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1960년대부터 1970년대까지 미국이 진행한 아폴로 프로젝트의 핵심은 달에 인간을 ‘잠시’ 보내는 내용이었다. 달에 착륙한 우주인들은 과학 연구에 쓸 다양한 표본을 수집하며 활발히 활동했지만 달에 머문 시간은 길어야 며칠에 불과했다.

최근 미국을 중심으로 한 세계 각국은 화성을 비롯한 다른 행성에 인류를 보내는 전초 기지로 달을 이용하려는 계획을 진행하고 있다. 달은 지구에서 가장 가까운 천체이기 때문에 상대적으로 빨리 갈 수 있고, 문제가 발생하면 지구로 즉시 귀환할 수도 있다. 또 달에 설치한 무인 장치들과 실시간에 가깝게 통신하며 이를 제어할 수도 있다. 38만 4400km에 불과한 지구와 달 사이의 거리 덕분에 달이 ‘안성맞춤’ 우주 전초기지로 주목 받고 있는 것이다.

달 먼지와의 전쟁에서 승리하려면

하지만 달에 사람이 장기간 체류하기 위해서는 여러 가지 위험 요소를 해결해야 한다. 고에너지 입자에 의한 치명적인 방사선, 대전(帶電)된 먼지들, 태양열에 의한 엄청난 온도변화, 표면에 떨어지는 미소운석(가루 정도 크기의 작은 운석), 달 지진 등이 그것이다.
미국항공우주국(NASA)은 이러한 위험에 대응하기 위한 방안을 찾는 한편, 장기 체류 기지를 설치하기에 가장 좋은 장소를 물색하고 달에서 어떤 재료를 직접 이용할 수 있을지를 조사하기 위해 6월 19일(한국 시간) 달에 무인 정찰위성(LRO)을 발사했다.

지금까지 달 탐사선은 주로 달과 그 주변의 상태를 조사하고 그 과학적인 원인을 이해하기 위해 발사했지만, LRO의 임무는 달에 사람이 살기 위해 해결해야 할 위험 요소와 이용 가능한 자원을 조사하는 데 있다. 달 착륙의 무게 중심이 이전보다 실용적인 목적으로 이동한 셈이다.

달 기지가 건설되면 그곳에 상주하는 인력은 지구에서 일기 예보를 보는 것처럼 우주기상 예보에 관심을 갖게 될 것이다. ‘오늘 달에 도달하는 방사선량은 얼마나 될지’ ‘우주복을 입고 야외에서 활동해도 되는지’ 등에 대한 정보가 필요해서다.

현재까지 과학계가 밝힌 바에 따르면 달에서 가장 먼저 신경 써야 할 위협 요인은 달 표면에 가득한 방사선이다. 태양에서 자기 폭풍이 불어오면서 엄청난 양의 전자와 원자핵이 거의 빛의 속도로 지구를 향해 ‘발사’된다. 우리 은하 바깥에서는 초신성이나 블랙홀 주변에서 방출되는 고에너지 우주 방사선이 끊임없이 날아온다. 그런데도 인류가 별 문제 없이 살 수 있는 이유는 지구 자기장이 방사선을 차단하기 때문이다. 지구 궤도를 돌고 있는 우주인도 방사선의 영향에서 어느 정도는 안전하다. 자기장이 방사선이라는 비를 막아주는 우산 역할을 하는 셈이다.

하지만 달에는 자기장이 없어 우주 방사선은 바로 달 표면에 쏟아진다. 달 표면에서 측정되는 방사선량은 평소 지구 표면에서보다 수백 배 많으며, 태양 활동이 격렬할 때에는 보호 장구를 착용하지 않은 우주인에게 치명적일 수 있다.

미국이 방사선에 의한 영향을 측정하는 장비(CRaTER)를 LRO에 탑재하는 이유는 이 때문이다. 사람의 피부와 비슷한 성질을 지닌 일종의 플라스틱에 흡수된 방사선량을 측정해 미래에 달 우주인이 방사선에서 안전할 수 있는 기술을 개발하는 데 활용할 계획이다.

달에서 사람이 살기 위해선 해결해야 할 문제가 또 있다. 바로 먼지다. 실제로 아폴로 계획에 따라 달에 간 우주인의 가장 큰 골칫거리도 먼지였다. 먼지가 우주복, 장비, 피부 등 대상을 막론하고 달라붙었던 것이다. 먼지는 현재까지도 우주 기지를 건설할 때 해결해야 할 중요한 문제로 꼽힌다. 월면차(月面車)를 비롯한 여러 가지 장비에 침투한 먼지는 오작동과 고장을 유발하고, 먼지를 많이 마시는 우주인은 마치 광부처럼 폐에 큰 손상을 입는다.

무엇보다 심각한 문제점은 먼지가 정전기를 일으키는 원인이라는 사실이다. 달에는 대기와 자기장이 없기 때문에 낮 동안 태양풍과 태양 자외선이 달 표면에 부딪히면서 먼지가 양전하를 띤다. 먼지는 우주인의 몸에 정전기를 잡아두는 역할을 하기 때문에 우주인이 달 표면에서 우주선에 올라타려고 하는 순간, 정전기 충격을 일으킨다. 여러 전자 장비에 손상을 주게 되는 것이다.

게다가 이러한 먼지는 크기가 매우 작고 정전기에 의해 붙어 있기 때문에 떼어내기가 어렵다. 따라서 현재로서는 달에 기지를 설치할 때 가능한 한 먼지에 의한 문제가 가장 적은 지역을 찾아보는 수밖에 없다. LRO에 장착된 ‘달 궤도 레이저고도계’(LOLA)와 ‘달 정찰 궤도카메라’(LROC)가 달의 지형을 조사하는 목적 가운데 하나도 먼지가 많거나 모여들 만한 곳을 파악하는 데 있다. 아폴로 우주선은 달 적도지역에서 태양이 떠오르는 오전 동안 잠시 머물렀지만 극 지역은 밤낮의 변화에 의해 대전된 먼지들이 이동할 가능성이 있다.

달의 밤 지역과 달리 낮 지역은 양전하를 띤 먼지가 많이 있으므로 밤낮 지역 간에 전하 차이가 발생한다. 이때 태양에 의해 온도가 올라가거나 운석이 충돌해 달 표면에서 떠오른 양전하 먼지는 전하 차이에 의해 밤 지역으로 이동한다. 이 같은 성질이 지형이나 온도 분포와 복합돼 먼지가 특히 더 많이 쌓이는 지역이 나타날 수 있다. 달 극 지역은 기지의 후보지로 꼽히고 있어 이 같은 조사는 특히 중요하다.

사실 LRO는 달의 먼지를 조사하기 위한 시작에 불과하다. NASA는 먼지와 대기를 연구하는 전용 탐사선인 ‘LADEE’를 2011년에 보내 더 자세한 조사를 벌일 예정이다. 달 먼지에 대한 조속한 연구가 필요한 이유는 이제 곧 달이 본격적으로 개발되면 수십억 년 동안 달 표면에 고요히 있던 달 먼지와 표토 정보가 완전히 사라져 버리기 때문이다. 수많은 로켓들이 이착륙하면 달 표토에 떨어진 태양과 우주의 고에너지 정보, 미소행성이 달에 충돌한 흔적들이 사라져 버릴 수 있다는 뜻이다.

극지에 ‘얼음저장고’ 있을까

달은 늘 같은 면이 지구를 보며 돌기 때문에 달에서의 하루는 지구에서의 한 달과 비슷하다. 2주가량 햇볕에 데워진 달 적도의 최고 온도는 100℃를 넘지만 새벽녘에는 -150℃까지 떨어진다.

하지만 이 같은 여건을 뒤집어 생각하면 달 기지 건설의 해답이 나온다. 비교적 온도 변화가 적은 지역을 찾는다면 달 기지를 더 쉽게 지을 수 있다는 뜻이다. 달에서 온도가 비교적 일정하게 유지되는 곳으로는 영구 그림자 영역과 달 표토층 밑의 지하가 꼽힌다. 과학자들은 이 가운데 영구 그림자 영역에 시선을 집중한다.

달은 자전축이 태양 방향과 거의 수직하기 때문에 달의 극지역에 있는 크레이터(운석 충돌 구덩이)와 같은 분지 지형에는 태양빛을 한 번도 받지 않는 영구 그림자 영역이 있다. 영구 그림자 영역에서는 1998년 미국이 발사한 탐사선 ‘루나 프로스펙터’가 물이 존재할 가능성을 보여줬기 때문에 달의 극지역은 기지 건설의 강력한 후보지가 되고 있다.

달에 정말 물이 있을까. 현재까지 연구된 내용에 따르면 가능성이 있다. 판단의 근거는 달의 영구 그림자 영역에 떨어진 혜성이다. 일반적으로 혜성은 구성 물질의 50% 이상이 물이다. 혜성이 달 적도지역에 떨어지면 낮 동안 온도가 너무 높아 물이 모두 증발하겠지만 달 극지역에 있는 영구 그림자 영역에 떨어진다면 혜성의 물은 얼음 형태로 현재까지 존재할 가능성이 있다. LRO의 중요한 임무 중 하나는 바로 이러한 달 극지역의 얼음을 정밀하게 조사하는 일이다. ‘달 탐사 중성자 검출기’(LEND)는 달 표면의 수소 분포를 검출하는 장비이다. 얼음의 주성분이 수소와 산소이기 때문에 달 표면의 수소 분포를 파악해 얼음 존재를 추정하려는 것이다.



대기가 없는 천체인 달에 날아오는 수많은 우주선은 달 내부의 원자를 깨트려 원자핵 중의 중성자를 날려 보낸다. 이 중성자는 주위의 토양에 흡수되기도 하지만 일부는 달 궤도를 돌고 있는 중성자검출기에 포착되기도 한다. 1998년 NASA의 탐사선 루나 프로스펙터도 중성자 검출기로 달의 극지역에 집중적으로 분포돼 있는 수소를 발견했는데, LEND는 이보다 더 좋은 해상도로 극지역의 수소분포 지도를 만들 예정이다.

이 밖에도 LRO의 ‘달 복사계’(DIVINER)는 달 표면과 표층 아래의 온도를 측정해 시간과 장소에 따른 달 표면의 온도 지도를 작성할 계획이다. LRO는 또 1년 동안 달의 극지역을 촬영해 영구 그림자 영역을 찾아내고, 영구 일광 영역도 동시에 탐색해 태양광 발전소를 세우기에 가장 적절한 장소를 물색할 예정이다.

달 표면에 ‘꽝’, 물 찾는다

LRO와 함께 발사되는 또 다른 우주 비행체인 ‘LCROSS’는 멀리서 관측하는 방식에서 벗어나 물의 존재 여부를 단박에 밝히려는 시도다. 만약 달 극지역의 영구 그림자 영역에 정말 얼음이 존재한다면 매우 무거운 물체를 충돌시킬 때, 충돌 에너지에 의해 증발돼 나오는 수증기 또는 파편 등을 조사할 수도 있다. LCROSS는 발사체인 아틀라스 5호의 상단 로켓(센타우르)을 버리지 않고 달까지 끌고 가 달 극지역에 충돌시킬 예정이다.



마치 양을 이끄는 양치기처럼 2t 가량 되는 센타우르 로켓을 끌고 가던 LCROSS는 센타우르 로켓을 분리해 달에 충돌시킨다. 그리고 이때 발생하는 엄청난 분출물과 먼지의 성분을 조사하기 위해 센타우르 충돌 4분 뒤 분출물 사이를 뚫고, 이번엔 자신이 달에 충돌한다. LCROSS도 무게가 700kg 정도 되기 때문에 두 번째 충돌에 의한 분출물도 상당히 많이 발생할 것이다. LCROSS에는 가시광선과 적외선 카메라, 성분분석장치가 장착돼 센타우르 충돌 시 나온 분출물에 물이나 탄화수소, 유기물질 등이 있는지 조사한 결과를 지구로 보낼 것이다.

또 지상 망원경과 우주 망원경을 이용해 충돌 시점과 그 이후의 변화를 전 세계에서 공동으로 관측하는 계획이 진행되고 있으며, 한국천문연구원도 지상 관측팀에 참여할 계획이다. 만약 이 충돌로 달에서 물이 증발된다면 태양의 자외선이 물(H2O)을 H와 OH로 분리시켜 몇 시간 동안 커다랗게 형성된 OH 구름을 볼 수 있을 것이다. 지상 관측의 중요성 때문에 LCROSS 충돌 실험은 지구에서 관측할 수 있는 시간에 진행할 예정이다. 달의 위상도 그믐이나 보름에서 최소 5일 이상 멀어졌을 때이면서 하와이에서 달의 고도가 45° 이상일 때를 기준으로 한다.

한국천문연구원은 하와이에 망원경을 설치하지 않았지만, 미국 서부의 1m 원격 망원경과 보현산과 소백산 망원경 등을 이용해 충돌 이후 생긴 분출물이 시간에 따라 어떻게 변하는지 관측할 예정이다.

2005년에 템펠 1호 혜성에 충돌했던 탐사선인 딥임팩트와 비교하면 이번 충돌은 그 에너지가 훨씬 클 것이기 때문에 지상에서 작은 구경의 망원경으로도 관측할 수 있을 것으로 예상되며, 촬영된 사진들은 연구에 중요하게 사용될 것이다. 30년간 우주 개발 대상에서 소외돼 있던 달의 화려한 재등장에 한국과 세계 천문학계가 신경을 집중하고 있다.


최영준 연구원은 한국천문연구원 우주과학연구부에서 혜성, 카이퍼 벨트 천체, 소행성, 지구접근천체 등과 같은 태양계 소천체에 대한 관측 연구를 수행하고 있다. LRO와 동시에 발사된 LCROSS 지상관측팀의 일원이다.
 
 

2020년대 달 기지에 동서양 우주인 넘친다 글 이정호 기자 sunrise@donga.com 냉전 시절, 미국과 구소련 간 대결이 촉발한 아폴로 계획이 끝난 뒤 우주개발 대상에서 멀어진 달. 그런데 최근 몇 년 사이 달을 바라보는 시선이 달라지고 있다. 달이 인류의 에너지 문제를 해결할 보고(寶庫)로 떠오르고 있기 때문이다. 전통의 우주강국 미국은 물론 최근엔 아시아 국가들이 달 탐사에 도전장을 던지는 이유다. 꿈의 에너지원 ‘헬륨3’ 확보 경쟁 달에서 가져오려는 대표적 자원은 핵융합의 원료인 ‘헬륨3’이다. 예측된 전체 매장량은 약 100만t. 이 정도면 지구 전체에 수천 년간 전력을 공급할 수 있다는 게 과학계의 분석이다. 수백℃의 고온으로 달 표면을 가열해 헬륨3을 추출한 뒤 우주선에 저장해 지구로 가져오는 방식이 논의된다. 2004년 미국 행성지질학연구소 로렌스 테일러 소장은 외신과의 인터뷰에서 “헬륨3은 지구에서 거의 발견되지 않는 외계 물질이기 때문에 그 가치가 더욱 높다”고 설명했다. 헬륨3은 현대 문명을 지탱해 온 석유를 대체할 수 있는 강력한 후보로 거론된다. 석유는 40년 뒤에 바닥을 드러낼 것이라는 전망이 나오지만 이를 대신할 후속 타자는 뚜렷하지 않은 것이 현실이다. 차세대 에너지원으로 꼽히는 태양광, 수소는 아직 효율이 떨어진다. 방사능으로 인한 문제가 비교적 적으면서도 엄청난 발전량을 기대할 수 있는 핵융합 시대가 헬륨3의 채취와 함께 급속히 부상할 수 있다는 전망이 나오는 이유다. 6개월간 머물 기지 건설 목표 현재 미국은 2020년 달 착륙을 계획하고 있다. 조지 부시 전 미국 대통령이 2004년 발표한 우주탐사 계획에 따른 것이다. 2020년 달에 보낼 우주인은 모두 4명으로 약 7일간 체류할 예정이다. 미국항공우주국(NASA)은 그 뒤에도 지속적으로 달에 착륙해 2024년에는 사람이 6개월간 살 수 있는 기지를 만들겠다는 복안을 짰다. 2007년 6월 미국이 달에 가서 수행할 중점 연구 과제를 내놓은 데에는 이 같은 계획을 차근차근 실행하겠다는 의지가 실려 있다. 지질학적 관측을 위한 실험장치, 달 표면 토양 성분을 알아내는 검출기, 달의 지진과 먼지를 측정하는 장비 등을 활용한다는 게 연구의 뼈대다. 발걸음은 이미 시작됐다. 지난 6월 19일 발사된 달 궤도선인 ‘LRO’는 달 표면 48km 상공을 약 1년간 돌면서 달의 지도를 작성하고 유인 탐사를 위한 각종 정보를 모을 예정이다. 미국을 바짝 뒤쫓는 건 중국이다. 중국은 2003년 유인 우주선을, 2007년에는 달 궤도선을 쐈다. 지난해에는 우주 유영에도 성공했다. 중국은 2011년 달 착륙선 창어 2호를 발사하고 2017년과 2020년 사이에는 달에서 연구용 시료를 채취한 뒤 지구로 귀환할 수 있는 탐사선까지 쏘아 올릴 계획이다. 일본은 최근 가장 눈에 띄는 성장세를 보인 나라다. ‘H2A’로 불리는 자체 개발 로켓이 우주 강국 일본을 떠받치는 기둥이다. 군사적 목적이라는 정치적 추진력 없이도 현재와 같은 기술 수준을 보유한 나라는 사실상 일본이 유일하다. 일본이 지난 6월 11일 달에 충돌시킨 궤도선인 ‘가구야’(정식 명칭은 셀레네)는 2007년 9월 13일 발사된 뒤 달 고도 100km 상공을 선회하면서 14종의 관측 기계로 달의 기원을 밝힐 자료를 수집해 왔다. 일본은 2013년 달 착륙선을 발사하고 2030년에는 유인 기지를 만들 예정이다. 인도는 우주 개발 경쟁에서 혜성처럼 등장했다. 급속히 발달한 경제력과 과학기술력을 앞세워 지난해 10월 달 탐사 위성인 ‘찬드라얀 1호’를 발사했다. 인도는 2020년 유인 달 탐사를 하겠다는 방침이다. ‘국제 달 탐사 네트워크’로 협력 움직임도 국제 사회가 달을 둘러싸고 거센 힘겨루기를 하고 있지만 한편에서는 협력을 위한 노력도 펼치고 있다. 국제 달 탐사 네트워크(ILN)가 대표적이다. 우선 2013년~2014년과 2016년~2017년에 착륙선을 2기씩 달 표면에 내려 보낼 계획이다. 이를 바탕으로 고정식 또는 이동식 과학기지 6~8개를 단계적으로 설치한다. 미국이 주도하는 ILN에는 한국, 캐나다, 영국, 독일, 프랑스, 이탈리아, 일본, 인도가 참여 의향서를 냈다. ILN에 참여한 국가는 발사체 기술이 부족해도 ILN에 참여한 다른 국가의 도움을 받아 탐사선을 달에 보낼 수 있을 것이란 전망도 나온다. ILN을 통한 첫 번째 성과는 초대형 우주망원경이 될 가능성이 높다. 미국은 달 먼지로 만든 콘크리트로 망원경의 뼈대를 완성한 다음 지구에서 가져간 알루미늄으로 반사경을 만드는 방법을 제안했다. 중력이 약해 큰 망원경을 만들기 좋을 뿐더러 대기가 없어 별이 또렷하게 보일 것이라는 기대가 나온다.

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