NASA의 우주인은 이번에 우주정거장에서 거의 1년에 가까운 355일간의 우주체류 신기록을 세운다. 이전 기록이 최장 6개월이었다는 걸 볼 때 이건 획기적인 기록이다. 그럼 왜 이리 위험을 무릎쓰고 무리한 도전을 하는 것일까? 이것은 화성 유인탐사 때문이라고 한다.

"지구는 인류의 요람이지만 인류가 요람에서 영원히 살 수는 없다"는 말로 유명한 러시아 우주 개척의 대부 콘스탄틴 치올콥스키의 말에서도 알 수 있듯이 지구를 대체할 행성 개척은 인류의 필수 과제로 보인다. 그동안 미국, 러시아, 유럽 등 세계각국이 피나는 노력을 경주한 결과 찾아낸 지구를 대체할 행성으로 가장 적격인 행성이 화성이다.

화성은 태양의 4번째 혹성으로 지구와 가까이 있으면서 축의 기울기가 25.19도, 자전주기가 24시간 39분 등 지구와 비슷한 점이 많다. 하성의 표면은 암석과 풍화된 흙, 거대한 얼음 등이 존재하니 화성의 돌과 흙을 이용하여 멋진 집을 짓고 얼음을 녹여 산소와 물을 얻고 햇빛으로 에너지와 농작물을 생산하면 지구와 같은 생활이 가능해진다. 

그런데 지구에서 화성을 왕복하려면 3년이나 걸린다. 화성과 지구는 둘 다 태양의 혹성으로 태양 주위를 공전하고 있다. 그래서 이 둘은 약 5500만km~2억km 사이를 서로 가까워지기도 하고 멀어지기도 한다.  지구의 공전주기가 365일인데 화성은 무려 687일로 두 배 가까이 되니 지구와 가장 가까운 화성은 평균 2년에 1달정도의 기간으로 찾아온다. 이 기간을 맞추어 화성 왕복 우주선을 발사해야 한다. 현재 기술로 화성 왕복 비행에 걸리는 시간이 6~8 개월 정도이니 타이밍을 기다리는 시간을 포함하면 화성왕복에 약 3년이 걸리는 셈이다. 

이 긴 우주 체류 기간 중에 거의 없거나 약한 중력장과 강력한 우주방사능 등의 우주 환경이 우주인들에게 어떤 영향을 줄지, 또 그 긴 기간을 우주인들이 과연 버텨낼 수 있을지 해결해야 할 문제가 한 두가지가 아니다.  그래서 NASA는 우주인이 우주에 장기체류시 일어날 수 있는 정신적, 신체적 변화에 대하여 연구와 실험을 계속하고 있다. 이는 화성탐사에 꼭 필요한 해결과제이기 때문이다. 

이런 우주 장기체류시 인체변화에 대해 NASA는 한가지 재미있는 실험을 한다. 우주비행사 스콧 캘리에게 일란성 쌍둥이 형이 있었는데 마크 켈리이다. NASA는 이들이 쌍둥이인 점에 착안해 동생이 우주정거장에 오래 체류하는 동안 지구에 있는 형을 비교 대상으로 삼아 우주인의 우주 장기체류시 신체변화에 대한 연구에 하게 된다.  이들은 동일한 DNA를 가지고 있기 때문에 주변환경이 DNA에 미치는 영향을 쉽게 알아볼 수 있다. 

우주여행을 하면 생명이 연장될까?

1년 동안 우주에서 생활한 형은 동생에 비해 키가 약 5cm 자란 반면 근육과 골밀도는 감소했다. 근데 놀라운 차이는 소위 "장수 유전자'라 불리는 텔로미어(TELOMERE)의 변화였다. 인류의 최대관심사가 노화 문제인고로 텔로미어에 대한 연구는 세계 과학자들의 뜨거운 감자였다. 텔로미어는 DNA를 보호하는 일을 하지만 세포분열이 일어날 때마다 길이가 점점 짧아져 어느 순간 더이상 세포분열을 하지 못하고 죽게된다. 세포가 재생되지 못하는 것을 우리는 노화현상이라고 부른다. 텔로미어가 노화시계로 불리는 이유이다. 그런데 놀랍게도 우주에 있는 동생의 텔로미어가 형의 것보다 더 길어졌다. 이는 아인시타인이 상대성원리에서 말한 빠른 속도로 움직이면 시간이 느리게 간다는 말을 과학적으로 입증한 셈이다. 이 원리를 이용한 수많은 CFS영화에서 타임머신으로 시간여행을 하는 장면이 등장하기도 했다. 하지만 동생이 지구 귀환 후 시간이 좀 지나자 동생의 텔로미어가 원상복귀되어 과학자들은 이 이론을 일반화 시킬 수는 없다고 발표했다. 그래도 우주공간에서는 우주여행을 하면 생체시계가 느리게 가서 생명이 연장된다는 것이 증명되었다고 하겠다.


일론 머스크는 2002년 SpaceX를 설립하여 행성간 우주여행의 꿈을 키워오다가 얼마전 화성이주계획을 발표했다. 그것도 인구 백만명의 화성 이주 도시를 건설하겠다는 다소 터무니 없어 보이는 계획이었다. 그러나 그가 15년 간의 SpaceX에서 해온 일들을 하나하나 설명하면서 그의 전략을 조목조목 짚어줄 때는 아주 설득력이 있었다.

 제가 진정으로 추구하는 것은 화성 진출을 가능하게 하는 것입니다 _ 일론 머스크

궁극적으로 인류를 다행성 종으로 만드는 것이 SpaceX의 설립이념이란다. 태양계의 행성 중 가장 지구를 닮아 있고 가까운 행성이 화성이다. 그래서 SpaceX는 화성을 1차 타겟으로 삼아 이주계획을 세웠다. 그럼 우선 왜 화성에 가야만 할까? 우리에겐 2가지 대안이 있다. 먼저 지구상에 영원히 머무르다 결국 피할 수 없는 멸종 위기에 처는 것이다. 이게 아니라면 대안은 우주에 진출한 문명이 되어 다행성 종이 되는 것이다. 즉 지구 외의 또다른 행성에 인간이 살 수 있는 도시를 건설하는 것이다. 

SpaceX의 우주선 계발 역사

이 일을 위하여 2002년 설립 후부터 SpaceX가 해온 일들은 나열하면 우선 국제 우주 정거장으로 화물을 운송하는 최초의 민간회사가 되었다. 또한 궤도 부스터를 지상과 선상에 안전하게 착륙시켰다. 이것이 15년간 한 업적으로 보잘것없어 보일 수 있으나 누구나 원한다면 화성에 갈 수 있게 하는 방법을 향한 로드맵을 착실이 걸어가고 있다고 자부한다. 

자체로 화성에서 유지될 수 있는 자립 도시를 만드는 방법은 가능할까 화성은 하루가 24시간 40분으로 충분한 햇빛이 존재하며 CO2가 97%, 질소가 2% 존재한다. 이산화탄소와 질소, 식물에 필수적인 원소다. 대기를 압축하면 화성은 식물재배에 아주 적합한 환경이 된다. 또한 사람들이 화성에 살면 매우 재미있을 것이다. 지구 중력의 37% 밖에 되지 않기 때문에 무거운 물건도 쉽게 들어올릴 것이고 점핑보드 위를 뛰는 것처럼 여기저기에서 쉽게 점프도 할 수 있을 것이다. 화성에는 엄청난 얼음 덩어리가 있어 물도 쉽게 구할 수 있다. 

그러면 어떻게 화성에 사람들을 데려가나? 일인당 화성행 우주선 승선권이 미국에서 중간 정도의 집값인  $200,000과 같게 하거나 더 싸게 할 수 있다면 화성에 자급자족의 문명이 만들어질 확률이 매우 높다고 생각한다. 물론 가고 싶어 하지않는 사람들도 많을 것이다. 오히려 상대적으로 적은 수의 사람들이 화성에 가고 싶어 할 것이다. 만약 이 화성이주계획이 현실로 이루어진다면 충분히 많은 사람들이 가고싶어 할 것이다. 화성은 장기간에 걸쳐 노동력 부족을 겪게 될 것이기 때문에 실직에 대한 걱정을 없을 것이다.

화성이주계획이 현실이 되게 하려면 우선적으로 풀어야 할 핵심 문제가 4가지 있다.

1. 우주선의 완전 재활용; 궤도에서 분리된 부스터는 지구의 발사지로 되돌려 회수하고 탱크와 우주선 본체까지 할 수 있는 한 오래 되풀이 해서 사용하는 방법을 찾아야 한다. 그렇게 하지 않으면 천문학적인 비용을 감축시킬 수 없다. 

2. 궤도에서 재충전; 우주정거장에서 연료를 재충전하여 화성으로 떠나게 한다. 우주 주유소 개념으로 여러 우주정거장을 거치면서 연료를 충전한다면 우주선의 연료탱크의 크기를 획기적으로 줄일 수 있다.

3. 화성에서 우주선 연료 생산; 화성에는 연료 생산 공장, 철주물 공장, 피자가게 등등 필요한 모든 시설들이 화성 시민들을 위해 건설 될 것이다.

4. 적절한 우주선 연료; 화성에는 이산화탄소 대기가 있고 토양에서 물을 얻을 수 있으므로 이들을 분해하여 메탄 및 산소를 만들 수 있다. 이들을 극저온 상태에서 액화시켜 연료로 쓰기로 결정했다.

4가지 핵심요소를 적용시킨 지구-화성간 우주왕복선 마스타플랜

상기와 같이 핵심 요소들의 해결법을 찾았으니 이제 하나하나 시행하면 전체 비용을 최소한 4.5배나 절감시킬 수 있게 된다. 화성에서 필요한 에너지는 광막한 들판에 태양광 패널을 설치하면 해결할 수 있다. 화성에 자립도시 문명을 만들려면 적어도 인구가 100만명은 되어야 한다. 우주선 탐승인원을 100명이라 한다면 우주선 1,000대를 제작하여 각각 10회의 항해를 하면 된다. 그러려면 우주선도 끊임없이 개선하여 안정적 흐름을 만들어 마치 기차가 출발하는 것처럼 항상 우주선이 떠나는 시스템을 만들 것이다.

그럼 이 거대한 사업에 드는 막대한 재원은 어떻게 조달할 것인가? 이 프로젝트는 거대한 민관 합작의 파트너쉽이 될 것이다. 이것이 미국이 건국된 방식이다. 전 세계 각국에서도 동반자 관계로 제휴가 들어 올 것이다. 이 모든 유입이 우리가 이 프로젝트가 가능하다는 것을 보여줄 때 지원이 눈덩이 처럼 늘어날 것이라고 확신한다. 우리가 발전시켜온 우주산업 기술도 그렇다. 기술이 저절로 제가 알아서 발전되지는 않았다. 그것은 정말로 강력한 설계능력이 그것을 개선시킬 수 있는 문제에 접목될 때 엄청나게 개선될 수 있었다. 지금 우리의 주 수입원은 우주선을 띄워 우주정거장간 퀵서비스로 돈벌이를 하고 있다. 이것이 주는 아니지만 원용한다면 해안가에 발사대를 띄워놓고 지구상 어떤 곳이라도 45분 안에 화물을 도달시킬 수 있다. 뉴욕과 도쿄 사이는 25분, 대서양 건너는 10분이면 족할 것이다.

우리가 개발한 우주 착륙선 드래곤호는 추진형 착륙선으로 적어도 2-3톤의 화물을 화성으로 실어 나를 수 있다. 이런 추진 착륙선을 이용하면 충전 가능한 우주정거장이나 행선이나 위성을 호핑(hopping)함으로써 태양계의 행성 어디든 갈 수 있을 것이다.

참으로 원대한 계획이다. 일론 머스크는 화성이주계획의 브리핑을 마친 후 누군가 질문하기를, 만약 일론 머스크가 불의의 사고로 죽게되면 이 계획도 물거품이 되는 게 아니냐고 물었다. 그에 대한 머스크의 대답이 걸작이다. 자기가 유고시에 대를 이어 이 사업을 추진시킬 사람은 이미 명문화 되어 있다. 또한 SpaceX의 존재 이유와 사업 목적이 '인류를 다행성 종으로 만드는 것'이니 자기가 죽어도 SpaceX는 제 갈 것이란다. 다만 후계자로 지정된 사람이 딴 맘 먹고 사업을 철회할 것이 유일한 두려움이라고 했다. 일론 머스크 같은 꿈돌이가 이 세상을 발전시키는 진정한 선구자가 아닐까.

참조: 일론 머스크의 화성이주계획 강연


Pathfinder(패스파인더)란 길잡이, 개척자를 의미한다. 그렇다면 Mars Pathfinder란 화성 탐사용 우주선을 말한다. 이는 본체인 패스파인더와 부속 이동식 탐사 로버(Rover)인 '소저너'(Sojourner; 여성 인권운동가 '소저너 트루스'에서 따옴)로 구성되어 있다. 이 우주선은 1996년 12월 4일 발사되어 1997년 7월 4일에 화성의 아레스 협곡에 도착했다. 이 프로젝트는 1996년 타계한 천문학자 칼 세이건을 기리기 위한 의미도 내포되어 있었다.  



마스 패스파인더의 화성 착륙과정은 참으로 명품이었다. 패스파인더가 화성 대기권에 진입하면서 감속하고 뒤이어 낙하산을 펴서 2차로 감속했는데 여기까지는 좋았다. 그런데 마지막으로 감속하여 아니 감충이라고 해야하나 착륙하는 방법이 기발하다. 여러개의 공 뭉치 같은 에어백을 펴서 그것을 화성 지면과 충돌시켜서 정지할 때까지 통통 튕기며 충격을 완화시키는 작륙법이었다. 20년 전의 바이킹 탐사선에서 사용한 역분사엔진에 비하면 참으로 위험천만인 원시적 착륙법이라 아니할 수 없다. 만일 화성 표면의 뽀족한 바위 위에라도 에어백이 접지한다면 우주선은 풍지박산 될 수도 있는 모험이었다. 


패스파인더가 화성 착륙하는 모습


그런데 속내를 들여다 보니 NASA가 그렇게라도 하지 않으면 안될 사연이 있었다.  냉전 종식 후 시행된 '마스 옵저버 프로젝트(Mars Observer Project)'는 화성의 지리와 기후를 연구하기 위하여 발사되었으나 화성 궤도에 진입하기 3일 전, 1993.8.21일에 지구와의 교신이 두절되어 실종되고 만다.  이 프로젝트가 9억 달러에 이르는 막대한 예산을 말아먹고 실패로 끝나자 NASA는 거센 비난여론과 예산감축의 압력에 시달리다가 내놓은 궁여지책의 작품이 저예산 프로젝트로 기획된 마스 패스파인더 프로젝트다. 아이러니 하게도 이런 에어백 통통이 착륙법이 먹혀들어 패스파이더와 탐사로버 소저너는 화성 표면에 안착하게 된다. 마침 착륙한 날이 미국 독립기념일과 겹쳐 미국은 물론 온 세계가 축제 무드로 화했다.


더우기 앙징스런 탐사로버 소저너의 화상표면에서의 활약은 전세계 사람들에게 생중계 되다시피 했다. 주 임무는 화성의 토양과 암석에 대한 정보를 수집했다. 외모가 친숙한 장난감 자동차 같아 전 지구인의 사람을 받았다. 무게는 10.5kg으로 7 화성일 동안 임무를 수행했다. 소저너의 뒤를 잇는 탐사 로버(Rover)로는 쌍둥이 탐사로버인 스피릿(Spirit)과 오포튜니티(Opportunity)가 있다.  이들도 패스파인더의 착륙법과 같은 에어백 통통이로 착륙했는데 기본 사양은 높이 1.5m,  길이 2.3m, 무게 185km로 기본적 임무는 화성 풍경 촬영이나 암석과 토양의 샘플 체취 등이다. 이들은 산화철을 발견하고 물이 존재한다는 가설을 입증했다. 뒤이어 물이 흐른 흔적을 찾아내는 등으로 화성에 물과 생명체가 존재할 수 있다는 가능성을 한층 높였다. 


이들의 활약에 힘입어 나온 영화가 2015년의 "마션(The Martian)"와 내셔널지오그라픽에서 제작한 6부작 SF드라마 "인류의 새로운 시작, Mars"다. 둘 다 화성을 무대로 펼쳐지는 인간의 새로운 미래향 건설지로서의 가능성을 타진하는 영화로 의미가 깊다. 영화 마션은 철저한 과학적 고증을 거쳐서 제작된 영화로 단순한 SF영화와는 차별화 된다. 엔디 위어가 쓴 동명의 소설을 영화화 한 것인데 '화성에서 살아남기' 쯤 되는 화성 분투기다. 내셔널지오그래픽의 6부작 드라마 역시 인류의 미래에 대한 깊은 성찰을 유도하게끔 2016년인 현재와 가상 추적한 2033년 미래의 인류가 처할 현실을 설득력 있게 대비시킨다. 


화성탐사프로젝트는 일론 머스크의 스페이스엑스를 통해서 화성이주프로젝트로 격상되어 이제는 한층 실현 가능한 단계로 진입한 양상이다. 이렇게 불가능을 가능케 하는 시대에 영화 마션에서 화성에 홀로 남겨진 주인공 마크 와트니가 화성에서 감자 농사에 성공하면서 한 말을 되새겨 본다. 


"어디서든 농작물을 재배하면 공식적으로 그곳을 지배하게 되는 것이야. 그러니까 엄밀히 말해 난 화성을 점령했다. 보고있나, 닐 암스트롱!?" 

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