적 해결책을 제시할 수 있다." 고 말하는데, 그의 제안은, 우주선의 외벽을 2중으로 만들고 그 벽 사이에 음식과 물을 실어, 복사선의 방패로 사용하자는 것이다.

  화성 먼지가 침투하는 것도 걱정이다. 두 바이킹 착륙선의 조사에 의하면, 화성의 토양은 물에 노출될 때 반응성이 매우 강하다는 것이다. Joosten은, "우리는 화성의 먼지를, 화성 거주구의 내부와 같은, 습기가 많고 따뜻하며, 산소가 많은 대기에 노출시킬 실험 장비를 보낼 것이다."라고 말한다. 미세한 먼지 입자는 화성 거주구, 우주인의 우주복 속에도 침투할 수 있다. "그것이 독성이라면, 이것이야말로 정말 문제일 것이다." 마스 서베이어 2001은 먼지 필터도 실험하게 된다.

  먼지 침투는 혹시 화성의 토양 내에 존재하는 어떤 화성 미생물의 침투를 유발할 수도 있다. 존슨우주센터(JSC) 연구원으로, 아폴로 우주인에 의해 수집된 암석을 보관, 연구하고 있는 James Googing은 화성의 재료를 다룰 때 잘 보호하며 다루는 것은 "역-오염" - 지구에 화성의 유기물을 풀어놓는 사건 - 을 막기 위한 것이라고 말한다.

  그는 "역-오염 통제를 위한 최선의 접근은 우주인을 보내기 전에 화성 표면 환경을 철저히 조사하는 것이다. 우리가 화성의 물질에 대해 더 많이 알 수록, 우리의 우주인을 더 효과적으로 보호할 수 있다."고 말한다. 2005년의 로봇 샘플 회수 미션은 우리에게 화성 토양 내의 미생물 존재 여부에 대한 더 많은 정보를 줄 것이다. "몇 번의 로봇 샘플 회수는 우리에게 사람을 화성에 보내고 그들을 안전하게 되돌아오게 하는 방법에 대해 우리를 더 현명하게 해 줄 것이다."

  NASA의 철학은, 모든 위험을 예측하거나 막을 수는 없어도, 가까운 시일안에 보다 합리적인 주의를 위한 보다 많은 지식을 얻을 것이다라는 것이다. Joosten은, "화성에 갈 첫번째 사람들은 그들이 전에 누구도 해보지 않은 일 - 다른 행성 탐사 - 을 할 것이기 때문에 알려지지 않은 일들에 직면할 것이다."라고 말한다. 베테랑 셔틀 우주인으로, 달과 화성을 방문하기를 갈망하는 Tom Jones는, "우리는 우리가 지금 아는 것만 가지고도 화성 미션을 할 수 있습니다. 목표가 생명을 찾기 위해 사람을 화성에 보내는 것이라면, 사람을 화성에 보냅시다."라고 말한다.

  그러면, 첫번째 인간은 어떻게 화성에 갈 것인가?

  10년전 NASA의 발표에 의하면, 1960년대의 '백지수표 계획(blank check)'에 기초할 때, 30년의 준비 기간과 3천억$가 들 것이라고 한다. 거대한 우주항을 건설하고, 12번의 셔틀 비행으로 지구 궤도 우주항 근처에 거대한 우주선을 조립하기 위한 재료와 연료를 실어나른다. 우주선은 6인승으로, 화성에 도착하면 3명은 30일간 표면에 머무르고, 다른 3명은 궤도에서 기다리게 되며 총 800일이 걸린다.

  그러나 이 계획은 너무나 낭비적이고 복잡하며, 장기간(800일)이면서도 표면 탐사 시간(30일)은 너무 짧아서 만족하지 못하고 있다.

  1990년 8월, 덴버의 마틴 마리에타사의 기술자들인 Robert Zubrin과 David Bake는 하나의 대안인, '화성 직행 미션(Mars Direct Mission)'을 제안했다.

  화성 직행 미션(Mars Direct Mission)은, 간단하고 싸면서도 더 효과적인 유인 비행이다.

  우주인들은 지구 귀환에 6개월이 걸리는 선까지 두 행성이 정렬할 때까지 화성 표면에서 500일 동안 기다린다. 우주인들은 화성 궤도에는 오르지 않고, 바로 표면에 착륙해서(패스파인더처럼) 땅을 파고 들어가 복사 노출을 피한다. 착륙선은 두 개인데, 거주구 착륙선은 화성으로 사람을 싣고 가서 표면에 집을 짓는다. 지구귀환선은 그들을 집으로 실어나를 것이다. 착륙선은 작고 각각 40톤 정도, 스페이스 셔틀 궤도선의 반 정도이다.

  이 계획은 화성 자원을 이용하는 것이 특징인데, 화성에 착륙한 거주구는 빈 연료 탱크를 가져간다. 지구귀환선은 무인으로 2년 전에 보내지고, 화성 대기와 지구에서 가져간 6톤의 액체수소를 사용하여 107톤의 메탄-산소 연료를 합성하게 되며, 이 연료는 귀환 여행에 쓰일 것이다. 이건 어려워 보이지만, 그저 19세기 화학 기술일 뿐이다.

  이렇게 되면 귀환용 연료를 가져갈 필요가 없으므로, 발사시 무게를 크게 줄일 수 있고, 두 개의 큰 로켓만 있으면 지구 궤도에서 대형 우주선을 조립하지 않고도 탐사선을 바로 화성으로 보낼 수 있다.

  Joosten은 화성 직행 미션에 대해, "좋은 생각이지만... 세부적인 데까지 잘 맞는 것은 아니다." 라고 말한다. 1993년 JSC의 입안자들은 Zubrin의 계획을 수정한 '화성 준-직행(Mars Semi-Direct) 미션'을 수립했는데, 이것이 현재 NASA의 화성 미션이다.

  화성 준-직행 미션이란, 모든 우주선이백업판이므로 화성 직행 보다 위험부담이 적은데, 지구귀환선은 절대 화성에 착륙하지 않고 화성 궤도에 머문다. 화성에서 만든 연료로 추진되는 화성 상승선을 타고 승무원들이 지구귀환선에 타게 된다. 1993년의 계획으로는, 3개의 새턴-V 급 로켓(인간을 달에 보낸 로켓)을 사용하고, 각각 화성거주구(Mars Habitat), 지구 귀환선(Earth Return Vehicle), 화성상승선/연료 공장(Mars Ascent Vehicle/Fuel Factory)을 싣고 지구를 떠나게 된다.

  1996년 하반기, JSC 과학자들은 비싼 거대 수송 로켓의 필요를 줄이려고 노력했다. (새턴 로켓의 설계도는 있으나, 조립 공정이 폐기되었으므로, 재가동시키려면 많은 돈이 들 것이다) 셔틀-C 로켓으로 더 작은 착륙선을 발사한다는 것인데, 셔틀-C란, 날개 있는 유인의 재사용가능한 셔틀 대신, 날개 없는 셔틀의 변형판으로, 현존 셔틀용 외부 연료 탱크와 2개의 고체 로켓 부스터에 실려 발사된다. 셔틀은 20톤을 나를 수 있지만, 셔틀-C는 재활용을 희생하고 대신 80톤을 나를 수 있다. 1980년대 초기 추정에 의하면, 셔틀-C를 날게 하는 데는 2년의 연구기간과 150억$의 자금이 필요하다고 한다. (1980년대 초기의 화폐 가치로)

  가장 최근의 계획은, 6대의 셔틀-C 로켓이 표면 거주구(Surface Habitat), 지구 귀환선(Earth Return Vehicle), 화성상승선/연료공장(Mars Ascent Vehicle/Fuel Factory), 3개의 핵추진 로켓(nuclear propulsion stage)을 싣고 발사되어, 각 탑재부는 지구궤도에서 추진 로켓과 결합하고 화성을 향해 발사된다는 것이다.

  JSC의 연구진들은 첫번째 화성행 유인 발사 예정일이 2011년이라고 하지만, (이 때 지구와 화성의 여행 시간은 6개월이 안되는 거리에 정렬한다) 화성의 궤도가 이심률이 크고, 지구보다 기울어져 있으므로 2011년만 최선의 기회는 아니다.

  Joosten은, "만약 우리가 시기를 맞추어 미션을 설계할 수 있다면, 우리는 시기때마다 하나씩 설계할 수 있을 것이다."고 한다. 지구와 화성의 정렬은 26개월마다 오므로, 화성 정착지(Mars Outpost)를 건설하고 유지하려면, 26개월마다 우주인을 떠나보내야 한다.

  화성 영구 정착지는 입장료가 비씬 공연(big-ticket item)처럼 들리지만, NASA는 유인화성탐험 비용을 더 줄이려고 애쓰고 있다. Joosten은 결국 NASA가 매년 20억$ 정도로 화성 기지를 건설하고 유지하게 될 거라고 믿는다.

  우리가 인간이 화성의 붉은 모래에 내리는 것을 보는 날은 얼마나 가까이 왔는가? NASA는 이 행성에 대한 기본적 질문들의 답을 위해 새로운 로봇을 보낼 것이다. 유인 화성 탐사를 위한 기초적 계획으로, 여전히 설계자들의 소원보다는 비싸지만, 10년전에 비하면 훨씬 싸졌다.

  다음 10년 이내에 인간이 화성에 착륙할 거라고 믿는 사람은 거의 없지만, 이것은 역사를 잊은 것이다. 1961년 5월 5일, 우주에 나간 최초의 미국인 Alan Shepard가 최초의 우주 비행을 한 2주일 후인 1961년 5월 5일, Kennedy 대통령은 역사상 가장 도발적인 목표를 제시했었다. Shepard는, "나는 나의 첫비행 2주 후에는 Kennedy가 우리를 달로 보낼 거라고는 생각 못했다."고 회고한다. 그의 다음 우주 비행은 10년 후였는데, 아폴로 14호의 기장이 되어 있었다. 정치적 지원의 번개가 프로그램에 생명을 때려 준다면, 결과를 예측할 방법은 없다. 유인 화성 탐사의 경우에는 그 번개가 올해 있을 수도 있고, 영원히 일어나지 않을 수도 있다.

  화성에 인간을 보내는 것이 초기 21세기 국가적 우선권을 갖게 된다고 가정해 보자. 탐험가들의 뒤를 정착자들이 따를 것이다. 이제, 첫번째 화성 착륙을 넘어 1세기를 보자(2111년 - 계획대로라면) 정착자들에게, 첫 착륙 기념일은 행성의 휴일이 될거싱다. 오늘의 치열한 준비를 회상하는 사람은 아주 적을 것이다. 마치 우리들이 1480년대 유럽의 왕들로부터 자금을 끌어내려던 Columbus의 놀력을 기억하지 못하듯이. 화성에있는 우리 후손들에게, 중요한 것은 우리가 화성에 왔다는 것, 우리가 21세기를 화성의 세기로 만들기로 결정했던 것 뿐일 것이다.

  끝까지 읽어주셔서 감사합니다. 저는 인간이 어떤 어려움이 있어도 태양계를 정복할 것이라고 믿고 있습니다...

 

대지는 인간의 요람이다. 그러나 언제까지나 요람 속에서만 살 수는 없다.

 

- 콘스탄틴 에두아르도비치 치올코프스키