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[과학]Fly to MARS #1 : 화성의 정복자, 일론 머스크

2016-11-22 13:11

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"1960년대가 가기 전까지 인간을 달표면에 도달시켜서..."

1961년, 미 의회에서 케네디 대통령이 했던 연설은 결국 1969년에 아폴로 11호가 달에 착륙하며 현실이 되었다.

"2022년에 인간을 화성에 도달시켜서..."

2016년 9월 27일에 멕시코 과달라하라에서 열린 국제 우주비행 회의 기조 연설에서 스페이스X의 CEO 일론 머스크가 행한 연설이다. 과연 케네디의 연설처럼 현실이 되어 역사의 한순간을 장식할 것인가?

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[ 인류의 화성에 대한 도전 ]

1960년대에 미국은 정치적 이유로 아폴로 계획을 추진했고 달을 정복했다. 당시 폰 브라운을 비롯한 과학자들은 여세를 몰아서 화성까지 정복하려 했으나 이미 시들해진 우주경쟁, 치솟는 월남전 전비 때문에 결국 좌절된다. 그 뒤 반세기 넘게 인류는 지표면에서 매우 가까운 우주의 문턱에 머물면서 무인탐사선과 로봇을 대신 태양계 각 행성들과 소행성, 혜성에 보내며 탐사활동에 치중해왔다. 그리고 21세기가 되어 인류의 오랜 염원이던 외계행성으로의 본격적인 진출이 국가 차원이 아닌, 일개 개인의 야망에 의해 이루어지게 되는 순간이 도래했다.

아폴로 계획 당시에 미국은 이미 발사 중량 3천 톤 급의 새턴 V라는 거대 로켓을 개발했고 달까지 무려 40톤의 중량물을 보낼 수 있었다. 이는 화성으로 향한다면 적어도 20~30톤의 중량물을 보낼 수 있다는 뜻이다. 물론 10일 미만의 단기 우주여행인 달왕복에서도 40톤의 우주선으로는 매우 비좁고 열악한 환경이었기에 화성에 가려면 적어도 새턴 V와 같은 로켓을 동시에 여러 대 쏴서 더 큰 우주선을 우주에서 도킹을 통해 조립해야 가능한 일이었다. 기술적인 난관 이외에도 천문학적인 비용이 필요했을 것이다. 심지어 몇 년에 걸친 장기간의 우주여행은 달왕복과 다른 또 다른 차원의 도전이 될 것이 분명했다.

달이 잊혀진 반세기 동안 인류가 우주로 직접 가려는 열정을 접은 것은 아니었다. 비록 지표면에 매우 가까운 300~500km의 저고도(?) 우주에서 활동했지만 여러 우주정거장과 우주실험실을 통해서 장기간 우주 체류에 대한 실험과, 수 톤에서 십여 톤의 모듈을 개별적인 로켓으로 쏘아올려 우주에서 조립, 거대한 구조물을 만드는 기술도 끊임없이 진화시켜 왔다. 또한 달 다음 목표로 가장 유망했던 화성에 탐사선과 로봇을 계속 보내서 이제는 화성에 관한 사전 정보를 충분하게 얻었다. 그러나 비용은 여전히 최대 걸림돌이었다. 화성은 여전히 너무나 멀고, 화성까지 사람을 태우고 보낼만한 크기의 우주선은 상상을 초월하는 예산이 필요했다. 심지어 새턴 V 로켓도 사라졌다.

21세기에 접어들면서 유일한 우주강국으로 남은 미국조차도 치솟는 우주 관련 비용을 감당하기 어려워져서 폐쇄적이었던 우주항공산업을 차츰 민간기업들에게 개방하기 시작했다. 우주항공 인프라가 앞서있고 관련 인력과 기술 잠재력이 컸던 미국에서 스페이스X를 필두로 하는 민간 우주기업들이 하나 둘 탄생하여 현재에 이르렀다. 특히 스페이스X는 최근에 신개념의 재활용 발사체 기술을 완성시켜가고 있고, 발사체 가격 파괴를 주도하면서 기존 서방 세계 발사체 시장의 판도를 재편하고 있다. 그리고 스페이스X의 일론 머스크는 민간 기업답게 정부에 얽매이지 않는 자유분방함으로 민간 주도의 화성 정복을 주창하고 나섰다. 이는 십여 년 전만 해도 상상하기 어려운 일이었으나 이제는 오히려 민간기업의 화성 도전이 어쩌면 당연하게 느껴질 정도로 큰 변화가 있었다.

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달 착륙 직후 미국이 구상했던 행성 간 우주선 컨셉아트,

새턴 V 로켓의 상단부에 열핵추진 엔진을 장착하고 병렬로 연결하여 궤도 조립하는 방식

[출처 : http://drell-7.deviantart.com]



[ 화성으로 가려던 NASA의 좌절된 계획 ]

NASA가 달을 정복한 뒤에 우주정거장과 화성 정복까지 계획했다는 것은 이미 알려진 사실들이다. 치올코프스키가 우주여행에 대한 기초이론을 처음 세운 이후로 사람이 본격적으로 우주로 진출하기 위한 교두보로 우주정거장과 달기지, 화성 기지 등이 유력했었다. 그러나 아폴로 계획 직후로 미국의 유인 우주계획은 근우주에서 활동하는 수준에 머물러왔고, 효율과 비용 문제로 야심 차게 취역시킨 스페이스셔틀이 주된 발사체가 되면서 지구로부터 1,000km 벗어난 심우주로는 진출할 수단이 없었다.

구소련 역시 달 정복 경쟁에서 패배한 이후로 근우주에서 우주정거장을 활용한 군사적 우위에 치중하다가 체제 붕괴 이후에 고착화되어 근근이 명맥을 유지하는 수준이다. 미국 역시 경쟁상대가 사라진 마당에 더 이상 우주개발을 가속화 할 의지가 약해져서 러시아의 값싼 구시대 유인우주선을 통해 간간이 우주비행사를 위탁 파견하는 처지가 되었다.

하지만 스페이스셔틀 이후로 새롭게 고안된 신형 발사체를 구상하게 된다. 당초 컨스텔레이션 계획에서는 아레스 시리즈의 다양한 발사체가 고안되었다. 하지만 기존의 관산 협업 개발 방식으로는 점차 고비용 압박이 대두되었으며 결국 금융위기를 통해 현재의 우주발사체(SLS : Space Launch System)으로 후퇴하였다. 여기에 더해 새로운 범용 유인우주선인 오리온을 오랜 시간 개발하고 있다.

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컨스텔레이션 계획 당시에 아레스 발사체를 활용한 NASA의 화성탐사선 코페르니쿠스 컨셉아트,

열핵추진 엔진 3개를 장착하고 화성까지 왕복할 수 있도록 고안되었다. - [출처 : NASA]

 

컨스텔레이션 계획에 따르면 아폴로 계획과 유사하지만 더욱 확장된 달 착륙선까지 더하여 달을 재정복하고 월면 기지를 세우며, 화성까지는 아예 국제우주정거장급의 거대한 행성 간 우주선을 만들어서 유인 왕복 여행을 가능케 하는 목표까지 수립했었다. 그러나 컨스텔레이션 계획으로는 달 재정복과 화성 정복까지 수행하려면 도대체 얼마나 많은 비용이 들어갈지 아무도 몰랐으며, 그 효용성에도 의문이 제기되어 결국 장기적으로 미국의 우주 패권만 유지할 만큼의 유인 우주 프로그램을 수행하는 정도로 대폭 축소되어 현재에 이른다.

현행 SLS, 오리온 프로젝트에서는 2018년에 무인 오리온 우주선을 탑재한 SLS의 첫 발사로 우주선을 달까지 보낸 뒤에 그대로 귀환 궤도를 통해 지구로 돌아오는 계획이다. 이를 통해서 우주선과 SLS의 테스트를 마치고 2021년에 처음으로 유인 오리온 우주선을 달 근처로 보낼 예정이다. 컨스텔레이션 계획처럼 달에 재착륙하지는 않고 미리 달 근처로 포획해온 작은 소행성과 랑데부하여 유인 소행성 탐사를 하는 계획이다.

NASA는 이런 식으로 심우주 유인 탐사 능력은 유지하면서도 적극적으로 나서지는 않는 어중간한 모습을 보여왔다. 아마도 NASA가 화성행을 본격적으로 논하는 시점이라면 2030년대가 지나서야 가능한 것이었다. 러시아는 이미 쇠퇴했으며, 유럽과 일본은 미국을 굳이 따라잡으려 하지 않는다. 새롭게 떠오르는 우주 경쟁자 중국은 아직 심우주까지 진출하기에는 기술적으로 격차가 있다고 느꼈을 것이다. 그런데 이런 틈바구니에 갑자기 민간기업들이 끼어들었다.

러시아에 의존적인 유인 우주 프로그램에서 탈피하여 독자적으로 우주로 가자니 비용이 문제가 된 NASA는 기존에 개발된 많은 기술들을 민간기업에게 문호를 개방했다. 근우주 미션은 민간에 위탁하고 심우주에 집중하려 한 것인데 작금에는 오히려 민간의 효율성이 크게 발휘되어 민간기업조차도 심우주까지 관심을 보이는 형국이다.

 

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새턴 V, 우주왕복선, (폐기된) 아레스 시리즈, SLS 시리즈 크기 비교

[출처 : http://pics-about-space.com]



[ 화성으로 가려는 스페이스X의 계획 ]

당초 2015년에 첫 시험발사 예정이던 스페이스X의 새로운 대형 로켓 팔콘 헤비는 여러 가지 문제로 2017년 초순까지 발사가 연기되었다. 발사 중량이 1,400톤을 넘는 팔콘 헤비는 우주왕복선 퇴역 이후에 SLS의 등장 이전까지 가장 거대한 로켓이 된다. 그러면서도 경제성에 치중하여 50톤의 화물을 우주로 보내는데 고작 1천억 원가량의 비용이 소요될 예정이다. 여기에 그치지 않고 스페이스X는 재활용 기술과 규모의 경제학을 통해 차츰 발사체 비용을 절감하는 목표를 가지고 있다. 만약 팔콘 헤비가 성공적으로 취역하면서 목표한 경제성까지 달성하면 러시아, 중국을 제외한 서방세계의 주요 발사체 시장을 뒤흔들 가능성이 매우 높다. 이러한 팔콘 헤비를 통해서 일론 머스크가 2025년이나 2027년에 화성으로 사람을 보낼 것이라는 추측이 있어 왔다. 팔콘 헤비는 한 번의 발사로 화성까지 13.6톤의 화물을 보낼 수 있다. 이는 여러 명의 사람이 7개월 이상의 우주여행을 하기 위해서 필요한 우주선을 한 번에 발사할 수 없어서 결국 여러 차례의 발사와 궤도 조립 과정을 거쳐야 한다는 의미다.

 

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팔콘9 로켓 3대를 병렬로 이어붙인 팔콘 헤비. 27개의 엔진을 동시에 사용한다.

[출처 - http://www.kollected.com]

 

스페이스X는 독자적인 화성 탐사 계획 이외에도 NASA와의 협력을 통해 화성에 유인 우주선 크기의 탐사선을 착륙시키는 계획을 진행 중이다. 그 뒤 화성까지 가는 기술을 어느 정도 체득하면 곧바로 독자 유인우주선을 보낸다는 큰 밑그림만 그린 것으로 알려졌었다. 이러한 모든 예상에는 팔콘 헤비의 존재가 필수적이다. 팔콘 헤비를 제외하면 현존하는 다른 발사체들로는 시도하기가 극히 어렵다. 문제는 2025, 2027년이라는 구체적인 시한을 예고한 상태에서 과연 일론 머스크가 화성을 정복할 수 있는지였다. 아직 시험도 못해본 로켓을 가지고 화성 정복을 자신하기엔 이르지 않는가?

스페이스X는 이미 무인 우주화물선을 국제우주정거장에 여러 차례 도킹시킨 전례가 있어서 우주선에 대한 기술력은 어느 정도 입증했으나 유인우주선에 사람을 태우고 우주로 보낸 경험은 아직 없다. 또한 궤도상에서 모듈을 조립하여 거대 구조물을 제작하는 실질적인 경험도 없다고 볼 수 있다. 오로지 그간 국제우주정거장의 건설을 통한 간접 경험이 전부이다.

물론 무인 우주선을 다시 지구로 귀환시켜서 해상에서 회수하는 기술까지는 완성한 단계이지만, 유인 우주선을 화성에 착륙시키는 것은 지구 상의 어느 누구도 시도한 예가 없다. NASA가 1톤 남짓한 무인 탐사로봇을 화성에 착륙시킨 경험은 있지만, 사람이 탑승할 10톤가량의 우주선이 화성에 착륙하는 것은 전혀 다른 차원의 기술적 난이도를 갖게 된다. 만약 유인우주선을 화성에 보내더라도 사전에 사람이 탑승하지 않고 착륙하는 실험을 시도해야 한다. 2년에 한 번씩 지구에서 화성으로 우주선을 보낼 수 있는 현실적 여건을 감안하면 유인 화성 착륙은 상당한 테스트 시간이 필요함을 알 수 있다. 만약 일론 머스크의 호언장담처럼 2022년에 인간이 화성에 가려면 관련 기술 개발을 앞당기고 2017, 2019년의 단 두 차례 기회를 이용하여 최대한 많은 테스트를 거쳐야만 하므로 시간적으로 매우 촉박하다.

 

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스페이스X가 유인우주선으로 개발 중인 드래건2를 이용한 화성 무인탐사 계획 레드 드래건

NASA와 협력하여 2018년에 탐사장비를 장착하고 팔콘 헤비 로켓으로 발사될 예정

[출처 - http://i.imgur.com/iXCnEy2.jpg]

 

앞서 거론한 팔콘 헤비가 실용화되는 것도 역시 중요한 요소이다. 현재 스페이스X가 상용화시킨 팔콘9 로켓은 비록 1단 재활용의 목전에 있지만 화성까지 사람을 보내기엔 너무 작은 로켓이다. 팔콘 헤비를 통해 화성까지 사람을 보내는 계획에서는 재활용을 통한 비용 절감이 유용하며, 설령 재활용하지 않고 최대 운송능력을 모두 사용한다고 쳐도 여러 대를 발사하여 궤도상에서 화성 운송선(MCT : Mars Colonial Transporter)을 조립하므로 결국 화성으로 가는 우주선의 편도 비행 예산은 상당히 비쌀 것이다. 또한 화성에 일단 도달한 우주선은 지구로 귀환하기 위한 연료가 없다. 만약 화성까지 왕복하려면 편도 여행에 비해 몇 곱절 더 큰 우주선이 필요하다. (아니면 별도로 거대한 급유선을 따로 화성에 동행시켜야 한다)

 

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스페이스X의 MCT 컨셉아트

사실 스페이스X는 MCT의 개념에 대해서만 설명했을 뿐

공식적으로 어떠한 컨셉도 내놓은 일이 없다

이번에 ITS 발표가 유일한 공식 컨셉이다

[출처 : http://www.humanmars.net]

 

고작 10여 톤 남짓한 소형 무인 우주화물선만 실용화하고 있는 스페이스X가 수백 톤에 이르는 초대형 우주선을 궤도상에서 건조하고, 화성에 사람을 보내면서 필요한 물자까지 같이 운송한 뒤에, 지구로의 재귀환을 위한 연료 보급선까지 같이 화성에 보낸다면 인류 역사상 존재한 적이 없는 거대한 우주선단이 되는 셈이다. 우주에서 대형 구조물을 조립하는 것은 결코 만만한 일이 아니며, 장기간의 우주여행과 화성 착륙, 재이륙, 귀환까지 합치면 장장 900일이 넘는 대장정이 된다. 설령 편도 여행으로 화성에 도착한 뒤에 지구로 다시 돌아오지 않는다고 쳐도 여전히 화성에서의 생존 등과 관련된 복잡한 문제에 직면하므로 도전을 넘어선 행운의 연속이 필요한 기적과 가깝다고 볼 수 있다.


 

[ 또 다른 민간 화성 정복 시도, 마스 원 ]

Mars One은 한 네덜란드 사업가가 구상한 민간 화성 정착 프로그램이다. 하지만 독자적인 기술 개발보다는 기존의 우주 기구, 업체들과 협력하여 자금을 끌어모으는 비즈니스 프로그램의 성격이 강하다. 그럼에도 이미 최초의 화성 거주자 모집을 마쳤고, 다양한 컨셉의 화성 거주 프로그램을 보여주고 있다.

얼마 전까지 만약 화성에 처음 사람이 도달한다면 마스 원 계획으로 가능할 거라는 추론이 인터넷상에서 널리 퍼졌었다. 그러나 이것은 불가능에 가깝다고 볼 수 있다. 막대한 자금 조달도 문제시되는 와중에 만약 화성까지 사람을 보냈다 쳐도 초기 정착민들의 생존확률은 극히 낮다는 연구결과까지 나왔다. 물론 화성까지 사람을 보내는 기술을 실제로 개발할 수 있느냐의 문제는 배제한 것이다.

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마스 원 초기 화성 정착촌 컨셉

작은 캡슐형 모듈을 각각 별도의 행성 간 추진기로 화성에 보낸 뒤 결합시키는 방식이다

[출처 : Mars One]


NASA가 화성에 사람을 보내기 위해선 엄청난 개발비용의 최첨단 크루즈 여객선이 필요하다고 주장했다면, 스페이스X는 비교적 값싸고 적당한 성능만 갖춘 화물선으로 충분하다고 했었다. 반면에 마스 원은 아예 돛단배만 있어도 된다는 식으로 여겨질 정도였다. 매우 비좁은 우주선에 여러 명의 사람이 몇 개월간 버티면서 화성까지 간다는 구상인데, 실제로 여행 도중에 버틸 수 있을지 조차 의문이 드는 수준이다. NASA와 스페이스X는 모두 여태껏 존재한 것 이상으로 큰 우주선의 필요성을 말하지만, 마스 원은 그냥 무작정 화성에 가려고 했다. 작은 우주선 형식의 모듈을 여러 대 화성에 보낸 뒤 그걸 이어붙여서 화성 정착촌을 건설한다는 계획이다.

그나마 마스 원의 가장 큰 존립 이유이던 화성 최초 유인 정복이라는 타이틀을 빼앗기게 된다면 어떨까? 바로 그 일이 지난 9월 27일에 일어난 것이다. 마스 원은 앞으로 재기불능의 타격을 입을지 모른다. 일각에서는 마스 원이 희대의 사기극으로 끝날 것이 아니냐고 의심했었다. 하지만 사기극이든 아니든 최초 화성 정복 타이틀이 존재하는 한 여전히 유효한 사업 구상인 것이다. 그런 최초 타이틀이 네덜란드인에게서 어떤 남아공 사람으로 옮겨간 것이다.

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ITS(Interplanetary Transport System)계획을 발표하는 일론 머스크,

케네디 대통령의 의회 연설처럼 인류의 우주개척사에서 역사적인 순간으로 기록될 가능성이 높다.


일론 머스크의 야심찬 화성 정복 계획 발표에 자극받았는지 미국 오바마 대통령은 2030년까지 화성에 인간을 보낸다는 계획을 CNN을 통해서 두리뭉실하게 발표했다. 내용을 살펴보면 그동안 나왔던 NASA의 화성 유인 탐사 계획과 스페이스X 등의 계획을 조합하여 민관 합동으로 화성을 정복하는데 미국 정부가 나서겠다는 것이다. 하지만 이것은 케네디 대통령처럼 국가 최우선 과제의 하나로 우주계획을 내세운 것이 아닌, 우주 패권국의 임기말 대통령으로서 자존심 때문에 마지못해 나선 것이라 볼 수 있다.


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최근 CNN을 통해 미국의 화성행을 언급한 오바마 대통령이 NASA 우주비행사들을 면담하는 장면

[출처 : https://techcrunch.com]


스페이스X는 현재까지 NASA로부터 ITS에 대한 어떠한 지원도 약속받지 못했고 기대하지도 않는다는 입장이다. 다만 NASA가 참여를 희망하면 받아들이겠다는 수준에서 수동적인 자세를 견지하고 있다.


다음 편에서는 일론 머스크의 화성 대작전에서 핵심적인 ITS를 자세히 해부해보기로 하자.






엘랑


편집 : 꾸물

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