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‘백 투더 문(Back to the Moon)’.
조만간 달 탐사 경쟁이 2라운드에 돌입할 전망이다. 전통 우주 강국인 미국과 러시아를 비롯해 중국, 인도, 일본 등 신흥 아시아 우주 강국도 모두 달로 향한다.
올해 11월 중국의 ‘창어 5호’가 그 신호탄을 쏘아 올린다. 내년에는 인도, 이후에는 미국과 유럽이 뒤를 이으면서 달이 우주 기술의 각축장이 될 전망이다.
한동안 화성 탐사에 밀려 뒷전으로 물러나 있던 달 탐사에 우주 강국들이 다시 달려드는 이유는 뭘까.
중국_창어(嫦娥) 4, 5호
관리 기관: 중국항천과학기술집단공사(CASC)
임무: 달 표본 반환(5호), 달 후면 착륙(4호)
구성: 궤도선, 귀환선, 어센더, 착륙선(5호), 궤도선, 착륙선, 탐사차(4호)
목표시기: 2017년 11월(5호), 2018년(4호)
발사체: 창정 5호
특징: 달 탐사도 선도하는 신흥 우주 강국
1950년대부터 달 탐사 기술을 쌓아온 미국과 러시아를 가장 무섭게 추격하는 국가는 중국이다. 2007년과 2010년에 각각 ‘창어 1호’와 ‘창어 2호’를 달 궤도에 진입시켰고, 2013년 12월에는 미국, 러시아에 이어 세계 세 번째로 ‘창어 3호’를 달 표면에 착륙시키는 데 성공했다.
올해 11월 29일에는 달의 토양 표본을 채취해 지구로 귀환하는 ‘창어 5호’ 임무를 계획 중이다. 만약 성공하면 1976년 옛 소련의 루나 24호 이후 처음이다. 창어 5호는 궤도선, 어센더(Ascender, 착륙선에서 채취한 샘플을 궤도선으로 옮기는 장치), 착륙선, 지구 귀환선 등 총 4개 부분으로 구성돼 있다. 착륙선이 토양 아래 2m 지점에서 표본을 2kg 가량 채취하면, 이것을 어센더를 이용해 궤도선, 귀환선에 차례로 옮겨 지구까지 운반할 계획이다.
물론 준비가 모두 순조로운 것은 아니다. 창어 5호를 달까지 실어 나를 중국의 차세대 대형 로켓 ‘창정 5호(왼쪽 사진)’가 7월 2일 2차 시험 발사에 실패했다. 창정 5호는 지구 저궤도에 최대 25t(톤)에 이르는 탑재체를 올려놓을 수 있다. 스펙이 현재까지 개발된 발사체 중 최고 수준이다(1등은 미국 ‘델타4 대형 로켓’의 28t). 이번 실패로 달 탐사 계획뿐만 아니라 2022년까지 독자적으로 우주정거장을 건설하겠다는 계획까지 연기될 가능성이 있다. 달 탐사에 참여하고 있는 왕젠위 중국 양자위성프로젝트 총사령관은 “과학 기술 혁신은 종종 실패로 이어진다. 사고에 대한 조사는 철저하고 개방적으로 이뤄질 것”이라고 7월 3일 중국의 영자 일간지 ‘사우스 차이나 모닝 포스트’를 통해 밝혔다. 어떻게든 해결하겠다는 의지로 해석된다.
달은 자전, 공전주기가 같아 항상 뒷면은 맨눈으로 볼 수가 없다. 중국은 내년 12월 ‘창어 4호’를 추가로 달에 착륙시켜 달 뒷면을 탐사할 예정이다. 계획대로 진행된다면 미국과 러시아도 해본 적 없는 세계 최초의 시도다. 중국 정부는 국무원신문판공실을 통해 ‘2016년 중국우주활동백서’를 펴내며 달 뒷면에서 지질을 조사하고, 전파망원경을 설치하기 위한 지형을 조사할 것이라고 밝힌 바 있다.
예상 탐사 지역은 달의 남극에 있는 에이트킨(Aitken) 분지다. 지름이 2500km, 깊이가 12km나 돼 달에서 가장 큰 충돌 분지로 꼽힌다. 과거 분지가 형성됐을 당시 강한 충격은 맨틀에까지 흔적을 남겼을 수 있다. 여기에 달과 태양계가 어떻게 형성됐는지에 대한 힌트가 있을지 모른다.
중국은 백서를 통해 화성 탐사에 대한 야심도 드러냈다. 2020년 전후로 첫 화성 탐사선을 발사하고, 궤도 진입, 착륙, 탐사활동 등을 성공시키겠다는 계획을 밝혔다. 이후엔 소행성 탐사에 이어 목성과 목성의 위성 탐사도 준비돼 있다. 중국은 앞으로 우주기술에 15년만 더 투자하면 2030년경 미국과 어깨를 나란히 하는 명실상부한 우주강국 반열에 들 수 있을 것이라고 자평했다.
일본_셀레네(SELENE) 2호
관리 기관: 일본우주항공연구개발기구(JAXA)
임무: 토양 내부 조사, 암석 관찰
구성: 궤도선, 착륙선, 탐사차
목표시기: 2020년 이후
발사체: H-IIA
특징: 최종 목표는 달기지 건설
2007년 ‘가구야’로 불리는 달 궤도선인 ‘셀레네’를 성공적으로 발사한 일본은 후속으로 ‘우즈메(UZUME, Unprecedented Zipangu Underworld of the Moon Exploration)’ 프로젝트에 돌입했다.
우즈메 프로젝트의 핵심은 ‘셀레네 2호(위 사진)’를 달에 보내 땅 속을 조사하는 것이다. 하루야마 주니치 일본우주항공연구개발기구(JAXA) 우주과학연구소 연구원은 2015년 11월 제주에서 열린 ‘제6회 달 탐사 심포지엄’에서 “2020년, 2025년, 2030년 세 차례에 걸쳐 달 표면의 동굴이나 구멍을 탐사할 계획”이라고 밝혔다. 달의 표면은 고운 모래입자인 레골리스(Regolith)로 덮여 있는데, 그 아래에 무엇이 있는지는 알려진 바가 거의 없다. JAXA는 무게 약 100kg인 탐사차로 2주 동안 지반을 탐사하며 건물을 지을 수 있을 만큼 단단한 땅인지, 물이나 건축 자재를 얻어낼 수 있을지 집중 조사할 예정이다.
일본이 땅 속에 주목하는 배경에는 2011년 발생한 후쿠시마 원전 사고가 있다. 무시무시한 자연재해가 덮쳤을 때 인류가 피신할 수 있는 곳을 연구하려는 것이다. 실제로 달은 밤낮의 온도차가 섭씨 250도에 이르는 극한 기후를 보이지만, 동굴이나 구멍은 온도가 섭씨 0도로 유지되고 우주방 사선도 거의 없다. 인간이 거주할 수 있는 최소한의 조건을 충족하는 셈이다. 일본은 2030년까지 달에 인간이 살 수 있는 기지를 건설할 계획을 세우고 있다.
인도_찬드라얀(Chandrayaan) 2호
관리 기관: 인도우주연구기구(ISRO)
임무: 착륙 기능 테스트, 탐사차 제어
구성: 궤도선, 착륙선, 탐사차
목표시기: 2018년
발사체: GSLV-Mk II
특징: 경제성으로 승부
인도는 2008년 ‘찬드라얀 1호’를 달에 보냈다. 시행착오 없이 한 번 만에 발사에 성공하는 소위 ‘원샷원킬’로 전 세계의 주목을 받았다. 찬드라얀 1호는 작은 충돌장치를 달 표면에 추락시켜 생명체 존재에 필수적인 물(구름)의 존재를 확인했다. 달 충돌실험은 미국과 옛 소련, 일본에 이어 인도가 네 번째였다.
이런 인도가 내년 초 두 번째 무인 탐사선인 ‘찬드라얀 2호’를 달에 보낸다. 찬드라얀 2호는 궤도선, 착륙선, 탐사차로 구성돼 있다. 무게가 1400kg인 궤도선은 달 상공 200km 궤도를 비행하고, 무게가 1250kg인 착륙선을 달 표면에 내린다. 착륙선에는 무게가 약 25kg인 탐사차가 들어있다. 탐사차는 바퀴가 6개 달려 있어 초속 1cm의 빠른 속도로 달 표면에서 움직인다. ISRO는 이런 탐사차를 지상국에서 제어하면서 표면에 있는 광물 성분을 분석할 계획이다.
ISRO는 찬드라얀 2호를 운용하는 예산으로 총 603크로(한화 약 1075억1490만 원)를 책정했다. 약 10년 전 물가이긴 하지만 찬드라얀 1호에 들인 비용(약 2061억 9000만 원)의 절반이다.
뛰어난 경제성의 비결은 순수 자국 기술로 개발한 발사체다. ISRO는 우주 개발 예산의 절반 이상을 발사체 개발에 집중하며 국산화에 힘쓰고 있다. 그 결과 올해 6월 자체 개발한 ‘정지궤도우주발사체(GSLV-Mk III)’로 3t급의 대형 위성을 정지궤도에 올려 놓는 데 성공했다. 이 발사체는 최대 4t까지 실어 나를 수 있다. 키란 쿠마 ISRO 소장은 GSLV-Mk III 발사 성공 후 열린 기자 간담회에서 “수십 년 동안 (러시아산 엔진이 아닌) 국산 저온 엔진을 개발하기 위해 애써왔다”며 “그간의 작업이 결실을 맺었다”고 말했다. 찬드라얀 2호는 ‘GSLV-Mk II’에 실려 발사될 예정이다.
미국_탐사 임무(Exploration Mission)-1
관리 기관: 미국항공우주국(NASA)
임무: 오리온 우주선 달 궤도 안착
목표시기: 2019년
발사체: 스페이스 론치 시스템(SLS)
특징: 하드웨어의 ‘끝판왕’
전통 우주 강국인 미국은 차세대 발사체인 ‘스페이스 론치 시스템(SLS, 위 사진)’을 이용해 ‘오리온(Orion)’ 우주선을 2019년 달 궤도에 안착시키는 ‘탐사 임무(Exploration Mission)-1 (이하 EM-1)’을 계획하고 있다. 길이가 98m에 달하는, 세계에서 가장 큰 로켓 SLS의 첫 번째 임무다.
NASA의 유인 탐사및운영위원회 윌리엄 게르스텐마이어 부위원장은 올해 5월 미국항공우주국(NASA) 홈페이지에서 “EM-1 미션에 앞서 SLS에 장착될 방열판과 오리온 우주선의 비상탈출 시스템 등을 점검하고 있다”고 밝혔다.
SLS는 RS-25 액체추진체엔진 4기와 고체 로켓 부스터 2개로 달까지 이동할 강한 추진력을 얻는다. EM-1 미션의 첫 단계는 SLS가 달 궤도에 다다랐을 때 오리온 우주선과 큐브샛(소형 인공위성) 13개를 안전하게 분리시키는 일이다.
오리온은 달 궤도의 환경과 우주선의 기동을 확인한다. 3주 동안 달 궤도를 돌면서 사진을 촬영하고 우주선의 궤적을 측정한다. 이때 측정이 제대로 이뤄지고, 측정 결과가 심(深)우주 통신망을 통해 지상국까지 잘 전달돼야 미션 성공이다.
큐브샛은 종류가 다양해 탐사 임무도 다양하다. 가령 ‘바이오센티넬(BioSentinel)’은 우주 공간에서 효모(S.cerevisiae)를 사용해 생명체를 찾고, 일본우주항공연구개발기구(JAXA)가 개발한 ‘오모테나시(OMOTENASHI)’는 달에 착륙해 표면의 방사선 환경을 측정한다. 측정 결과는 지상국으로 전달된다.
EM-1은 인간을 화성으로, 이후엔 심우주로 데려갈 광범위한 임무의 시작과도 같다. NASA는 2021~2023년 사이 오리온에 우주비행사 2~4명을 태우고 달의 근접궤도까지 갔다가 귀환하는 ‘EM-2’ 임무도 계획하고 있다.
NASA는 2026년 달 궤도에 유인 우주정거장 ‘딥 스페이스 게이트웨이(DSG)’를 건설하고 인간이 달 궤도에 1년 동안 체류하는 계획도 세웠다. DSG를 중간 기점으로 삼아, 인간이 탑승한 화성탐사선을 2033년경 화성에 보낼 예정이다.
유럽_문 빌리지(Moon village), 루나(Luna)-27
관리 기관: 유럽우주국(ESA)
임무: 달기지 건설, 남극 지형 탐사
목표시기: 2022년(루나-27), 2020년대 중반(문 빌리지)
발사체: 소유즈
특징: 러시아, 중국과 다방면 협력
유럽우주국(ESA)은 2020년대 중반까지 달 표면에 영구 기지인 ‘문 빌리지(Moon village, 위 사진)’를 지을 계획이다. 얀 뵈르너 ESA 사무총장은 2015년 12월 ESA가 주최한 ‘인간과 로봇의 탐사 협력 시대’ 심포지엄에서 국제우주정거장(ISS)의 뒤를 잇는 기지를 달에 건설하고자하는 열망을 드러냈다. 건설할 위치는 물의 존재가 유력해 보이는 달의 남극 부근이다. 건축 자재는 달에서 채굴한 흙을 3D 프린터에 넣어 찍는 방식으로 충당하고, 건설은 원격으로 제어할 수 있는 로봇과 탐사차에 맡기겠다는 계획이다.
ESA는 이를 위해 2022년경 남극에 있는 미개척 지역에 착륙선 ‘루나(Luna)-27’을 보낼 예정이다. 루나-27의 임무는 남극의 토양 표본을 지구로 가져오는 것. ESA는 2003년 달 궤도 인공위성인 ‘스마트 원(SMART-1)’을 발사한 바 있다. 그리고 약 3년 동안 달 상공에서 지표면을 관측한 정보를 바탕으로 상세한 북극 지도를 만들었다.
그러나 루나-27 미션에서는 착륙선이 지표면을 돌아다니며 직접 채취한다. 루나-27에는 두껍게 얼어붙은 지반을 2m 깊이까지 뚫을 수 있는 특수 드릴이 장착된 착륙선이 실릴 예정이다.
루나-27 프로젝트는 2012년 자금 문제로 보류됐다가 2014년 12월 러시아와 협력 하기로 하면서 극적으로 회생했다. 뵈르너 사무총장은 이 같은 협력을 강조했다. 그는 “현재 수많은 나라들이 달에 착륙선을 보내고 있다”며 “착륙선의 성능을 결합해 과학연구를 수행하고, 관광 등 다양한 비즈니스를 할 수 있다”고 말했다. 실제로 문 빌리지 프로젝트에는 정치적인 이유로 국제우주정거장 연구 등 국제 공동연구 대부분에 참여하지 못하는 중국도 참여하고 있다.
러시아_루나 글로브(Luna-Glob)
관리 기관: 러시아연방우주국(ROSCOSMOS)
임무: 로봇 기술을 활용한 무인 우주 탐사
목표시기: 2019년
발사체: 앙가라(Angara)
특징: 화성보다 달에 집중
러시아연방우주국(ROSCOSMOS)은 2019년 착륙선 ‘루나 글로브(Luna-Glob, 또는 루나-25, 위 사진)’를 시작으로 총 4 대의 탐사선을 달에 보낼 계획이다. 1976년 8월 9일 루나-24 발사를 끝으로 거의 40년 만에 달 탐사를 재개하는 것이다.
루나 글로브의 미션은 달에서 가장 어두운 부분 중 하나인 보구슬라프스키(Boguslawsky) 분화구에 착륙해 착륙 기능을 테스트하는 것이다. 루나 글로브에는 중성자 탐지기, 소형 레이저 분석기 등이 탑재된다.
다음 타자인 ‘루나-26’도 연이어 보낸다. 루나-26의 역할은 달 표면 조사다. 향후 발사될 착륙선의 이상적인 착륙 지점을 찾기 위해서다. 이번 프로젝트의 ‘4번 타자’는 ‘루나-27’이다. 루나-27은 토양과 대기를 관측해 인간의 거주 가능성을 조사한다. 마지막으로 ‘루나-28’은 루나-27이 발견하거나 채집한 표본을 지구로 가져오는 임무에 주력한다.
러시아는 2030년까지 우주비행사를 달에 배치할 예정이다. 다른 나라가 달을 화성으로 가는 전초기지로 개발하는 것과 달리, 달 자체에 집중하는 전략을 택했다. 지나친 경쟁을 피하고 다른 나라와 협업을 하기 위해서다.
블라디미르 돌고폴로프 러시아 과학생산연합(NPO) 연구원은 지난해 4월 프랑스 파리 기반의 영문 뉴스 ‘월드크런치’와의 인터뷰에서 “그동안 우리도 NASA도 달 연구에는 많은 시간을 쓰지 못했다”며 “그러나 지난 10년간 위성관측 결과를 보면 달의 극지에는 물이 존재할 수 있고, 호흡을 위한 산소가 존재할 수 있다. 산소와 수소는 가장 효과적인 로켓 연료다. 거주 가능한 기반을 구축할 수 있다”고 설명했다.
한국_달 탐사 사업
관리 기관: 한국항공우주연구원(KARI)
임무: 달 표면 영상 확보, 우주방사선 측정, 자원 탐사
구성: 궤도선, 착륙선, 탐사차
목표시기: 2020년(1단계)
발사체: 한국형발사체(KSLV-Ⅱ)
특징: 첫 도전
한국도 2020년 처음으로 달에 궤도선을 보낸다. 한국의 달 탐사는 편의상 1단계와 2단계로 나뉜다. 1단계는 시험용 달 궤도선을 보내는 것이고, 2단계는 궤도선과 착륙선을 개발해 자체 개발한 발사체로 달에 보내는 것이다. 당초 계획은 2018년 12월 달 궤도선을 시험 발사하는 것이었으나 올해 8월 일정을 2년 연기하기로 결정했다.
달 궤도선 개발 기간이 연장된 가장 큰 이유는 경량화 설계에 예상보다 더 많은 시간이 소요됐기 때문이다. 목표 중량은 550kg이었으나 설계과정에서 약 100kg이 초과하는 문제가 발생했다. 최석원 한국항공우주연구원 달탐사사업단장은 “궤도선을 지구 저궤도가 아닌 달까지 보내려면 연료와 탱크 무게가 상당히 증가한다”며 “현재 예비설계 단계에 있다”고 말했다.
실제로 달 궤도선은 지구 저궤도 위성으로 개발 중인 차세대 중형 위성(500kg)과 무게는 유사하지만 안에 싣는 연료와 탱크의 무게가 300kg 정도로 약 6배나 무겁다.
2단계 달 탐사 시점은 12월 경 논의될 예정이다. ‘한국형발사체(KSLV-Ⅱ)’ 개발이 완료되면 그 상단에 4단과 부스터를 추가하고 그 위에 달 궤도선을 탑재한다. 이를 위해 항우연은 내년 10월 한국형발사체 75t급 1단 시험 발사를 진행할 예정이다.
전 세계가 또다시 달 탐사에 달려드는 이유는 뭘까. 이창진 건국대 항공우주정보시스템공학과 교수는 “달 탐사의 목표는 단순히 달에 가는 것이 아니다”라며 “달 탐사를 준비하는 과정에서 융·복합적인 우주 기술 발전을 이루는 것”이라고 말했다. 심(深)우주 통신, 반도체, 빅데이터, 로봇 등 새로운 기술을 시험해볼 수 있는 테스트베드가 바로 우주라는 것이다. 그는 “우리나라가 선도할 수 있는 분야를 빨리 찾는 전략이 필요하다”고 말했다.
실제로 항우연은 개발기간을 2년 더 늘리면서 궤도선의 임무 수명을 3개월에서 1년으로 늘리고, 탑재체 수를 4개에서 2개 더 추가해 총 6개로 늘렸다. 달 궤도 진입용 고출력 추력기를 국내 기술로 개발하고 전력제어장치 등 전장품을 기존의 80kg에서 50kg수준으로 경량화하는 방안도 포함시켰다.
이 교수는 “우주 기술을 선점하기 위한 경쟁은 앞으로 더 치열해질 것”이라며 “우주 탐사를 국익에 활용하는 일본과 중국을 지켜만 봐서는 안 된다”고 강조했다.
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