인기 예능 프로그램 ‘삼시세끼’의 무대는 서해의 작은 섬 만재도입니다. 주인공 차줌마와 참바다는 뱃멀미를 참아가며 목포항에서 다섯 시간을 걸려 만재도에 도착하죠. 그리고 여기, 우주판 삼시세끼 이야기가 있습니다.

출발지는 지구, 경유지는 달, 목적지는 화성입니다. 목적지에 다다르는 동안 우주인들은 약 5900시간을 우주선 속에서 보내게 되죠. 도대체 우주인들은 우주에서 무엇을 먹고, 무엇으로 호흡하며 살아갈까요?

그들의 우주 생활을 보장하는 첨단 기술로는 무엇이 있을까요? 또 우주인이 살아갈 수 있는 제2의 지구는 무엇일까요?

최기혁 한국항공우주연구원(이하 항우연) 달탐사연구단장의 가이드를 따라 우주 속 만재도로 성큼성큼 날아가 보겠습니다.

PLAN 1
화성 탐사의 전초기지, 달

달 지구의 자연위성이자 지구와 가장 가까운 천체.
지구와의 거리 38만4000㎞ 중력 지구의 6분의 1 질량 지구의 81분의 1
기온 밤 최저 영하 170℃, 낮 최고 영상 130℃ 지구에서 달 착륙까지 걸리는 최소 시간 3.5일

1969년 우주인 닐 암스트롱이 달 표면에 역사적인 첫걸음을 디뎠습니다. 달은 우주개발 역사상 가장 많은 연구가 이뤄진 천체 중 하나죠. 최근 세계 각국의 시선이 다시 달에 집중되고 있습니다. 화성 탐사를 눈앞에 둔 시점에 왜 하필 ‘달’일까요? 달이 외계 행성을 탐사하는 전초기지로써 가치를 지니기 때문입니다.
 

1969년 7월 16일 오전 9시 32분, 미국 플로리다주에 있는 케네디 우주센터에서 이륙한 아폴로 11호는 나흘 뒤인 20일, 인류 최초로 달 표면에 착륙했다. 하지만 대기가 없는 달에서 성조기가 펄럭이는 사진 때문에 `아폴로 11호의 달 착륙은 조작된 것`이란 음모론을 낳기도 했다.

우주시대를 여는 플랫폼
 

아폴로 11호의 우주인인 버즈 올드린이 남긴 발자국.

 

‘인공위성을 개발하고 발사체를 만든 후 우주 탐사를 한다.’ 선진국의 우주개발 패턴입니다. 위성·발사체 기술을 완성한 다음 가는 곳은 ‘달’이죠. 지구에서 빠르면 3.5일 만에 갈 수 있고, 전파는 1.3초 만에 보내집니다. 우주시대를 열기 위해 가장 가까운 천체부터 찾는 것이죠. 달에 발사체를 쏘아 올리다 보면, 화성은 물론이고 그 너머 행성을 여행하는 데도 도움이 될 테니까요.

가깝다는 이유 말고도 달의 역할은 따로 있습니다. 달은 지구와 우주를 관측하는 플랫폼입니다. 달의 전면부에 망원경을 설치하면 24시간 지구를 지켜볼 수 있어요. 달의 공전주기와 자전주기가 같아 달의 앞면이 늘 지구를 바라보기 때문입니다. 지구 궤도를 도는 위성보다 오래, 그리고 더 정확하게 지구를 볼 수 있습니다. 반면 달의 뒷면은 영원히 지구를 보지 못합니다. 대신 지구로부터 오는 전자기파를 완벽히 차단하죠. 항우연에서 달 탐사프로그램을 담당하는 최기혁 단장은 “달의 뒷면에 전파망원경이나 광학망원경을 두면 엄청난 효율로 우주를 관측할 수 있다”고 설명합니다. NASA 역시 달에 지구관측소를 세우는 방안을 검토 중이에요. 지구와 지구-태양 간 상호작용 파악은 물론, 지구와 비슷한 외부 행성을 찾는 데도 도움이 되기 때문입니다.

또한 달은 화성 탐사의 플랫폼이기도 합니다. 달의 6만㎞ 상공에는 지구-달-태양의 중력의 합력이 0이 되는 안정 궤도(DRO)가 있습니다. 로켓 연료를 크게 소모하지 않고도 우주선을 다른 천체로 보낼 수 있죠. 실제로 화성 등 다른 천체로 가는 우주선 대부분이 달 궤도에서 머무르다 추진력을 얻어 다른 행성으로 나아갑니다. 사람이 작은 캡슐을 타고 지구에서 날아와 달 궤도를 도는 우주선에 환승한 후 화성으로 출발하는 식이죠. 화성에서 지구로 돌아갈 때도 마찬가지입니다. 최 단장은 “KTX기차를 타고 역에 내려 택시를 타고 집에 가는 것을 생각하면 된다”고 설명합니다.

한국의 달 탐사 계획

현재 미국·러시아·유럽·중국·인도·일본 6개국이 달 탐사에 착수했습니다. 달에 유인탐사선을 보낸 미국이 가장 앞서 있고, 그 다음이 착륙선을 많이 보낸 러시아죠. 항우연의 2020년 달 탐사선 계획이 성공하면, 한국은 세계에서 일곱 번째로 달 탐사에 성공한 나라가 됩니다. 계획은 이렇습니다. 2016년 1월 1일 본격적으로 사업을 시작해 상세 설계에 들어간 후 2017년 탐사선 제작에 들어갑니다. 2018년, 제작한 탐사선을 조립해 테스트를 마치고 2019~2020년 안에 발사하는 일정이죠.

탐사선은 발사대에서 지상 200~300㎞까지 우주선을 올려주는 발사체(로켓), 달 주위를 위성처럼 도는 탐사선(궤도선과 같은 말), 로버(탐사형 로봇) 등으로 구성되죠. 1단계 계획은 달 궤도를 도는 탐사선을 띄우는 것입니다. 달의 100㎞ 상공에서 달을 관찰·연구하게 되죠. 2단계는 발사체에 달 착륙선과 로버를 실어 보내는 겁니다. 달 표면에 도착한 착륙선이 로버를 작동시키면 달 위를 다니며 조사를 하게 되죠. 최 단장은 “달 탐사선에는 대부분 우리 기술이 쓰이며, 탐사선을 달로 보낼 때 사용하는 심우주항법은 NASA의 지원을 받는다”고 설명합니다. NASA가 달의 위치에 상관없이 통신이 가능하도록 전 세계적인 위성을 확보하고 있어서입니다.

PLAN 2
화성으로의 여정을 시작하다

달에서 화성까지의 비행 거리 5600만㎞ ~1억100만㎞
화성 착륙까지 걸리는 최소 시간 8개월

‘We go, we land, we live.’ 2035년쯤으로 잡고 있는 NASA의 화성 탐사 목표입니다. 우주선을 타고 화성에 도착해 성공적으로 착륙한 뒤, 인간이 생활할 수 있는 터전을 만들겠단 이야기죠. 하지만 현재 인류는 첫 번째 ‘We go’를 실현하는 것조차 녹록치 않은 상황에 있습니다. 과학자들은 “기술은 가능하다”고 말합니다. 하지만 인간을 태우기에 아직 우주선의 성능이 충분치 않죠. 또 우주인들의 건강과 정신에 켜질 적신호도 골칫거리입니다.

우주 여행의 최대 난제는 우주인

화성 탐사 계획의 최대 난관은 ‘인간’입니다. 인간이 쓸 물·식량·산소는 물론이고, 기지 건설에 필요한 재료와 이·착륙에 사용될 로켓 등 우주선에 실릴 화물의 무게만 470톤에 달하거든요. 하지만 아폴로 계획 당시 개발된 사상 최대의 로켓 ‘새턴 5’에도 120톤의 짐밖에 실을 수 없었죠. 또 다른 문제는 엔진 성능입니다. 많은 우주선이 수소와 산소를 연료로 하는 엔진을 사용하는데요. 문제는 실을 수 있는 연료량이 한정적이라는 겁니다. 이 때문에 과학자들은 효율이 높은 엔진을 개발하려 노력 중이에요. 그중 핵폭탄의 원리를 빌린 원자력 엔진은 적은 양의 연료만으로도 빛의 속도의 10분의 1에 달하는 속도를 낼 수 있죠. 이 정도면 화성 왕복도 2~3주면 거뜬할 겁니다.

과학계가 고성능의 엔진 개발에 주력하는 이유는 또 있습니다. 장기간의 우주 여행 동안 우주인들에게 육체적·정신적 고통이 찾아오기 때문이죠. 먼저 몸에 급격한 변화가 일어납니다. 무중력 공간 안에서 체내 단백질과 뼈 속의 칼슘은 1개월에 1% 꼴로 줄어듭니다. 또 우주는 낮·밤의 구분이 따로 없어 우주인 대부분이 수면부족에 시달립니다. 신체리듬은 망가지고 새로운 환경에 적응하며 받는 스트레스 탓에 면역력도 크게 저하되죠. 우주인들이 가장 두려워하는 ‘우주 멀미’도 있습니다. 멀미는 눈·전정기관 등 공간 지각을 담당하는 신체기관들이 같은 공간을 서로 달리 인식할 때 발생합니다.
 

한국 최초의 우주인 이소연씨가 김연아 선수와 영상 통화로 식물생장 비교실험을 설명하고 있다.

최 단장은 “우주인 이소연씨 역시 멀미 때문에 고생이 많았다”고 말했죠. 멀미용 주사를 며칠 동안 계속 맞을 정도였다고 합니다. 이런 상황에서 건강을 지키는 방법은 ‘운동’뿐입니다. 실제로 임무 수행 후 10시간 정도 주어지는 개인 정비 시간에 우주인들은 운동에 매진하죠. 러닝머신 형태의 ‘콜버트’에 떠오르는 몸을 끈으로 고정하고 매일 1~2시간씩 걷거나 달려요.

우주선 안에서 식용 채소·과일 등을 기르는 기술도 개발 중입니다. 비타민·미네랄 등 영양소를 공급하기 위해서죠. NASA는 지난 8월 우주인들이 국제우주정거장에 있는 농작물 재배 시설 '베지'에서 기른 로메인 상추를 먹는 모습을 유튜브로 공개하기도 했죠. 미국의 한 기업에서는 우주선 안에 ‘인공중력’을 설치하는 방법도 연구 중이죠. 최 단장은 “엄청난 연료가 소모되는 일이라 실용화는 힘들 것”이라 전망했지만요.

몸의 고통보다 견디기 힘든 두려움
 

중성부력이란 부력과 중력의 힘이 동일한 상태로, 이 상태에서 물체는 물 위에 뜨지도 아래로 가라앉지도 않는다. 우주 비행사는 중성부력 체험을 통해 무중력 상태를 경험할 수 있다.

이보다 더 본질적인 문제는 우주인들의 마음에 있어요. 미지의 환경이 주는 두려움으로 인한 심리적 불안함이죠. 아폴로 11호의 비행 감독 진 크란츠는 NASA존슨우주센터에 “세 가지 가능성을 피할 수 없는 상황이다. 달에 무사히 착륙하든가 추락하든가 임무를 포기하든가”라고 고백했죠. 달 착륙 직전에 한 말입니다. 최 단장은 그런 우주인들에게 “창 밖으로 보이는 작은 지구는 유일한 안식처”라고 말합니다. ‘지구까지 멀지 않다’란 생각이 우주인들에게 살아 돌아갈 수 있다는 희망을 주는 겁니다.

우주 곳곳엔 사고 위험도 도사리고 있습니다. 1967년 아폴로 1호에선 발사 시험 중 화재가 발생해 승무원 전원이 사망하는 사고가 있었고, 제미니 8호 우주선에선 합선 사고가 일어나 탑승자였던 닐 암스트롱이 의식을 잃기도 했죠. 이소연씨 역시 귀환하며 위험천만한 사고를 겪었습니다. 타고 있던 귀환 캡슐이 잘못 분리돼 예상보다 훨씬 가파른 각도로 지구에 진입했거든요. 덕분에 그는 지구 중력의 20배에 달하는 중력을 견뎌야 했습니다.

그렇다면 우주인들은 두려움을 어떻게 극복할까요? 이 질문엔 아폴로 11호에 탑승한 우주인 가운데 두 번째로 달을 밟았던 버즈 올드린이 했던 말이 꼭 맞는 대답이 될 겁니다. 지난 9월 방한한 그는 연세대 백주년기념관에서 열린 강연에서 “내 피에는 차가운 얼음물이 흐른다”고 말했죠. 위험이 상존하는 우주 공간에서도 이성을 잃지 않고 할 일에 임했던 정신력을 표현한 겁니다.

우주시대에 알아둬야 할 용어

천체 암석·기체·먼지 등 여러 물질이 중력에 의해 묶여 있는 상태로 존재하는 것과 그 집합을 가리켜 부르는 말. 소행성·혜성·위성·행성·별(항성)·성운·성단·은하 등을 일컫는다.

행성 별의 주위를 도는 천체. 태양계 천체 가운데 행성으로 인정된 것은 수성·금성·지구·화성·목성·토성·천왕성·해왕성이다.

별(항성) 태양처럼 스스로 핵융합을 해 빛을 내는 천체.

위성 행성 주위를 도는 천체. 자연위성을 말한다.

궤도 어떤 물체가 중력 또는 전자기력 등에 의해 다른 물체 주위를 도는 현상. 또는 물체가 움직이는 길을 궤도라 한다.

빛의 산란 태양 빛이 공기 중의 작은 입자와 부딪칠 때 빛이 사방으로 퍼지는 현상.

엽록소 광합성을 하는 녹색 색소. 식물의 잎·녹조류에 들어 있다.

PLAN 3
화성에서 살아남기

화성 지구 외에 태양계 내에서 생명체 거주 가능성이 가장 높은 천체
지구와의 거리 5600만㎞~1억100만㎞
중력 지구의 3분의 1 질량 지구의 10분의 1
평균 기온 영하 63℃ 화성 탐사 예상 기간 2~3년
 

영화 `마션`에서 식물학자이자 인류 최초의 화성 거주인으로 등장하는 마크 와트니는 화성의 흙에 인분을 비료 삼아 감자를 재배한다.

최근 어느 식물학자의 화성 생존기를 그린 영화 ‘마션’이 큰 인기를 끌었죠. 우리도 훗날 방문한 화성에서 ‘마션’의 마크 와트니처럼 살아남을 수 있을까요? 가능성은 점점 커지고 있습니다. 최첨단 기술들이 외계에서의 인간의 생존 확률을 높이고 있기 때문이죠.

화성 생활의 걸림돌, 모래 바람과 낮은 기온
 

작업장·거주지·화장실 등이 설치된 ‘HERA’란 이름의 거주 모듈을 개발 중인 NASA의 화성 표면 기지 상상도.

오퍼튜니티·큐리오시티 등 많은 탐사선이 전한 화성의 첫 인상은 ‘붉은색’입니다. 우리가 흔히 ‘녹’이라고 일컫는 산화철이 토양에 섞여 있기 때문입니다. 화성은 하늘마저도 붉습니다. 모래 먼지가 대기를 둥둥 떠다니며 붉은빛을 산란시키기 때문이에요. 영화 ‘마션’의 마크 와트니는 모래 먼지가 뒤섞인 폭풍에 휩쓸려 사고를 겪습니다. 하지만 화성의 대기 밀도는 지구의 1.5% 정도입니다. 지구로 치면 지표면에서부터 30㎞ 위의 대기 밀도인 거죠. 그래서 최 단장은 “화성의 바람은 속도는 빠를지 몰라도 세기는 약할 것”이라고 말합니다. 바람의 세기는 대기의 밀도에 비례하니까요. 하지만 모래알에는 인체에 해로운 화학 물질, 중금속 등이 포함돼 있을 수도 있으니 마시지 않도록 주의해야 합니다. 화성 생활의 걸림돌은 모래 바람만이 아닙니다. 낮은 기온 역시 문제가 되죠. 여름에는 기온이 18℃까지 오르는 때도 있지만, 평균 기온은 영하 63℃ 정도거든요. 화성의 대기는 어떨까요. 온실효과를 일으키는 이산화탄소가 포함돼 있긴 합니다. 함량도 95%에 달하죠. 하지만 충분한 효과를 기대하긴 힘듭니다. 앞서 말한 것처럼 대기 자체가 무척 희박하니까요.

최 단장은 “그래도 달보단 화성에 사는 편이 나을 것”이라고 말합니다. 달의 일교차는 300℃에 달하기 때문이죠. 지구의 평균 기온이 15℃ 정도로 유지될 수 있는 이유 중 하나는 대기가 태양에너지를 흡수하기 때문인데요. 달은 대기가 전혀 없는 진공 상태라 태양에 의해 쉽게 달궈지고 금세 식습니다. 실제로 달의 낮 기온은 130℃까지 오릅니다. 또 기온이 영하 170℃까지 떨어지는 밤에는 탐사 기기들이 얼어붙는 사고도 종종 일어납니다.

바이오 돔과 테라포밍 기술 활용 계획
 

 

2016년 발사될 화성 착륙선 인사이트에는 태양 전지판이 설치돼 있다.

 

훗날 화성에 도착한 우주인들은 생명체 찾기에 몰두할 거예요. 그렇다면 우주인들의 보금자리인 화성 기지에선 어떻게 먹을 거리를 만들어낼까요? ‘마션’의 마크 와트니가 그랬듯, 기지 안에 식물을 기를 수 있는 온실인 ‘바이오 돔’을 설치하는 방법이 있습니다. 돔 안에선 모든 것이 재활용됩니다. 사람의 날숨에 섞인 이산화탄소와 배설물도 예외는 아니죠. 광합성은 물과 이산화탄소가 빛에너지를 매개로 결합해 산소·포도당을 생성하는 경로로 이뤄지는데요. 바이오 돔에서는 사람이 내뿜는 이산화탄소가 식물 광합성의 주재료로 쓰입니다. 대변은 미생물로 분해해 식물의 퇴비로, 소변은 여과해 물로 재사용하죠. 물을 얻는 다른 방법도 있습니다. 화성의 토양엔 물이 약 2% 정도 섞여 있어 가열하면 수증기 형태의 물을 구할 수 있죠. 최 단장이 화성 거주 가능성을 높이 평가하는 이유 중 하나입니다.
 

영화 `마션`에 등장하는 로버. 현재 NASA는 행성 탐사용 다용도 로버 MMSEV(Multi-Mission Space Exploration Vehicle)를 개발 중이다.

산소는 어떻게 구할까요? 과학자들은 ‘테라포밍(terraforming)’이란 기술에 주목합니다. 지구(terra)와 형성(forming)이란 두 단어가 합쳐진 말로, 외계 환경을 지구 생태계처럼 꾸미는 것을 의미합니다. 화성은 테라포밍의 유력한 후보지 중 하납니다. NASA는 2011년 미국 모하비사막에서 특별한 미생물을 발견했죠. 이 미생물은 화성의 토양과 유사한 산화철 광물에 서식함은 물론, 엽록소를 지녀 광합성을 할 수도 있어요. 과학자들은 이처럼 화성에 살 수 있고, 광합성도 할 수 있는 미생물을 화성 토양에 심으려고 해요. 이들이 배출하는 산소로 지구와 유사한 대기를 만들어보자는 계획이죠. 최 단장도 “불가능한 일은 아니다”고 평가합니다. 이 과정이 지구의 대기 형성 과정과 유사하기 때문이죠. 이산화탄소로 가득했던 원시 지구의 대기에 산소가 유입된 것도 녹조류 같은 광합성 미생물들의 등장 이후부터입니다. NASA는 인공 자기장을 설치하는 기술도 개발 중입니다. 성공하면 지구처럼 방사능 문제를 걱정할 필요가 없어집니다. 과학자들은 화성 극지에서 드라이아이스를 캐 이산화탄소를 만든 후, 수소와 결합시켜 메탄가스를 만드는 방법도 연구하고 있어요. 성공하면 화성 현지에서 쓸 연료 걱정도 사라지게 되죠. 소의 트림·방귀에서 주로 나오는 메탄가스는 지구에서도 연료로 각광받고 있습니다.

글=이세라 기자·이연경 인턴기자 slwitch@joongang.co.kr, 사진=한국항공우주연구원, NASA

참고 도서=『2030 화성오디세이』(MID), 『우주개발탐사 어디까지 갈 것인가』(일진사), 『우주여행 핸드북』(길벗), 『문더스트』(사이언스북스), 『화성 탐사의 시대』(뉴턴), 『달 세계 여행』(뉴턴), 『우주 다큐』(세계사)

동행 취재=김도영(대전 샘머리초 5)·김민기(대전 상원초 6)· 위태경(대전 신일초 6) 학생기자