10편의 영상으로 보는 퍼서비어런스 모든 것

2021년 2월 18일 성공적으로 화성 표면에 착륙한 화성 탐사 로버 퍼서비어런스(Perseverance)가 본격적인 탐사 활동에 들어가려 하고 있습니다. 칼 세이건이 참여했던 바이킹 계획 이후 처음으로 화성 생명체의 거주 여부를 본격적으로 탐구하는 게 최우선 임무 중 하나라 『코스모스』의 독자들을 설레게 하고 있습니다. 또 이 로버에는 지구인 1100만 명의 이름이 새겨진 손톱만 한 칩이 내장되어 있습니다. 2019년 5월 27일 사이언스북스 블로그에서도 “Send Your Name to Mars” 캠페인을 소개했었죠. (화성 탐사선의 탑승권을 신청하세요!) 『침묵하는 우주』의 옮긴이인 한국 천문 연구원의 문홍규 박사가 퍼서비어런스의 이모저모를 엄선한 10편의 NASA 공식 영상과 함께 알아볼 수 있는 글을 보내왔습니다. 화성에 자기 이름을 보내신 사이언스북스의 독자 분들이라면, 반드시 읽어 보셔야 할 글 아닐까요?

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1. 시작

화성의 흙을 가져온다!

 

2012년 8월, 소저너와 스피릿, 오퍼튜니티에 이어 큐리오시티의 성공적인 착륙에 과학자들은 한껏 고무됐다. 바로 1년 전인 2011년, 미국 과학 한림원은 2013년과 2022년 사이에 착수할 차기 행성 탐사 임무로 화성의 흙을 가져오는 일을 1순위로 꼽았다, 2012년 12월, NASA는 2020년까지 한층 진보된 로버를 화성에 보낼 거라고 발표했다. 이어 1년 뒤에 과학 임무팀은 화성 흙을 캡슐에 담아놓는 것을 그 목표로 정했다.

 

이 동영상에서 NASA 과학 임무국 토머스 주버겐 국장은 퍼서비어런스 임무에 관해 소개한다. 착륙 장소가 콜럼비아 언덕과 예제로 충돌구, 시르티스 평원 중에서 결정되지 않은 시기였다. 그는 이렇게 묻는다. “우주에서 우리가 유일한가? 그 답을 찾는 게 목표다.”

 

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2. 목적

이번 임무의 목적은 무엇인가?

 

1. 생존 환경 찾기: 지금은 춥고, 건조하지만, 과거 화성은 강과 호수, 바닷물이 넘실댔다. 그럼 생명체가 살기에 좋은 환경이었을까? 그 해답을 찾는다.

 

2. 생명체 흔적 찾기: 고대 생명체가 서식하는데 적합한 지역에서 과학 장비들을 총동원해 그 흔적을 집요하게 탐색한다.

 

3. 시료 보관하기: 돌과 흙을 수집해 튜브에 보관해 둔다. 2030년대 초 지구로 가져와 분석에 쓰기 위해서다.

 

4. 유인 탐사 준비하기: 화성 대기에는 이산화탄소가 96퍼센트에 달한다. 그래서 유인 탐사에 대비해 이산화탄소에서 산소를 뽑는 실험을 한다. 탄소 원자 하나만 떼어내면 되니까.

 

행성 과학자들은 착륙지로 예제로 충돌구를 택했다. 그곳은 한때 호수였고 착륙 지점은 삼각주라서 그들이 원하는 다양한 과학 실험을 하기에 가장 적합하다.

 

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3. 로버의 개발과 시험

로버는 어떻게 만들었을까?

 

퍼서비어런스는 소형 자동차보다 조금 작고 7대의 과학 장비와 19대의 카메라, 2개의 마이크, 헬리콥터를 싣고 있다. 그 모양은 큐리오시티와 비슷하지만, 차체가 조금 커졌고 더 두껍고 단단한 바퀴를 장착했으며 로봇팔도 개선됐는데, 특히 암석에 구멍을 낼 수 있는 드릴 장비가 보강됐다. 그래서 무게는 약 899킬로그램, 큐리오시티보다 14퍼센트 무거워졌다. 이 장비들은 생명 서식 환경과 고대 생명의 흔적을 탐사하는 동시에, 시료 채취, 보관과 산소 추출 실험에 쓰인다.

 

퍼시(퍼서비어런스의 애칭)는 완성 후에 혹독한 환경에 견디기 위해 실험 과정을 거쳤는데, 회전, 진동, 구동부 전개, 태양광, 열 진공, 사료 채취, 운행 시험이 그것. 2019년 9월부터 12일까지 퍼서비어런스는 그 까다로운 관문을 무사히 통과했다.

 

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4. 낙하산 실험

낙하산을 펼친다!

 

화성 착륙은 난관의 연속이다. 기압이 지구의 0.7퍼센트라 ‘브레이크’가 잘 걸리지 않기 때문이다. 잘못하다가는 땅에 그대로 곤두박질칠 수도 있다. 그래서 조심해야 할 일이 한둘이 아니다. 탐사선이 든 캡슐을 낮은 각도로 화성 대기에 진입시키는 한편, 낙하산을 펼쳐 공기의 저항을 최대한 활용해야 한다. NASA는 퍼서비어런스가 안전하게 착륙할 거라는 확신을 하기 위해 2020년 말, 캘리포니아주 데스 밸리에 있는 세계 최대의 풍동 시설에서 낙하산 전개 시험과 착륙 모의 시험, 착지 시험을 진행했고 모든 일이 순조롭게 마무리됐다.

 

낙하산은 화성 대기권 진입 후 4분 만에 음속 2배 속도로 하강하며 3.7톤에 달하는 무게를 매단 채로 약 0.4초 만에 완전히 펼쳐야 한다. 독자들과 함께 그 모든 과정을 점검해 본다.

 

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5. 발사

카운트다운

 

퍼서비어런스는 2020년 7월 30일 미국 플로리다 주 케이프 커내버럴 SLC-41번 발사대에서 불기둥을 내뿜으며 하늘로 솟아올랐다. 퍼시는 아틀라스 V-541 로켓에 실려 올라갔는데, 이 로켓은 NASA 행성 탐사에 쓰이는 가장 거대한 발사체로 알려져 있다. 여기에 실린 화성행 탐사선 중에는 인사이트와 큐리오시티가 있다.

 

NASA는 발사 생중계행사에 전 세계 시민들을 초청했다. “10. 9, 8. 7, 6, ……” 지구촌 곳곳에서 피부색이 다른 어린이들이 숫자를 세는 모습은 인상적이다. NASA는 ‘화성 탐사선의 탑승권을 신청하세요.’라는 이벤트를 통해 1,100만 명 넘는 지구촌 시민 이름을 마이크로칩에 새겨 보냈다. 한국서도 20만 명 넘는 사람이 탑승권을 손에 쥐었으며 탑승자 중엔 북한 국적도 있었다.

 

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6. 비행

비행과 착륙 애니메이션

 

퍼시는 7개월의 항행 끝에 화성에 다다랐다. 발사 직후 퍼시는 로켓에서 분리돼 항행을 시작했는데, 그 거리는 무려 4억 8000만 킬로미터에 달한다. 동영상에는 그 긴 여정이 압축됐다. 항행 중 지상국에서는 탐사선의 전체 기능을 제대로 유지할 수 있게 관리하는 동시에, 이 선체에 실린 모든 시스템이 정상 작동하는지 점검했다. 충분한 전기 공급을 위해 태양 전지판 방향을 정렬하고 교신을 위해 안테나를 지구로 향해야 한다. 화성 대기에 진입하기 전 여러 차례 궤도를 수정하는 일도 지상국의 주요 임무다. 마지막으로 대기권 진입과 하강, 착륙 단계에 이곳의 요원들은 손에 땀을 쥐게 되는데, 이 단계에는 지구와 퍼시 사이의 통신이 완전히 두절 되기 때문이다. 이 과정은 다음 동영상에서 자세히 보기로 하자.

 

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7. 착륙

목표 지역에 안착하다!

 

화성 착륙은 40퍼센트의 가능성에 도전하는 일이다. 그만큼 성공률이 낮다. 대기권 진입 후 하강, 착륙하는 단계까지 지구와 교신이 7분간 끊기는 데다 성공했다 해도 전파가 지구까지 오는 데 11분 걸려, ‘손톱을 물어뜯는’ 초조한 시간을 인내해야 한다. 그 전 과정이 자동으로 이뤄져야 하는 이유다.

 

대기권에 진입한 퍼시는 속도가 급격히 떨어졌으며 마찰열로 온도는 섭씨 1,300도까지 치솟았지만, 내부는 안전했다. 이윽고 낙하 속도가 초속 440미터에 다다랐을 때 낙하산을 펼쳤고 12초 후엔 열차폐막이 떨어져 나갔다. 동영상에서 갑자기 카메라가 흔들리는 이유다. 이제 퍼시 몸체가 드러났고 목표 지점을 향해 카메라 시선이 고정됐다. 되돌아오는 레이더 신호를 분석해 고도를 측정하고 다시 카메라 영상과 컴퓨터에 실린 지도를 비교, 어디로 이동할지 결정하는 과정이 반복됐다. 이제 낙하산 줄을 끊고 하단 차폐막을 떼어낸 다음, 스카이크레인이 역할을 맡을 차례다.

 

이 장치는 착륙 12초 전 20미터 길이의 케이블로 천천히 퍼시를 내려 바퀴가 땅에 닿는 즉시, 케이블을 끊어 안전한 곳으로 날아갔다. 이 모든 과정이 매끄럽게 끝났다면 정확히 11분 후에 제트 추진 연구소는 로버가 안착했다는 신호를 수신한다. 세계협정시로 2021년 2월 18일 20시 55분, 소형 자동차만 한 퍼시는 흙먼지를 일으키며 북위 18.4도, 동경 77.5도 지역에 내렸다. 계획했던 7.7 × 6.6킬로미터 크기의 타원 중심에서 남동쪽으로 불과 1킬로미터 벗어난 지점. 때는 화성 절기로 춘분이었다. 퍼시의 유도 관제 책임자인 스와티 모한 박사는 로버가 성공적으로 안착했다는 사실을 알렸고 지상국에서는 환호성이 터졌다. 이름에 걸맞은 ‘인내’의 순간들이었다. 퍼시가 착륙한 장소에는 미국 SF 작가인 옥타비아 버틀러(1947∼2006년)의 이름을 붙였다.

 

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8. 화성 파노라마

퍼시가 보낸 화성 사진

 

NASA는 2021년 2월 20일 퍼시가 찍은 사진을 공개했다, 항법 카메라로 6장을 찍어 합성한 영상에는 퍼시와 화성의 거친 표면이 드러나 있다. NASA는 이어 2월 24일, 새로운 사진을 발표했는데, 마스트캠-Z라는 카메라 영상을 덧붙인 것이다. 이것은 두 개의 눈을 가진 듀얼 카메라로 줌 기능이 있으며 파노라마 영상을 제공한다. 마스트캠-Z는 HD 수준의 고해상도를 자랑해 확대시켜 보면 눈 앞에 펼쳐진 광경을 보는 듯한 착각에 빠진다.

 

3월 5일, 퍼시는 6.5미터 시험 운행에 성공했다. 앞으로 마스트캠-Z, 수퍼캠 같은 카메라 외에 자외선 영상분광기 셜록, 기상 센서 메다, 엑스선 분광기 픽슬, 레이더 영상 장치인 림팩스, 산소 발생 장치 목시 등을 동원한 본격 과학 실험에 착수한다.

 

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9. 화성 헬리콥터

인저뉴이티(Ingenuity)

 

지금까지 화성에 발을 디딘 모든 로버는 ‘거북이걸음’으로 움직였다. 퍼시의 ‘언니’ 격인 큐리오시티도 최대 속도가 초속 3센티미터에 불과했다. 지상국 관제사는 “가!”라고 명령을 내린 뒤 한참 기다렸다가 로버가 보낸 영상을 확인하고서야 직진할지, 후진할지, 아니면 우회할지 판단하는 수밖에 도리가 없었다. 처음 가보는 지역이라 당연했다. 게다가 지구와의 거리에 따라 교신 시간은 한 번에 5분과 20분 사이. 그래서 정찰병이 필요했다.

 

엔지니어들은 헬리콥터를 도입하기로 했지만, 문제가 있었다. 화성의 대기압은 지구의 0.7%! 프로펠러를 회전시켜도 양력이 모자라 다른 묘책을 찾아야 했다. 먼저 태양 전지판과 카메라, 레이저 고도계, 통신 장비만 싣기로 했다. 헬리콥터의 본체는 화장지 상자 크기에 무게는 1.8킬로그램. 이만하면 됐다! 그리고 길이 1.2미터짜리 프로펠러 두 쌍을 반대 방향으로 분당 2,400번 회전시켜 양력을 늘리기로 했다.

 

헬리콥터가 하늘에서 미리 지도를 작성해 장애물을 탐지하는 동시에, 관심 지역을 찾아내면 퍼시는 ‘준(準)자율 운전’을 하며 진로를 탐색한다. 인저뉴이티는 착륙 이후 30∼60일 안에 탐사에 착수하고 그때까지 혹독한 밤(섭씨 -90도)을 견디기 위해 히터를 켜고 전기를 충전해 둔다. 화성 최초의 드론은 앞으로 몇 차례, 1분 30초간 3∼5미터 상공을 비행하는 정찰기 역할을 한다.

 

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10. 다음 탐사는?

화성 탐사의 미래

 

퍼시는 미래 유인 탐사에 대비해 몇 가지 장비와 소재를 준비해 갔다. 먼저, 대기에서 산소를 뽑아내는 실험을 위해 목시라는 산소 발생 장치를 실었다. 산소는 숨 쉬는 공기를 만드는 데 필요하지만, 더 시급한 것은 로켓 산화제다. 나중에 지구 귀환 로켓에 쓰일 산소를 현지에서 조달하려는 것. 고대 생명체가 있었는지 탐색하는 셜록이라는 장비에는 우주복과 장갑, 헬멧 조각이 실렸다. 이 소재가 가혹한 화성 환경에서 어떤 영향을 받을지 점검한다.

 

NASA는 2030년대에 화성에 사람을 보내는데 필요한 6가지 핵심 기술을 선정했다.

1. 추진: 왕복 2년의 비행 기간 중 우주인을 보낸 뒤 안전하게 귀환시키는 로켓

2. 착륙: 무거운 우주선이 안전하게 착륙할 수 있도록 하는, 풍선처럼 불어나는 착륙 보조 기구

3. 의복: 우주인의 몸에 잘 맞는 동시에 활동하기에 편리하고 안전한 다기능 고효율 우주복

4. 차량: 과학 탐사를 포함한 다양한 화성 표면 활동, 그리고 이동에 최적화된, 안락한 차량

5. 전력: 날씨와 장소에 관계 없이 필요한 에너지를 원활하게 생산, 공급하는 지상 시스템

6. 통신: 지구와의 원활한 통신과 대용량 자료 전송에 최적화된 레이저 광통신 시스템

 

NASA는 이러한 기술을 먼저 달에서 검증, 개선한 뒤 화성 탐사에 적용할 계획이다.

 

 

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문홍규

어려서부터 천문학에 관심이 많아 과학책 읽기와 별 보기를 즐겼다. 연세 대학교에서 천문학 전공으로 박사 학위를 취득했으며 1994년부터 한국 천문 연구원에서 근무하고 있다. 2006년부터 유엔 평화적 우주 이용 위원회 근지구 천체 분야 한국 대표로 일하고 있으며, ‘2009 세계 천문의 해’ 한국 위원회 사무국장 겸 대표로 활동했다. 현재 태양계 소천체 연구와 아포피스 직접 탐사 연구, 우주 감시 프로젝트에 동시에 참여하고 있다.

 

 

 

◆ 함께 읽으면 좋은 책 ◆

 

『침묵하는 우주』

 

 

『날마다 천체 물리』

 

 

『코스모스: 가능한 세계들』

 

 

『코스모스』

 

 

『창백한 푸른 점』

 

 

『혜성』