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최근 유럽우주국(ESA)이 탐사로봇 ‘필래’를 혜성에 착륙시키는 데 성공했어. 이 착륙을 위해 탐사선 로제타는 필래를 싣고 10년 8개월이나 비행했지. <;어린이과학동아>;가 창간되던 해에 지구를 떠난 탐사선이 이제야 혜성을 만난 거야. 정말 영화 같은 일이지?
그런데 로제타 탐사선 말고도 영화 같은 일들이 우주에서 벌어지고 있어. 지금 우주에서 일어나고 있는 영화보다 더 멋진 일들을 소개해 줄게!

 

MISSION 1 혜성에 착륙하라!

혜성은 45억 년 전, 태양계가 만들어졌을 때 남은 물질들이 모여 이루어진 천체야. 그래서 혜성을 연구하면 초기 태양계의 정보를 알 수 있지. 그동안 과학자들은 혜성을 탐사하기 위해 노력했지만, 지금까지는 탐사선이 혜성 근처에 가서 사진을 찍는 것에 불과했어. 하지만 유럽우주국(ESA)이 지난 11월 12일, 세계 최초로 필래를 혜성에 착륙시켰단다. 어떻게 이 일이 가능했을까?

착륙준비 1 어떤 혜성에 착륙할까?

이번 로제타 탐사선의 목표 혜성은 ‘67P/추류모프-게라시멘코’야. 1989년 추류모프라는 소련의 과학자가 처음 발견한 혜성이지. 전체 모양이 오리처럼 생겼는데, 길이가 가장 긴 곳은 4.1km나 돼.
이 혜성이 선택된 이유는 태양을 중심으로 주기적으로 돌고 있는 ‘주기혜성’이기 때문이야. 비주기혜성은 태양계를 한번 왔다가 떠나면 다시 오지 않기 때문에 탐사에 적합하지 않거든. 과학자들은 당시 발견된 주기혜성 100여 개 중 적합한혜성을 찾기 시작했어. 혜성의 궤도와 탐사선의 궤도를 그려서 계산해 본 결과, 에너지가 가장 적게 들면서도 원하는 시점에 만날 수 있는 46번째 혜성인 ‘46P/위르타넨’이 선택됐지. 그런데 탐사선 발사 날짜가 미뤄지면서 다시 계산을 해야했고, 결국 67번째 혜성이 최종 결정된 거야.
 탐사로봇 필래가 착륙한 혜성 ‘67P/추류모프-게라시멘코’. 길이가 가장 긴 곳은 4.1km로, 남산타워에서 성균관대학교까지의 거리와 비슷하다.


혜성이 결정되자마자 과학자들은 탐사선의 궤도를 계산하기 시작했어. 이번 로제타 프로젝트의 목표 중 하나는 혜성의 꼬리가 어떻게 만들어지는지 알아내는 거거든. 혜성은 태양계 밖에 있을 때는 단단한 얼음 덩어리였다가, 목성과 화성을 지날 때 쯤 가스를 분출하며 꼬리가 만들어진다고 알려져 있어.
그래서 목표 혜성이 목성을 지나는 시점에 탐사선과 만날 수 있도록 탐사선의 궤도를 정했어. 혜성의 꼬리가 만들어지는 과정을 관측하고 분석하기 위해서지. 그 결과 10년 8개월 동안 태양계 안쪽을 5번 정도 돌며 64억km를 비행해 목성과 화성 사이에서 혜성을 만나는 로제타의 궤도가 정해졌단다.

착륙준비 2 겨울잠을 준비하라!

그렇다면 10년 8개월 동안 비행하기 위해서 가장 필요한 것은 무엇일까? 바로 충분한 연료! 하지만 탐사선에 담을 수 있는 연료의 양은 정해져 있기 때문에, 연료를 효율적으로 쓰는 방법을 찾아야만 했어.
그래서 생각해낸 방법이 겨울잠!바로 ‘세이프 홀드 모드(safe holdmode)’야. 동물이 겨울잠을 잘 때 심장만 뛰고 다른 장기들은 최소로만 작동되는 것처럼 탐사선도 통신장비나 배터리, 히터만 작동되는 세이프 홀드 모드에 들어가는 거지. 로제타는 세이프 홀드 모드로 2011년부터 약 31개월간 겨울잠을 잤어. 태양에서 멀어지면 태양전지판을 통해 충전하기도 어려우니 에너지 소비를 최소화하는 거야.
또 다른 방법은 ‘중력도움’이야. 탐사선은 행성 근처에 이르면 원래의 속도에 중력이 더해져 행성쪽으로 빠르게 이동하게 돼. 이때 적절한 시점에 탐사선이 행성을 벗어나면 중력이 더해진 속도 그대로 비행할 수 있어. 로제타는 비행하는 동안 지구에서 2번, 화성에서 1번, 소행성에서 2번, 총 5번의 중력도움을 받았단다.
 
탐사선은 행성들의 궤도와 같은 방향으로 빙글빙글 돌아가는 궤도로 비행한다. 혜성으로 직접 날아가는 직선 궤도로 비행하는 것보다 연료를 적게 쓸 수 있기 때문이다.

착륙준비 3 착륙을 준비하라!

도로 움직이는 혜성에 탐사로봇을 착륙시켰기 때문이야. 이건 매우 어렵고 정교한 일이거든. 왜냐고?

문제점1_ 빠른 속도

혜성의 속도는 시속 6만 6000㎞로, 총알보다 20~30배 이상 빨라. 서울과 부산을 20초 만에 주파하는 엄청난 속도지. 이렇게 빠르게 움직이는 혜성 위로 탐사로봇을 착륙시키기 위해서는 탐사선이 혜성의 속도에 맞춰 함께 비행하고, 착륙할 곳을 예상해서 탐사로봇을 보내야 해. 마치 빠르게 달리는 기차를 쫓아 달리다가 기차에 타는 거나 마찬가지지.

[해결] 필래는 탐사선이 혜성에 최대한 가까이 다가갈 수 있는 22.5km 떨어진 지점에서부터 혼자 혜성으로 내려가야 해. 과학자들은 필래가 떨어지는 시간 동안 이동하게 될 혜성의 위치를 예상해서 필래의 적정 속도를 계산했지. 그 결과 초속 1m의 속도로 내려가면 안전하게 착륙할 수 있다는 사실을 알아냈단다.

문제점2_ 혜성은 활화산

혜성은 태양에 가까워지면서 가스와 먼지를 분출해. 혜성 안에 얼어 있던 가스와 먼지가 녹으면서 밖으로 나오는 거지.
활화산에서 가스와 용암이 나오는 것처럼 말이야. 하지만 가스가 언제 분출할지도 모를 뿐만 아니라, 가스 분출로 혜성이 폭발할 수도 있어. 또 만약 폭발로 혜성의 일부가 떨어져 나가면 함께 있던 탐사로봇도 혜성에서 멀리떨어져 나갈 수 있지. 그럼 10년 8개월을 힘들게 비행하고도 아무것도 하지 못한 채 작별인사를 해야 할 거야.

[해결] ESA에서는 착륙할 수 있는 자리를 선정하고, 최대한 빨리 탐사선을 착륙시키기로 했어. 혜성 주변을 돌던 탐사선 로제타는 혜성에서 평평하고 가스분출 활동이 적어 착륙하기에 적합한 지점의 사진을 찍어 ESA로 전송했지. 과학자들은 약 10여 개의 후보 중에 가장 안전한 곳을 선정했고, 로제타는 그지점을 향해 필래를 분리시켰어.

문제점3_ 매우 작은 중력

이 혜성의 중력은 지구의 1만분의 1밖에 되지 않아. 그만큼 혜성이 탐사로봇을 끌어당기는 힘이 매우 작지. 다른 소행성이나 행성은 중력이 충분히 크기 때문에 탐사로봇이 근처에만 가도 중력의 힘에 의해 공전하게 돼. 또 착륙해서 붙어 있기도 수월하지. 하지만 이 혜성은 중력이 매우 낮아서 탐사로봇이 착륙하기도 어렵고, 계속 붙어 있기는 더더욱 어렵단다. 또 혜성으로 빨리 다가가다가 부딪히면, 작용 반작용 원리에 의해 필래가 튕겨 나갈 수도 있어.

[해결] 튕겨 나오는 것을 막기 위해 필래는 혜성에 거의 도착했을 때 ‘반동 추진 엔진’을 사용했어. 튕겨나가는 방향의 반대로 힘을 주어서 혜성에 붙어 있을 수 있게 만든 거지. 필래는 반동 추진 엔진을 두번 사용했고, 세 번째에서야 혜성에 착륙할 수 있었어.

 
필래가 혜성에 착륙한 뒤 표면을 찍어 지구로 보낸 사진. 필래는 이 사진을 보낸 뒤 배터리가 방전돼
잠을 자고 있다.

MISSION 2 소행성 충돌을 막아라!

지난 해 러시아에는 20m 크기의 운석이 날아와 수천 명이 다치고 건물이 부서지는 사고가 있었어. 하지만 보통 소행성은 대기권으로 들어오면서 대부분 불에 타 없어지기 때문에 이런 사고가 자주 일어나지는 않아. 그렇다고 해서 안심할 수는 없어. 지구 주변을 돌고 있는 ‘근지구 소행성’은 무수히 많거든.


 
1994년부터 2013년까지 지구에 떨어진 소행성 지도 점의 크기가 클수록 충돌했을 때의 에너지가 크다. 가장 큰 점은 100만 GJ(기가줄), 폭탄 1메가톤급으로 히로시마 원폭의 약 60배에 해당된다.

 
지난 해 러시아에 떨어진 운석 샘플의 일부. 탄소질을 갖고 있지 않은 S타입의 소행성으로 밝혀지면서 과학자들이 아쉬워했다.

충돌대비 1 소행성을 파악하라!

과학자들은 우주에 얼마나 많은 소행성이 있는지, 소행성들  어떤 성분들로 이뤄져 있는지 파악하는 데 집중하고 있어. 그래야 만약 지구로 날아오는 소행성이 발견됐을 때 폭발시킬지, 궤도를 바꿀 것인지 방법을 찾을 수 있거든.
미국항공우주국(NASA)에서는 1994년부터 최근 20년간 지구에 떨어진 소행성들을 조사해 발표하기도 했어. 1에서 100만 GJ(기가줄, 1J은 IN의 힘으로 물체를 1m 움직이는데 드는 에너지. 1GJ은 109J이다.)까지 소행성이 충돌했을 때의 에너지를 크기별로 나누고, 충돌 지점에 표시를 한 지도를 완성했지. 그 결과 지난 20년 동안 지구 대기권에 떨어진 영향을 미친 소행성은 556개나 되는 것으로 나타났어.
과학자들은 소행성을 탐사하기 위해 꾸준히 탐사선을 보내고 있어. 가장 최근에 발사된 소행성 탐사선은 일본우주항공 연구개발기구(JAXA)의 ‘하야부사2’야. 지난 3일 성공적으로발사돼 직경 900m인 소행성 ‘1999JU3’을 향해 이동하고 있지. 이 소행성은 탄소질이 많은 C타입의 소행성이야. 하야부사2는 소행성 근처 100m까지 가서 화약을 터뜨리며 구리 원반을 발사하게 돼. 이때 생긴 폭발로 깨져나온 소행성의 성분들을 캡슐에 담아오는 게 목표야.
하야부사2는 지난 2010년 소행성의 샘플을 가져오는데 성공한 하야부사 탐사선의 두 번째 프로젝트야. 2003년 발사된 하야부사는 소행성에 도착한 이후 통신이 두절돼서 실패했다고 생각했지. 그런데 17년이 지난 뒤 극적으로 하야부사로부터 통신을 받았고, 채취한 샘플 표본도 무사히 지구로 돌아왔어.
NASA의 ‘오시리스 렉스’도 탄소질을 갖고 있는 소행성을 탐사하는 탐사선이야. 직경 500m인 소행성 ‘1999RQ36’을 향해 날아가고 있지. 로제타와는 달리 오시리스 렉스는 소행성에 ‘터치다운’ 해서 토양과 암석 표본을 채취할거야. ‘터치다운’은 직접 착륙하는 것이 아니라 아주 짧은 시간 동안 붙어서 채취활동을 하는 걸 뜻해. 오는 2016년에 발사해 2년 뒤 에 소행성에 도착할 예정으로, 탐사를 한 후에는 채취한 샘플 캡슐만 지구로 돌아올 계획이지.

 


➊ 지난 3일 발사에 성공한 일본우주항공 연구개발기구(JAXA)의 하야부사2의 상상도. 2018년에 소행성에 도착해 암석을 채취하고 지구 생명의 기원을 밝힐 예정이다.

➋ 2016년에 발사 예정인 미국항공우주국 (NASA)의 오시릭스 렉스의 상상도

소행성은 비밀을 갖고 있다?

소행성을 연구하는 또 다른 이유는 생명 탄생의 비밀을 갖고 있기 때문이야. 소행성은 크게 C타입과 S타입, M타입, 이렇게 세 가지로 분류가 돼. M타입은 대부분이 금속인 소행성이고, S타입은 일반적인 돌로 이루어진 소행성, C타입은 탄소질이 많은 소행성을 말해. 탄소질이 많다는 건 생명의 근원이 되
는 유기물질이 있을 가능성이 높다는 뜻이야. 그래서 현재 진행되는 소행성 탐사 프로젝트는 대부분 C타입의 소행성을 목표로 하고 있지. 소행성은 자원으로 활용할 수 있는 가치도 높아. 특히 소행성에 있는 물은 우주를 탐사할 때 연료나 마실 물, 숨쉴 때 필요한 공기로 사용할 수 있어. 지구에서 출발할 때 그만큼 물을 덜 챙기면 약 5000조 원을 아낄 수 있대.

충돌대비 2 소행성을‘ 보쌈’해서 궤도를 바꿔라!

소행성이 지구와 충돌하는 걸 막기 위해 소행성의 궤도를 바꾼다니, 정말 가능한 일일까? 실제로 ASA는 소행성의 궤도를 변경하는 소행성 궤도 변경임무(ARM, AsteroidRedirect Mission)를 계획하고 있어. 탐사선이 직접 소행성을 포획하는 프로젝트지.
크기도 크고 속도도 빠른 소행성을 어떻게 포획할 수 있을까? 정답은 엄청나게 큰 비닐이야. NASA는 일반적으로 지름이 10m보다 작은 소행성들을 포획할 계획이야. 이를 위해 과학자들은 탐사로봇 가운데에 소행성을 담을 크기의 접시를 만들고, 접시 주변에 특수한 비닐을 붙였지.
이 비닐은 아코디언처럼 주름으로 접혀 있는데, 소행성을 발견하면 쭉 펴지게 돼. 그럼 가로 15m, 세로 10m의 대형 비닐백으로 변신하지. 소행성이 움직이는 방향의 90℃로 다가가 비닐백 안에 들어오도록 천천히 움직인 뒤, 마치 짐을 싸듯 비닐이 다시 오그라들며 소행성을 붙잡는 거야. 그 다음 원하는 곳으로 이동시키면 궤도를 바꿀 수도 있는 거지.
NASA에서 처음으로 보쌈할 목표로 삼은 후보 소행성 중 하나는 ‘2011MD’야. 이 소행성은 약 6m의 크기로, 돌무더기 형태로 추측하고 있대. 2020년에 시작될 예정인데, NASA는 보쌈한 소행성을 달 궤도에 가져다 놓을 계획도 세우고 있어.

로봇팔로 소행성을 데려온다

비닐로 소행성을 보쌈하는 프로젝트 말고 다른 계획도 준비돼 있어. 비닐 대신 로봇팔을 이용하는 거야. 목표로 하는 소행성 위에 우주선을 착륙시킨 뒤, 로봇팔을 소행성에 고정시켜. 그럼 우주선이 소행성을 끌고 원하는 곳으로 이동할 수 있지. 현재 이 프로젝트의 목표 소행성은 정해지지 않았어. 과학자들은 오시리스 렉스가 탐사할 소행성 베뉴(1999RQ36)가 될 것이라고 예상하고 있어.

충돌대비 3  오리온, 소행성을 직접 탐사하라!

지난 12월 5일 오리온 탐사선의 시험비행이 있었어. 오리온이 바로 달 궤도에 가져다 놓은 소행성을 탐사할 탐사선이야. 2명의 과학자가 오리온을 타고 소행성으로 가서 직접 성분을 채취해서 돌아올 예정이지.
이번 시험비행은 유인탐사선을 준비하는 전 단계로, 사람이 타지 않은 상태에서 성공적으로 진행됐어. 만약 2018년에 있을 2차 시험비행까지 완벽히 완료된다면, 이제 사람이 직접 소행성을 탐사하는 영화 같은 일이 벌어질 수 있어. 그 동안 탄소질이 많은 C타입의 소행성은 지구에서 아주 멀리 있어서 사람이 직접 탐사하는 건 어려운 일이었거든.
앞으로 오리온 탐사선은 사람이 직접 화성에 가는 프로젝트에도 사용될 계획이야. 네덜란드에서는 사람이 직접 화성에 발을 내딛기 위한 ‘마스원(Mars-1)’ 프로젝트를 진행하고 있거든. 이 프로젝트는 20년 뒤인 2035년 즈음에는 사람이 화성에 직접 착륙하고, 새로 만든 정착지에서 살 수 있도록 하는 게 목표란다.