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달에 천문대를 세워 우주를 관측한다면 우주생성의 비밀이 손쉽게 풀릴지도 모른다.

달의 구조와 기원을 규명하고자 추진되었던 아폴로 계획이 지난 1969년 수억 지구인들이 시청하는 가운데 역사적인 유인착륙과 월면보행을 이룩하면서 성공적으로 마무리지었다. 이 계획이 종료된 1972년까지 수많은 과학기술자들의 노력을 통해 많은 문제들이 해결되긴 했지만 아직도 많은 문제가 미해결로 남아 있다. 이전과 같이 인공위성으로 달을 탐사하고 한정된 지역의 자료를 채취하는 방식에서 한 걸음 더 나아가, 이제 원하는 곳으로 가서 자료를 채취해 분석할 수 있는 단계가 됐으며 가까운 미래에는 원격조종을 통해서 공상과학과 같은 일들을 달에서 실현할 수 있을 것이다.

즉 달에 영구적인 거주 환경을 조성하고, 깊은 우주를 더 면밀히 관측하는 천문대를 건설하거나, 심지어는 달의 광물을 채취해 우주산업을 실현하는 것 등이 그것이다. 이 글에서는 우선 미해결 문제들을 서술하고, 가까운 미래에 달에서 이루어질 수 있는 연구를 천문관측의 입장에서 살펴보기로 한다.
 

미해결의 수수께끼들

아직도 미해결로 남은 문제중 대표적인 것은 달의 전체적인 화학조성이 불분명하다는 것이다. 달의 암석 자료는 미국의 아폴로계획으로 여섯 군데, 소련의 달 탐사계획으로 세 군데 도합 아홉 군데에서 얻은 것이며, 달을 선회하면서 얻은 관측 등에서 얻은 자료는 달 표면의 4분의1정도에 불과하다. 달의 뒷 면과 양극지역에 관한 자료는 매우 희귀하다.

달의 형태는 구형이 아니라 달걀형상으로서 단축이 지구를 향하고 있다. 지구를 향하는 면은 크고 어두운 마리아(maria)로 덮힌 반면 달의 뒷면은 대부분 밝은 하이랜드(highland)로 되어 있고 그 곳의 지각도 1백km 이상의 두께로 앞면의 지각 두께 60km와 대조된다. 이 점은 아직도 달의 형성과 관련된 수수께끼로 남아있다.

달의 내부는 과연 녹아 있는가. 물론 달에도 과거에는 화산활동이 존재했다. 그러나 이 활동이 얼마나 오랫동안 지속됐나 하는 것은 달의 내부가 아직도 녹아 있느냐와 관련돼 있다. 이 점은 달의 역사를 추정하는데 중요한 과제다. 이와 비근한 문제로서 달자기장의 근원을 알기 위해서 꼭 밝혀야 하는 것은 과연 달의 내부 중심핵이 액화 철로 구성돼 있느냐 하는 것이다. 현재까지 얻어진 자료를 가지고는 그 중심에 철핵의 존재유무를 판단할 수 없다.

달은 정말 죽은 천체인가. 지난 3백여년 동안 달에서 붉은 빛이라든가, 구름 그리고 안개와 같은 것이 관측됐다는 보고가 있어 왔다. 달의 내부에서 아직도 가스나 또는 다른 형태의 물질이 빠져나오고 있는 것으로 생각되지만 만약 이런 것이 정말 존재한다 면이 현상을 이해하는 것은 대단히 중요한 것이다.

이런 수수께끼들을 해결하고자, 유럽 우주국(European Space Agency)에서 현재 진지하게 논의되는 계획중의 하나는 곧 인공위성을 달의 극에서 극을 돌도록 하여 화학조성에 관한 완전한 자료를 수집하는 것이다. 이것이 이루워지면 달의 표면에 숨겨진 수분이나 또는 극지방에 감춰져 있을지도 모르는 얼음의 존재유무를 밝힐 것으로 기대된다.

우주 플랫폼

달이 가지는 특수한 환경조건으로 말미암아 거기서 얻어지는 관측자료의 질은 지표면이나 인공위성에서 얻어지는 것과 비교할 수 없을 정도로 월등하다. 중요한 사항을 요약해 보면 다음과 같다.

첫째 달에는 대기가 없다. 물론 전혀 없는 것은 아니지만 달에 존재하는 대기의 총량은 아주 적어서 큰 실내 경기장에 포함된 대기 정도에 불과하다. 지표에 건설된 광학망원경은 아무리 그 크기가 크다해도 지구의 대기가 흔들리고 요동하기 때문에 관측되는 천체의 분해능이 저하되며, 그 결과 광학망원경의 크기에 관계없이 분해능이 1초 정도로 제한된다. 망원경을 크게 하는 것은 분해능을 증대해 세밀한 영상을 얻고자 하는 것이 아니라 빛을 많이 받음으로써 어두운 천체를 관측하고자 하는 데에 있다. 달에서는 이 효과가 배제돼 분해능이 망원경의 크기에 비례해 향상된다.

또한 달에는 대기가 없어서 지구의 이온층과 같이 외계에서 들어오는 저주파를, 즉 진동수가 30MHz이하 (파장이 10m이상)의 전파를 반사하지 않으므로 지구에서는 관측되지 않는 저주파를 관측할 수 있다. 더 나아가서 같은 이유로 지표에서는 관측되지 않는 X선 감마선 자외선 관측이 모두 가능하다.

이상의 파장대역은 최근 인공위성에서 성공적으로 관측되고 있다. 즉 1990년에 발사된 허블망원경, 감마선천문인공위성, 그리고 앞으로 발사될 (1996년 예정) AXAF(Advanced Xray Astrophysics Facility)와 SITF(Space Infrared Telescope Facility)가 대표적인 예다. 그러나 이런 망원경들은 인공위성이 가지는 여러가지 제약조건으로 성능에 상당히 제한을 받는다. 즉 비교적 저고도 궤도 (5백~6백 km 상공)에 있기 때문에 우주폐기물로 인한 손상이 우려되고, 희박하긴 하나 이 고도에 존재하는 상당량의 가스와 티끌입자에서 발생하는 적의선 오염 및 빠른 인공위성과 주변 가스의 작용에서 발생하는 빛의 오염이 심각하고, 대기의 마찰로 인한 인공위성의 고도강하를 지속적으로 조정해야 하며, 지구에서 발생 또는 반사되는 각종 전자파로 관측기기의 감도가 상대적으로 저하되며, 지구의 중력장이 균일하지 않기 때문에 위치에 따른 기기의 변형으로 말미암아 그 성능이 저하된다. 결국 이런 효과를 고려할 때 달은 모든 전자파를 관측할 수 있는 안정된 우주 플랫폼과 같다고 할 수 있다.

둘째 달의 지표는 지진이나 표면온도의 견지에서 지극히 평온하며 특히 극지방이나 분화구(crater)내의 어떤 곳은 계속 그늘지기 때문에 그 곳의 온도는 70K 정도로 매우 낮게 유지된다. 월면에서는 연 평균 불과 3천 여회(지구의 경우 10만번)의 약지진이 기록됐다. 이로 미루워 볼 때, 달의 내부는 비교적 '평온'하고 지진은 지구의 경우보다 훨씬 깊은 6백~8백km 깊이에서 발생하는 것으로 추측된다. 지면의 안정성이 크게 요구되는 중력파(gravitational wave) 측정이나 광학간섭망원경 (optical interferometer)의 설치가 매우 쉬워지며, 수신기를 저온으로 냉각해야 하는 대부분의 천문기기를 그대로 내놓아도 무방하다. 특히 적외선 망원경은 온도에 대단히 예민해 수신기뿐 아니라 주변기기까지 냉각을 요하는 점을 생각할 때 월면은 이 방면의 관측에 이상적인 환경을 제공하는 셈이다.

셋째 달의 표면 중력이 약하다. 중력의 영향으로 크기의 제한을 받는 전파망원경이나 광학망원경의 반사경 크기가 월면에서는 현저히 향상된다. 현대 기계공학적인 기술로 만들어진 추적가능한(steerable) 최대 전파망원경은 독일 막스 프랑크 연구소의 직경 1백m 망원경이다. 같은 기술로서 월면에서는 어려움 없이 직경 5백m 전파망원경이나 직경 16m의 광학망원경을 만들 수 있다. 우주 공간에서 다루어야 하는 소위 무중력(zerogravity)보다는 약한 월면 중력에서 이런 기기의 건설이 더욱 용이하다.

넷째 달 암석의 화학조성은 지구의 암석과 크게 다르지 않으나 특기할 것은 수분과 산소 그리고 철 성분이 극히 희박하다는 것이다. 또한 저온에서 녹는 금속의 양이 적고 대신 용융점이 높은 칼슘 알루미늄 티탄 등의 금속들, 그리고 세라믹과 유리질 자원이 풍부하다. 달은 매우 건조해 강도가 높은 유리를 만들기에 이상적인 환경을 제공하며 이런 재질은 대단히 강하고 열팽창률이 낮아서 반사경뿐만 아니라 망원경의 구조를 만드는 데에도 사용될 수 있다. 아마 21세기 중엽에 이르면 천체망원경 부품의 대부분은 달에서 직접 충당하게 될 것이다.

물론 달에 천문대를 세우는데에는 간과할 수 없는 어려움도 있다. 우선 달에는 대기가 없기 때문에 외계에서 진입하는 유성이 타지 않고 그대로 월면을 때린다. 대다수의 유성은 아주 작아서 수 미크롱 정도이나 이것들이 계속 관측기기를 때리는 것을 꼭 막아야만 한다. 이점은 망원경에 경통이나 돔을 설치함으로써 쉽게 극복할 수 있다. 두번째로 달은 느리긴 하지만 자전하기 때문에 밤이면 1백K, 낮에는 3백85K로 극심한 온도의 일교차를 보인다. 기기에 미치는 열팽창 효과를 최소화하는 것은 최근 신소재로서 개발되는 흑연성-에폭시(graphite-epoxy)를 사용함으로써 해결할 수 있을 것이다.

우주생성 비밀 밝힐 천문대

아폴로 계획의 일환으로 월면에는 레이저를 반사하는 반사경이 몇 개 장치됐고 이것을 사용해 지구와 달 사이의 거리를 수 cm의 정확도를 가지고 측정하고 있다. 레이저빔을 쏘아서 거리를 구하는 관측을 수십년 지속함으로써 달의 운동 및 달의 내부구조를 파악할 수 있을뿐 아니라, 원리적인 측면에서 지구의 지표가 움직이는 것도 측정할 수 있었다. 경험이 누적되고 기술이 향상됨으로써 천문관측의 이상적인 조건을 갖춘 달에서 우리는 무엇을 할 수 있을까. 이미 언급한 것과 같이 달에서는 전자파 대역뿐 아니라 중력파와 뉴트리노 관측이 모두 가능하지만 여기서는 특히 광학과 전파 관측을 중점으로 최근 연구되고 있는 대표적인 과제를 소개한다.

이미 1985년에 더글라스(J. Douglas)와 스미스(H. Smith)에 의해 초저주파 합성 망원경(Very Low Frequency Array:VLFA)이 제안됐다. 이 망원경은 1m 길이의 보통 TV 안테나와 유사한 쌍극자 안테나 2백여개를 반경 20km되는 원형상 영역에 분포시켜 구경합성식으로 관측하는 것이다. 수신대역은 50 MHz 이내이며 지구에서 발생하는 저주파로 인한 오염을 막기 위해서 달의 뒷면에 설치하고 적절한 위치에 자동 가동 송신탑을 설치해 지구로 신호를 전달하게 한다. 이 전파망원경으로 아직까지 한번도 관측하지 않은 초저주파를 연구하게 되는데, 그 주요한 대상으로 태양 행성은 물론 초신성 펄사 우리은하의 성간물질 외부은하 퀘이사 등에서 일어나는 저에너지 현상을 연구하게 된다.

달과 지구를 기선(baseline)으로 해 전파간섭계를 만들 수도 있으며 실제 이 의견은 이미 캘리포니아대 드라케(F. Drake)가 제안했다. 달에 산재한 운석혈 중의 어느 하나에 직경 1천5백m가 되는 전파망원경을 고정해 놓고 지구의 전파망원경과 동시에 관측해 간섭계를 형성하면 이 경우 분해능은 물경 10만 분의 1초 정도로 기존 대륙간 간섭 계(Very Long Baseline Interferometer:VLBI)보다 1백배 이상 증가하는 셈이다.

자외선 가시광선 그리고 적외선 관측이 동시에 이루어지는 초고분해능 광학망원경(Lunar-Optical-Ultraviolet-Infrared Synthesis Array:LOUISA)의 가능성이 최근에 와서 MIT의 부르케(B. Burke)의 발의로 진지하게 논의되고 있다. 이 구경합성식 망원경은 각 망원경의 직경이 1.5m이며, 두개의 동심원형상에 모두 42기가 배치되도록 설계됐다. 반경 10km의 원형상에 33개 망원경을 배치하고 안쪽에는 반경 0.5km의 원형상에 9개의 망원경을 배치해 각각의 망원경들이 모두 연결되는 간섭계를 구성한다.

이 망원경이 가질 분해능은 엄청나 10만분의 1초에 해당한다. 이러한 분해능으로는 가까운 별에 속한 지구 크기의 행성을 찾아 낼 수 있으며, 이것은 허블 망원경의 1만배에 해당한다. 이런 엄청난 분해능과 자외선에서 적외선에 이르는 광역 파장으로 대부분의 천문학적인 대상은 세밀히 관측되리라 기대된다. 은하핵(galactic nuclei)의 정밀관측, 퀘이사의 고유운동 관측, 더 나아가서 우주팽창의 비등방성 등 놀랍고 획기적인 관측들이 가능하다.

달에서 하늘을 보는 것을 상상해 보자. 태양이 빛나는 곳을 제외한 모든 하늘은 밤도 낮도 구별없이 수 많은 별들로 덮여있다. 별들은 반짝거리지 않고 오직 찬란한 빛을 쏟아낸다. 저쪽 월평선에서는 크고 푸른 영롱한 지구가 무수한 생을 담고 소리없이 떠오른다. 들리는 것은 오직 자신의 호흡과 심장고동 소리와 작은 유성들의 우박소리. 누구든지 여기에 서면 우주의 광대함과 신비를 경외하며 삶의 환희를 찬송하지 않을 수 없을 것이다. 이런 상황이 지금 이루어져 가고 있다.
 

자급자족의 유인생산기지 달 개발 모델

달은 우주를 향한 전진기지다. 또한 넘쳐나는 지구의 생명력을 담기 위한 우주식민지로서도 제1후보다. 지구는 인간의 왕성한 생산력을 감당하기에 역부족이다. 자원은 부족하고 환경은 오염되고 교통량은 넘쳐 흐른다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 유일의 돌파구는 '우주로의 이동'이다. 그 첫번째 도착지가 달이 될 것은 너무나도 분명하다.

현재 우주개발의 최대 난점은 개발비용이다. 그중에서도 두꺼운 지구대기를 뚫고 물자와 인력을 우주공간으로 보내기 위한 로켓연료비용이 엄청나게 소요된다. 한편에서는 현재의 로켓시스템을 개선하고 있지만, 다른 한편으로는 지구밖에다 생산거점을 확보하고 여기서 물자를 만들어 우주개발에 활용하려고 하고 있다.

현재는 우주정거장인 '프리덤'이 지구외에 만들어진 유일한 생산거점이지만, 이는 생산거점이라기 보다는 단순한 정거장에 불과하다. 문제는 '살아서 움직이는' 생산거점, 즉 물자를 생산해 내는 시스템을 갖춘 거점을 확보하는 것이다. 우주정거장 주변에는 생산의 재료인 자원이 없다.

만약 달에 생산거점을 만들면 어떻게 될까. 중력은 지구의 6분의1이며 대기가 없기 때문에 아주 적은 수송비용으로도 우주공간에 물자를 나를 수 있을 것이다.

만약 태양발전위성을, 달에서 재료와 부품의 상당부분을 생산해 쏘아올린다면 매우 저렴한 가격에 지구로 에너지를 송출할 수 있을 것이다. 이외에도 유인화성탐사를 위한 우주선의 재료와 추진제도 달에서 만들어진다면 상황은 크게 호전될 수 있을 것이다. 실제로 달에는 핵융합 연료인 He3가 풍부하다.

또하나 달의 생산거점을 가능케하는 조건은 전파통신의 발전이다. 지구와 달 사이의 거리는 약 38만km. 이는 현재의 전파통신기술로 충분히 제어가 가능한 범위다. 즉 원격조종으로 지구에서 인간이 지시하고 달에서 로봇이 움직이는 '그림'이 그려질 수 있다는 뜻이다.
 

무인에서 유인기지로

그렇다면 달의 생산기지화는 어떤 단계를 거쳐 가능할까. 지금까지 NASA(미국 항공우주국)에서는 여러가지 모델을 제시하고 있다. 최근 일본에서도 '달기지와 달자원 개발 연구회'를 결성해 2년간의 연구끝에 나름대로의 구상을 발표한 바 있다. 이들 모델은 모두 △무인탐사선에 의한 관측 △인간의 단기 거주 △인간을 상주시킴과 동시에 자원이용의 시작 △인간이 정착하고 자원이용을 확대한다는 단계적 개발계획을 공통적으로 갖고 있다.

무인탐사단계에서는 유인기지건설에 필요한 데이터를 얻기위한 사전조사가 중심. 리모트센싱은 가능한가. 월면차는 어떠해야 되는가. 기지는 어디에 세워야 하는가 등의 조사가 이루어진다. 토양분석 등을 통해 자원분포지도도 만들어진다.

다음은 사람이 달에 거주하는 단계. 초기에는 달의 낮기간(수일간 계속) 동안만 거주하지만 나중에는 주야가 바뀌는 1개월 이상을 실험한다. 기지는 주로 지름 4~5m 길이 15m 정도의 원통형 거주동과 실험동 식물동을 갖추게 된다. 각 건물은 방사선과 열을 차폐하기 위해 달의 토양을 뒤집어쓰는 것이 바람직하다. 식물동은 자체 농사를 짓기 위한 것이라기 보다는 실험용. 모든 식량은 지구로부터 수송된다. 에너지원은 태양광발전으로 시작하되 후기에는 3백kW 정도의 원자로를 계획중이다.

다음으로 중요한 계획은 자원 채굴을 위한 플랜트 건설지역을 선정하는 일. 이를 위해서 여러대의 유인 무인의 월면차가 활동해야하고 로봇도 다수 필요하다. 무인차와 로봇은 지구로부터 원격제어를 받아 움직이기도 하지만 인공지능(AI) 프로그램에 따라 스스로 활동하기도 한다.

세번째 단계는 자원을 활용하기 위한 기지를 확장하고 인간도 3개월 이상을 체류시킨다. 이 단계의 특징은 산소와 식료품 일부를 자급한다는 점이다. 최대의 과제는 He3을 연료로 해 핵융합을 실험하는 것이다.

광역지질조사를 통해 지각구조 탐사도 어느 정도 이루어진다. 자원생산시설도 가동되기 시작 연간 1백t 이상의 산소가 만들어진다. 금속 제련 실험도 이루어져 우주개발에 필요한 금속을 달에서도 제공할 수 있는가 검토된다.

네번째 단계는 기지가 적도 주변에만 있는 것이 아니고 여러 곳에 건설되고 1백명 이상의 인간이 거주하면서 본격적인 활동을 전개한다. 식물 농장도 확대돼 지구로부터 수송되는 물자는 달에서 얻을 수 없는 수소에 한정된다. 대형천문대가 세워지며 원자로도 10만kW 이상짜리가 가동된다. 기지도 점차 도시화되고 궁극적으로 지구로 제품을 수출하는 단계다.

물론 이러한 달개발모델이 언제 완성될지는 아무도 예측못한다. 다만 점점 높아져가는 지구개발비용과 하루가 다르게 발전하는 첨단과학기술 수준을 놓고 가늠해볼 때 21세기 초반까지는 충분히 실현가능하지 않겠느냐는 것이 전문가들의 견해다.