화성 유인 탐사, 산소 자급자족에 달렸다
2022-09-18 15:18

미 항공우주국(NASA)의 화성 탐사차 ‘퍼서비어런스(Perseverance)’가 화성에서 총 50g의 산소 생성에 성공했다. 지난해 4월 첫 산소 생산을 알린 퍼서비어런스는 꾸준히 생성량을 늘리면서 인류의 화성 유인 탐사 가능성을 조금씩 높이고 있다.

미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 연구팀은 최근 공식 채널을 통해 퍼서비어런스에 탑재된 산소 생성 장치 MOXIE(Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment)를 활용한 화성 새벽 및 일몰 시간대 산소 생성을 시도한다고 전했다.

연구팀은 이번 실험이 언젠가 이뤄질 화성의 유인 탐사를 대비한 유의미한 성과를 낼 것으로 기대했다. 현재 화성 탐사는 무인 탐사선 및 로버에 의해 진행되지만 반세기 만에 유인 달 탐사 ‘아르테미스 계획’을 추진하는 미 항공우주국(NASA)은 화성 비행사 파견도 염두에 두고 있다.

SF 영화처럼 화성에 사람을 보내기 위해서는 현지 자원을 활용하는 ISRU 기술이 필수다. <사진=영화 '마션' 스틸>

우주 천체의 유인 탐사는 비행사가 생존하거나 지구로 귀환하기 위해 산소와 물, 식량, 연료가 반드시 필요하다. 이런 물자를 지구로부터 반입하는 데는 막대한 비용과 시간이 소요되므로 자급자족이 답이다. 때문에 주목받는 것이 ‘현지 자원 이용(In-Situ Resource Utilization, ISRU)’ 기술이다.

MIT 연구팀은 “달의 영구 음영 지역이나 화성 지표 아래에 묻힌 것으로 추측되는 얼음을 비행사들이 캐내 탐사에 필요한 물을 확보하는 것이 검토되고 있다”며 “행성 표면의 퇴적층(레골리스)을 현지 기지 건자재로 이용하는 방법도 다각적으로 논의 중”이라고 설명했다.

이어 “ISRU 기술 중에서도 특히 중요한 것이 산소 확보”라며 “산소를 얻으려면 물을 전기분해하는 방법이 있지만 화성의 경우 대기의 주성분인 이산화탄소를 분해해 얻는 방법도 고려된다”고 덧붙였다.

NASA의 화성 탐사 로버 퍼서비어런스에 장착된 산소 생성 실험 장치 MOXIE. MIT와 NASA는 화성의 일몰 및 새벽 시간대 실험을 앞두고 있다. <사진=NASA 공식 홈페이지>

NASA 제트추진연구소(JPL)에 따르면 우주인 네 명을 화성에서 날아오르게 하려면 연료 7t과 산소 25t이 필요하다. 이만큼의 산소를 지구에서 운반하는 것보다는 1t의 산소 생성 장치를 화성에 보내는 것이 훨씬 경제적이고 실용적이다.

MOXIE는 화성 대기 중의 이산화탄소를 이용해 산소를 생성하는 기술 실증을 위해 MIT 헤이스택 관측소 및 항공우주공학 연구팀, NASA JPL이 공동 개발했다. MOXIE의 가동시간은 1시간이며 최대 10g의 산소를 생성한다. MOXIE는 지난해 4월 20일 처음 가동 당시 약 5.4g의 산소를 화성 대기에서 얻었다.

연구팀에 따르면 MOXIE를 통한 산소 생성은 2021년 11월 29일까지 7회 실시됐다. 두 번째 이후부터는 시간당 6g의 산소를 만들어내는 목표를 매번 달성했다. 회당 최대 생성량은 8.9g으로 지금까지 총 49.9g의 산소를 화성에서 얻었다. NASA와 MIT는 생성량보다는 자급자족 가능성을 입증한 점에 의미를 뒀다.

퍼서비어런스의 주요 실험 장치들. 산소 생성에 필요한 MOXIE가 보인다. <사진=NASA JPL 공식 홈페이지>

NASA JPL은 “산소 생성기가 다양한 대기 조건에 대응하는지 알기 위해 MOXIE를 작동시키는 타이밍은 매번 계절과 시간대를 달리했다”며 “7회에 걸친 실험에서 MOXIE가 언제나 산소를 만들어낼 수 있다는 것을 확인했다. 아직 검증하지 않은 시간대는 기온이 크게 변하는 새벽과 해 질 녘뿐”이라고 전했다.

화성의 대기는 지구보다 훨씬 변화무쌍하고 낮과 밤의 기온 차이도 100℃에 달한다. 때문에 화성의 모든 계절에서 산소 생성이 가능한지 알아내는 것은 아주 중요하다. 향후 MOXIE의 산소 생성량을 비약적으로 늘리기 위해 화성 대기 밀도와 이산화탄소 농도가 높아지는 봄철이 유리한 것으로 NASA는 보고 있다.

화성 유인 탐사까지 과제는 여전히 많다. 가로와 세로, 높이가 31×24×24㎝, 중량이 17.1㎏에 불과한 MOXIE만 해도 퍼서비어런스 탑재 공간 및 전력 문제로 1회 가동 시 산소 생성량은 제한적이다. 산소를 만들 때 800℃의 고온이 필요하기 때문에 가동 전 몇 시간이나 예열해야 한다.

화성 대기를 이용해 산소 생성 실험을 이어온 퍼서비어런스 <사진=NASA 공식 홈페이지>

그럼에도 인류의 화성 유인 탐사는 멀지 않은 미래에 실현될 가능성이 있다. 퍼서비어런스의 산소 생성 실험이 순조롭고 화성 레골리스를 응용한 우주 건자재가 최근 미국 워싱턴대학교에서 개발되는 등 ISRU 연구들이 유의미한 성과를 내고 있다. 

빌 넬슨(80) NASA 국장은 지난 3월 인터뷰에서 오는 2040년에는 사람들이 화성 표면을 밟게 된다고 자신했다. 초대형 우주선 ‘스타십’을 개발 중인 미국 민간 우주업체 스페이스X의 일론 머스크(52) 역시 궁극적인 목표는 화성이다.

정이안 기자 anglee@sputnik.kr 

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