화성에 사람을 보내는 것은 오랫동안 인류의 숙원 과제였습니다. 하지만 장애물이 많다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 1972년 아폴로 프로그램이 종료된 이후 지구 저궤도 이상을 여행한 사람이 없다는 사실은 연약한 인간을 태우고 장시간, 장거리 임무를 수행해야 하는 현실이 위협적인 도전으로 가득 차 있다는 것을 잘 보여줍니다. 가장 큰 우려 사항은 무엇일까요? 오늘은 인류의 화성 탐사가 직면한 도전 과제에 대해 알아보겠습니다.
시간 문제
NASA의 탐사 시스템 개발 임무국 내 화성 캠페인 사무소의 이사는 우주 비행사의 생존을 위한 강력한 생명 유지 시스템을 갖춘 강력하고 다목적 우주선을 만드는 등 많은 과제가 아폴로 프로그램에서 직면했던 것과 비슷하다고 보고 있습니다. 하지만 그가 가장 골치 아픈 문제이자 해결이 불가능한 문제는 지구와 화성 간의 통신 시간 지연 문제입니다.
“지구와 달 사이의 거리 덕분에 거의 실시간으로 대화를 나누고, 문제를 해결하고, 이상 현상을 해결할 수 있습니다."라고 이세는 말합니다. “화성은 거리가 멀기 때문에 편도 4~24분으로 훨씬 더 큰 지연이 발생하므로 누군가 질문을 하고 답장을 받는 데 왕복 40분 이상이 걸릴 수 있습니다.”
이세는 더 걱정스러운 것은 26개월마다 태양이 지구와 화성 사이에 있는 태양접근 기간이라고 말했습니다. 이 기간에는 무선 신호가 태양을 통과할 수 없고, 주변의 하전된 태양 입자가 너무 가까이 지나가는 신호를 왜곡하기 때문에 2주간 통신이 두절됩니다. 이 기간 동안 긴급 상황이나 중요한 생명 유지 시스템에 문제가 발생하면 승무원들이 직접 문제를 해결해야 합니다.
이세는 NASA가 태양계의 다른 위치에 배치된 통신 위성의 중계 시스템을 개발하여 2주간의 정전을 단 몇 시간으로 줄일 수 있는 방안을 검토하고 있다고 말했습니다. 현재 프시케 우주선에서 테스트 중인 레이저 통신 기술은 신호 충실도가 뛰어나 초당 더 많은 데이터를 전송할 수 있습니다. 하지만 여전히 통신 지연 시간은 화성에서의 모든 작업에 대한 위험 증가를 의미합니다. 또한, 연구에 따르면 통신 지연은 심리적으로 힘들고 고립감을 유발하여 인지 및 수행 능력에 부정적인 영향을 미칠 수 있다고 합니다.
쉴드 업!
화성에 지구 자기장이 없고 대기가 얇기 때문에 고에너지 우주선과 태양 입자가 화성 표면에 쏟아집니다. 이러한 고선량의 방사선과 그에 따른 건강 위험은 붉은 행성에서의 인간 활동과 그곳을 오가는 여행에 걸림돌이 될 수 있습니다. 무거운 물질로 물리적인 차폐막을 만들 수도 있지만, 무거운 차폐막을 발사하는 데 드는 높은 비용은 이상적이거나 효율적이지 않습니다.
과학자들은 우주선이나 거주지 주변에 보호 거품을 만들 수 있는 역장을 만드는 것을 꿈꿔왔습니다. 그러나 연구에 따르면 이러한 역장을 대규모로 만들려면 엄청난 양의 전력과 구조용 재료가 필요하기 때문에 실현 가능하려면 더 많은 연구가 필요합니다.
하지만 수소화 질화 붕소 나노튜브(BNNT) 라는 물질이 판도를 바꿀 수 있습니다. 이 물질은 방사선을 차단할 수 있는 탄소와 질소를 포함하고 있으며, 붕소는 이차 중성자를 흡수하는 능력이 뛰어납니다. 이 나노튜브는 우주복 원단에 짤 수 있을 정도로 작고 유연합니다. 아직 개발 및 테스트 단계에 있는 BNNT는 화성에서 사용되는 우주선, 거주지, 차량 및 의류의 핵심 구조 및 차폐 재료가 될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
편안한 호흡과 귀환
미래의 우주비행사들은 대량의 산소를 화성으로 가져오는 대신 화성 표면에서 발견한 물질을 사용하여 생존할 수 있습니다. 현장 자원 활용(ISRU)이라고 불리는 이 개념은 현재 퍼시버런스 로버의 장비를 통해 입증되었습니다. MOXIE(화성 산소 현장 자원 활용 실험)는 화성의 희박한 대기에서 산소를 추출하여 원래 목표보다 두 배 많은 시간당 12그램의 산소를 생산할 수 있었습니다.
MOXIE와 같은 대형 시스템은 호흡 가능한 공기를 공급할 수 있을 뿐만 아니라 우주비행사가 귀환을 위해 로켓을 발사할 때 대량으로 필요한 로켓 추진제를 만드는 데도 도움이 될 수 있습니다. 이 기기의 수석 연구자는 자신과 그의 팀이 자금이 확보되면 시스템을 확장할 준비가 되어 있다고 말했습니다.
“전기분해 스택과 압축기의 수명을 입증하고 시제품 액화 및 저장 시스템을 개발하는 것이 구체적인 기술적 과제일 수 있습니다.라고 그는 말했습니다. “그 외에도 연료 생산을 포함한 더 복잡한 화학을 가능하게 하는 물 얼음을 채굴하는 것이 우선 순위가 될 것입니다.”
그는 산소가 추진제의 가장 무거운 성분이지만 다행히도 가장 쉽게 만들 수 있다고 말했습니다. 화성에 물 얼음이 풍부한 것으로 보이지만, 이를 채굴하고 필요한 곳으로 운반하는 물류 문제를 해결해야 합니다.
가장 큰 과제 · 진입, 하강 및 착륙
우주비행사가 화성 표면을 떠나기 전에 먼저 화성에 도착해야 합니다. 화성 탐사에서 가장 큰 과제는 인간 크기의 대형 우주선을 시속 수만 킬로미터의 속도로 감속하여 우주 비행사와 탑재물이 생존할 수 있을 만큼 완만하게 착륙하는 것입니다.
지금까지 착륙선과 탐사선은 낙하산, 에어백, 스카이 크레인 등을 사용하여 안전하게 달에 착륙했지만 이러한 기술은 한계에 도달했을 가능성이 높습니다. 현재 화성에 보내진 탐사선이나 착륙선 중 가장 큰 퍼시버런스 로버의 무게는 약 1미터톤에 달합니다. 하지만 화성에 인간을 보내려면 구성에 따라 50~100미터톤의 차량이 필요할 것입니다. 이렇게 큰 차량은 너무 무거워서 지구 밀도의 1%도 안 되는 화성의 얇은 대기에서 공기 역학적 저항에 의해 속도가 크게 느려질 것입니다.
하지만 10년 전과 비교하면 화성으로 들어오는 차량의 속도를 늦출 수 있다는 전망은 개선되었습니다. NASA는 2022년에 저지구 궤도 비행 시험(LOFTID)을 통해 화성 대기와 밀도가 비슷한 지구 성층권에서 직경 6미터(20피트) 크기의 공기역학적 감속기 시스템을 성공적으로 부풀리는 데 성공했습니다. 이렇게 빠르게 팽창하는 에어로쉘은 대기 상층에서 더 많은 항력을 만들어 우주선이 더 빨리 속도를 늦출 수 있도록 도와주며, 극심한 열을 일부 방지할 수 있습니다.
또한 엔지니어들은 이제 초음속 역추진(SRP)을 위해 추진기를 사용하는 것에 대해 낙관적으로 생각하고 있습니다. 이전에는 공기역학 전문가들은 로켓 모터의 추진력이 감속을 위해 이동 방향으로 향하는 것이 초음속으로 대기를 통과하는 동안 성공적으로 이루어질 수 있을지 확신하지 못했습니다.
여러 로봇 화성 탐사선의 진입, 하강 및 착륙(EDL)을 주도한 제트 추진 연구소의 수석 엔지니어는 “대기권을 통과하는 동안 엔진을 뒤로 발사하면 충격 전선이 발생하고, 이 충격 전선이 차량에 부딪혀 차량이 파괴될 수 있습니다.”라고 말합니다.
“이것은 모델링하기가 정말 어려웠고, 다가오는 고속 흐름에 엔진을 발사한 경험도 거의 없었습니다.” 팰컨 9 로켓의 1단 로켓을 재사용하여 지구로 귀환하는 데 레트로 로켓을 사용하려는 SpaceX의 열망을 들어보겠습니다.
그은 “화성에서와 매우 유사한 희박한 대기를 통해 초음속으로 엔진을 거꾸로 발사하는 비행 부분이 있습니다.”라고 설명합니다. “우리는 이에 대해 더 자세히 알아보기 위해 데이터를 보고 연구할 수 있는지 물어보았습니다. 놀랍고 기쁘게도 우리는 새로운 물리학을 배웠습니다.”
그는 엔진 발사로 인해 우주선 주변에 생성된 충격 전선 '버블'이 우주선을 일부 열뿐만 아니라 뷔페링으로부터도 차단한다고 말했습니다. 아직 몇 가지 기술적 문제를 해결해야 하지만, 향후 인간의 화성 탐사를 위해 해결될 수 있을 것으로 낙관하고 있습니다.