나사의 화성 탐사 궤도선 '바이킹'이 포착한 화성의 모습. (사진=나사) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]윤현성 기자 = 인류가 60여년 만에 두번째 '커다란 도약'을 준비하고 있다.

지난 1969년 아폴로 11호가 달을 밟은 이후 2030년대 초 화성 착륙을 향한 준비가 하나둘 가시화되면서다. 

화성까지 비행거리를 눈에 띄게 줄여줄 로켓 신기술 개발, 달 기지 건설을 통한 심우주 탐사 교두보 확보 등이 대표적이다.

나사는 이미 '달에서 화성으로( Moon to Mars )'라는 목표 하에 인류의 달 복귀와 화성 진출을 위한 장기 캠페인을 지난 2018년 공개한 바 있다. 

지난해 연말 1단계에 성공한 달 탐사 계획 '아르테미스 프로젝트'도 이같은 큰 그림의 일부에 해당한다.

26일 과학계에 따르면 미 항공우주국( NASA· 나사)는 국방고등연구계획국( DARPA )과 함께 핵 추진 에너지를 활용한 '첨단 열핵 로켓 엔진'을 공동 개발하고 2027년 안에 해당 엔진을 탑재한 로켓을 달 궤도로 발사할 계획이다.

현재 우주 개발에 활용되고 있는 화학연료로켓은 액체산소와 같은 산화제와 화학 연료를 섞어 연소시키고 여기서 발생하는 가스를 분사하면서 추진력을 얻는 방식으로 발사된다.

이같은 로켓의 경우 무게 대부분을 연료가 차지하게 된다. 

지난해 우리나라가 발사에 성공한 '누리호'의 중량 90%는 연료였고, 중국의 초대형 로켓 '창정 5B' 또한 무게 90% 이상을 극저온 액화수소 추진제와 액화산소 연료가 차지했다.

반면 열핵 로켓은 산화제가 아니라 핵분열 원자로에서 발생하는 고열을 이용해 추진제를 가열시켜 추진력을 얻게 된다. 

원자력으로 추진제를 가열·팽창하고 이를 통해 추진력을 얻는 만큼 별도의 산화제가 필요 없다. 

로켓 연료의 효율성을 나타내는 '비추력(연료 1㎏ 연소 시 초당 얻는 추력)'도 기존의 화학연료로켓보다 높아 더 빠르게 항행할 수 있다.
 

나사와 국방고등연구계획국( DARPA )은 첨단 열핵 로켓 엔진을 공동 개발하고 시연할 계획이라고 25일(현지시간) 밝혔다. 사진은 열핵 엔진이 탑재된 로켓 상상도. (사진=나사) *재판매 및 DB 금지

실제로 나사는 이처럼 원자력을 이용해 추진력을 얻는 열핵 로켓이 기존의 화학연료로켓 보다 3배 이상의 효율을 낼 것으로 보고 있다. 

현재의 기술로 지구-화성 간 비행 시간은 약 8~9개월이 소요되는데, 열핵 로켓을 활용하면 이를 3개월 수준으로 줄일 수 있을 것이라는 기대다.

화성과 같은 심우주를 유인 탐사하는 데 있어 항행 기간을 줄이는 것은 필수적이다. 

기간이 길어질수록 보급품이 더 많이 필요할 수밖에 없고, 우주 방사선 등에 노출되는 시간이 길어지는 만큼 우주비행사를 보호하기 위한 시스템을 더 강화해야 하는 등 더 많은 작업이 필요하기 때문이다.

당초 열핵 로켓과 같은 원자력 활용 우주선은 우주 개발이 한창이던 1970년대에도 개발이 추진됐으나 예산 문제, 핵물질로 인한 사고 우려, 냉전 시대 우주 핵 군비경쟁 격화 우려 등으로 인해 무산된 바 있다. 

하지만 화성과 같은 심우주를 사람이 직접 탐사하기 위해서는 보다 효율적인 연료 사용을 가능케 하는 핵 추진 로켓이 필수적이라는 판단 하에 잊혀진 기술을 다시 꺼내게 된 것이다.

나사 또한 이번에 개발되는 열핵 로켓 엔진이 화성으로의 유인 임무 준비를 위해 필요한 가장 핵심적인 기술 중 하나가 될 것이라고 강조했다.

유인 화성 탐사를 향한 나사의 계획은 열핵 로켓 엔진 개발에 앞서 이미 첫 단추를 꿴 상태다. 

아르테미스 프로젝트의 경우 당면 목표는 아폴로 프로젝트 이후 인류를 달에 다시 보내는 것이지만, 최종적으로는 달에 인간을 상주시켜 화성 등 심우주 탐사를 위한 전초기지로 삼는 것이다.

아르테미스 1단계 계획으로 지난해 11월16일(현지시간) 발사됐던 오리온 달 탐사선은 25일 간의 항해 끝에 12월11일 태평양 해상에 무사히 착수했다. 

오리온은 2024년 유인 달 탐사, 2025년 유인 달 착륙 계획에 앞서 우주선 선체의 성능을 검증하고, 장기간 우주 비행이 인체에 미치는 영향을 파악하는 임무를 수행했다.
 

지난 5일 오리온 달 탐사선이 촬영한 본체 모듈과 달의 모습. (사진=나사) *재판매 및 DB 금지

3단계에 걸친 아르테미스 프로젝트를 성공적으로 마치게 된다면 나사는 유인우주선을 지속적으로 달에 보내 달 기지 건설을 본격 추진한다. 

달 상공에는 우주정거장 '루나 게이트웨이'를 띄우고 지상에도 달 표면 기지를 세워 인간을 달에 상주시킨다는 계획이다.

상주기지를 통해 달에 매장된 막대한 자원을 확보하고, 지구보다 약한 달의 중력을 이용해 달 상주기지를 향후 화성 등 심우주 탐사를 위한 교두보로 삼는다는 것이다.

실제로 달은 지구와 가장 가까운 천체이면서 중력은 지구의 6분의 1에 불과해 우주선을 더 쉽게 발사할 수 있다. 

우주를 향해 로켓을 쏘아 올리는 것이 결국 중력과의 싸움이라는 것을 고려하면 우주탐사에 상당한 유리한 셈이다. 

달에서 우주로 물건을 보내는 데 필요한 에너지는 지구의 24분의 1로 추정되고 있다.

이같은 달의 특성과 열핵 로켓의 높은 비추력이 합해지면 현재 기술보다 훨씬 빠르고 안전하게 유인 화성 탐사를 가능케 할 수 있을 것으로 기대된다.
 

[화성= AP/ 뉴시스]'탐사 로봇(로버)' 퍼서비어런스( Perseverance )가 화성에서 첫 시범주행에 성공했다고 미국 항공우주국( NASA )가 5일(현지시간) 발표했다. 사진은 퍼서비어런스 바퀴 자국이 찍힌 화성 토양. 사진은 NASA 가 제공했다. 2021.03.06

나사는 이처럼 사람을 직접 화성으로 보낼 준비를 하는 동시에 화성의 환경 조사도 진행하고 있다. 

지난 2020년 7월 발사돼 이듬해 2월 화성에 착륙한 탐사 로버(무인정찰기) '퍼서비어런스'는 화성 표면에 대한 지질학적 탐사를 진행 중이다.

퍼서비어런스의 핵심 임무는 화성의 표면 성분 등을 조사하는 것이지만 유인 탐사를 위한 기초 시험까지 수행하고 있다. 

로버 기체에 우주복 소재를 담은 패널을 탑재해 미래 화성 유인 탐사에 쓰일 우주복 소재의 성능을 시험하고 있고, 지난해에는 퍼서비어런스에 실어보낸 산소 추출 장비가 나무 한 그루 분량의 산소를 생성해내면서 유인 탐사 때 필요한 산소를 현장에서 확보할 수 있는 가능성을 열기도 했다.

나사는 '달에서 화성으로' 계획에 대해 "인류가 화성에 처음으로 착륙하는 것은 인류의 미래에 대한 경외심을 불러일으키는 업적이 될 것"이라며 "나사는 화성과 그 주변의 무인 로봇 탐사에서 선두를 지키고 있다. 이같은 로봇 탐사는 2030년대에 시작돼 착륙으로 정점을 찍을 유인 화성 탐사 임무의 전조 역할을 하게 되며, 우리가 향후 수년에 걸쳐 달에서 수행하게 될 임무들도 화성 유인 탐사를 뒷받침하게 될 것"이라고 강조했다．