[꼬꼬문]과학자·음모론자도 다누리에 주목하는 이유는? 7가지 질문들

“로켓엔진에 불을 붙였을 때 일어날 수 있는 일은 1,000가지, 그중 바람직한 경우는 딱 1가지뿐이다.”

로켓과학자 톰 뮬러의 말입니다. 성공확률 0.1%의 극한상황에서 재빨리 문제를 분석하고 돌파구를 찾아야 하는 로켓과학자들. 불확실성과 춤추길 즐기는 이들이야말로 세상에서 가장 혼돈에 강한 종족일 것입니다.

 

2003년 ‘화성표면탐사로버 프로젝트’에 참여해 2대의 로버 ‘스피릿’과 ‘오퍼튜니티’를 화성에 착륙시키는 데 성공했던 전직 로켓과학자 오잔 바롤이 쓴 ‘문샷’이란 책에 나오는 내용입니다.

문샷은 불가능해 보이는 시도에 도전하는 것을 뜻하잖아요. 실패확률 99.9%의 극한 상황에서 성공하기 위해서도 가장 빨리, 가장 탁월한 판단을 내리는 로켓 과학자들과 같은 ‘문샷 사고’가 필요하다는 거죠. 더 나아가 코로나 이후 달라진 세상에 필요한 통찰력도 달을 보기 위해 망원경이 아닌 달탐사선을 제작하는 식의 혁신적인 계획을 일컫는 ‘문샷 사고’를 해야 한다고 책에서 강조하더라고요.

 

그런데 대한민국에 이같은 문샷 사고가 큰 화제를 모으고 있습니다. 1993년 첫 순수 국내 기술로 만든 인공위성 ‘우리별 2호’를 성공시킨 지 겨우 30년 만에 러시아·미국·중국·일본·유럽연합(EU)·인도에 이은 세계 7번째로 달탐사국이 될 예정이기 때문입니다. 1959년 소련이 세계 최초로 달에 무인 우주선을 보내고, 1969년 미국의 닐 암스트롱이 인류 최초로 달을 밟을 때만 해도 국토 대부분이 허허벌판인 저개발국이었던 당시 한국으로선 상상조차 못했던 일이죠.

 

하지만 지난 6일 한국의 첫 달 탐사선 다누리를 실은 스페이스 X의 로켓 팰컨 9이 성공적으로 발사된 후 지상국과 첫 교신도 성공하면서 세계가 주목하고 있습니다. 앞으로 4개월 반을 날아 목표 궤도에 도착하면, 달에서 우리의 자랑 BTS의 ‘다이너마이트’를 울려 퍼지게 할 계획입니다. 마치 1969년 아폴로 11호 우주인들이 달에 착륙할 때 달 궤도를 돌던 사령선에 프랭크 시나트라의 ‘나를 달로 데려가주오(Fly me to the moon)’이 울려 퍼졌던 것처럼 말이죠. 상상만해도 신나겠죠.

 

오늘은 이런 즐거운 상상을 가능하게 만들어준 다누리에 관한 궁금증을 하나하나 풀어보도록 하겠습니다.

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첫째. 다누리가 발사된 것은 지난 6일인데 달 탐사 시작은 왜 12월인가요?

 

달로 가는 길은 크게 3가지가 있다고 합니다. 첫번째가 미국의 아폴로 탐사때 썼던 직접 전이, 즉 지구에서 달로 곧바로 향하는 거죠. 지구 중력을 벗어 난 후 궤도를 수정해가면서 달로 직행하기 위해선 연료가 무지 막지하게 소요됩니다. 사흘이면 갈 수 있어 우주 환경에 취약한 유인 탐사 방식에 적합합니다.

 

두 번째는 위상전이 방식도 있습니다. 지구 근처를 굉장히 긴 타원 궤도로 몇차례 공전한 후 달 궤도에 슬쩍 올라타는 방식입니다. 1개월 정도 시간이 걸립니다. 직접 전이보다는 연료 소모가 적지만 달 궤도 진입에 상당히 많은 양이 들어갑니다. 다누리는 마지막 세 번째 방식을 쓰는데요. 탄도형 달 전이 방식(BLT·Ballistic Lunar Transfer)이라고 합니다. 나비 모양 궤적을 그리면서 멀리 돌아 달 궤도에 진입하는 방식인데, 지구와 달의 거리는 38만km, 곧장 가면 사흘이면 되지만 150만km까지 갔다 돌아오려니 총 600만 킬로미터를 날아야 합니다.

 

하지만 태양과 지구, 달의 중력을 이용하기 때문에 연료를 약 25% 아낄 수 있다는 것이 장점입니다. 그만큼 오랫동안 임무를 수행할 수 있다는 거죠. 하지만 1도만 틀어져도 600km의 오차가 발생하기 때문에 정밀한 항법 기술이 필요합니다. 1990년 일본 ‘히텐’, 2011년 미국이 각각 시도해 성공한 적이 있긴 합니다. 하지만 일본의 히텐은 197kg, 미국의 그레일은 370kg인데 반해 우리의 다누리는 무려 678kg나 됩니다. 2~3배나 무겁기 때문에 그만큼 성공하기도 힘들다는 거죠.

다누리 연구진도 BLT 궤적 설계에 꼬박 7개월이나 걸렸다고 합니다. 그도 그럴것이 무려 소수점 아래 13자리까지 맞혀야 하는 계산이었기 때문입니다. 13자리 중 하나만 틀려도 다누리는 우주 미아가 될 수 있다고 합니다. 그런데 이런 노력 끝에 완성된 궤적 설계를 본 나사가 깜짝 놀랐다는 군요. ‘매우 우수해서 수정할 부분이 없다’고 감탄했다고 합니다.

 

물론 우리도 감탄하기에는 아직 이르다고 합니다. 연료를 아끼기 위해 태양 쪽 먼 우주로 나비 모양의 궤적을 그리며 날아가는데 모두 9번이나 궤도 수정을 해야 하거든요. 이 때 자세를 제어하는 8개의 추력기와 4개의 궤도 수정용 추력기가 문제없이 작동해야 합니다. 특히 태양을 향해 가다 달로 방향을 틀기 시작하는 9월 2일이 주요 고비가 될 걸로 보입니다. 이 모든 과정이 성공하면 다누리는 오는 12월 달 상공에 도착해 1년간 달 탐사 임무 수행에 들어갑니 디. 다누리는 달 상공 백km에 안착해, 내년 1월 임무를 시작해야 비로소 성공이라 할 수 있습니다. 특히 남은 연료의 양에 따라 임무 기간은 단축되거나 연장될 수 있다고 합니다.

 

둘째. 얼마 전 누리호 발사에 성공했는데 왜 스페이스X를 썼을까요?

 

이유가 몇 가지 있는데요, 핵심은 우주로 갔다가 지구로 다시 '귀환'하는 로켓 기술입니다.

스페이스X 1단 로켓이 이번 다누리 발사 9분 뒤 바다 위 목표지점에 정확히 내려앉습니다.

벌써 6번째 귀환입니다. 이번에 사용된 1단 로켓은 일부 부품만 교체하면 최대 100번까지 다시 쓸 수 있다고 합니다.

 

이뿐만이 아닙니다. 다누리를 감싸고 있던 페어링도 이번이 4번째 비행이었습니다. 이 같은 재사용 기술 덕분에 스페이스X는 발사 비용을 대폭 낮췄습니다. 한 번에 6700만 달러(약 870억 원). 다른 업체의 3분의 1가량에 불과합니다.

 

물론 누리호에도 재사용 기술이 장착된다면 굳이 머스크의 도움을 받을 필요는 없겠죠. 이미 항우연은 2024년부터 개발 예정인 차세대 발사체에 재사용 기술을 적용하겠다는 계획이라고 합니다. 하지만 아직 갈길은 멀죠.

 

우리 발사체 기술의 한계도 스페이스X를 이용할 수밖에 없었던 이유이기도 합니다. 누리호가 도달할 수 있는 최대 속도는 초속 7.5km에 불과합니다. 678kg나 되는 다누리를 싣고 지구 중력을 벗어나기 위해 필요한 속도인 11.2km에 못 미칩니다. 이는 추력이 부족하기 때문인데요, 누리호 1단 엔진의 힘은 300톤으로 팰컨9의 절반 수준입니다. 다만 2031년쯤 보내게 될 달 착륙선은 우리 손으로 개발한, 차세대 발사체에 실어 보낼 예정이라고 입니다.

 

다만 우리가 머스크에 도움을 받는 것은 다누리를 우주에 쏘아 올리는 것까지만입니다. 지구로부터 1,600km 정도 떨어진 지점에서 발사체와 다누리가 분리되고 나면 이후 다누리의 모든 운용은 한국항공우주연구원이 맡습니다.

 

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[꼬꼬문]과학자·음모론자도 다누리에 주목하는 이유는? 7가지 질문들

셋째. 위성과 다른 점은?

 

다누리의 외양은 일반 위성과 별 다를 바 없습니다. 네모난 상자에 날개 모양의 태양광 패널이 부착돼 있죠. 그러나 위성이 아닌 '탐사선'입니다.

 

위성은 일정 궤도에 올려 놓으면 큰 변동없이 중력을 이용해 공전하면서 지구관측 등 임무를 수행합니다. 다누리가 위성이 아니라는 이야기는 탐사선이라는 얘기는 자체적인 항행 능력을 지니고 있다는 뜻입니다. 독자 개발한 추진제 시스템으로 지구에서 150만km 이상 떨어진 라그랑주 지점까지 갔다가 방향을 바꿔 돌아오면서 달 궤도에 합류하는 '우주선'입니다. 그래서 다누리는 수십kg의 연료를 적재하고 있습니다.

 

그럼 조종과 통신은 어떻게 할까요? 이를 위해 경기도 여주에는 국내 최대 규모인 35미터 반사판을 올린 심우주 안테나를 설치했습니다. 또 NASA와 손잡고 호주 캔버라 안테나, 미국 LA 골드스톤 및 스페인 마드리드 소재 심우주 안테나와의 연계망을 활용합니다. 대전 KARI 청사내에 자리잡고 있는 임무 운영 관제실이 다누리에 각종 명령을 내리고 상태 정보를 수신합니다. 또 임무계획 수립과 궤도 결정, 기동계획 수립, 탑재체 데이터 수신 및 배포 기능도 담당하죠.

 

넷째. 다누리는 달에 가서 뭘 할까요?

 

다누리는 지난 5월 국제학술지 '네이처'에서 올해 가장 주목받는 달 탐사 계획으로 꼽힐 정도로 세계적인 관심을 받고 있습니다. 이미 6개국이 달탐사를 했지만 우리 다누리가 처음 시도하는 탐사가 있기 때문입니다. 특히 SF영화 속에서나 봤던 우주인터넷이 처음 시도됩니다. 그것도 우리나라 ETRI가 만든 우주인터넷 장비를 활용하는데요. 달궤도와 지구 상에 있는 우주인터넷 노드 사이에서 메시지와 파일을 전송하고 실시간 동영상 스트리밍을 할 예정입니다.

우주인터넷 기기에 저장된 파일에는 ETRI 홍보영상, DTN 기술 설명 영상을 비롯해 그룹 방탄소년단(BTS)의 노래 '다이너마이트'(Dynamite)가 있으며, 이 파일을 재생해 지구로 보내는 시험이 이뤄지는 거죠.

 

또 다누리에 실린 고해상도 카메라에도 관심이 집중되고 있는데요. 항우연이 만든 이 카메라는 최대해상도 2.5ｍ로 관측폭 10㎞ 이상의 달 표면 관측 영상을 찍을 수 있다고 합니다. 덕분에 달에 직접 착륙했던 아폴로 프로젝트 이후 인류가 달을 가장 가깝고 정밀하게 관측할 수 있다는 군요. 다누리는 달 상공 100km에서 하루 12회 달을 공전하면서 관측한 데이터를 지구에 보낼 예정이라는데요. 달토끼도 발견할 수 있을까요?

 

이와함께 한국천문연구원이 개발한 광시야 편광카메라(PolCam)를 통해 달 표면 입자까지 관찰할 수 있어 표면에서 우주 풍화가 어떻게 일어나는지 상세히 이해할 수 있을 것으로 기대됩니다. 국제 과학계에선 달의 특이 지형인 '요정의 탑(Fairy castles)'의 정체 등 그동안 쌓여 온 의문들을 풀어줄 수 있을 것으로 기대하고 있다는 군요. ‘요정의 탑’은 아폴로 프로젝트 당시 160km 상공에서 찍은 달 표면 사진에서 발견된 작고 길며, 꽈배기처럼 꼬인 탑 모양의 특이 구조물입니다.

 

NASA의 섀도우캠도 달려있는데 달에서 물의 존재를 확인해 줄 것이라는 기대를 받고 있습니다.

 

다섯째. ‘다누리’는 누가 만들었을까요?

다누리 제작에는 국내 대기업 6곳, 중소기업 34곳이 참여했습니다. 한국항공우주연구원이 다누리의 본체를 제작했고 ㈜한화가 본체의 추진 시스템을, 한화시스템은 본체에 장착한 고해상도 카메라의 일부 기능을 개발했습니다.

SK브로드밴드는 다누리와 교신하는 초대형 지상안테나 시스템을 구축했습니다. 다누리에 실린 6종의 과학장비 중 감마선 분광기와 우주인터넷 장치 등 5종도 국내 기술로 독자 개발됐습니다. 다만 빛이 없는 달 표면의 분화구에 물이 있는지를 관찰하는 '섀도캠'은 미국 NASA가 만들었습니다.

 

여섯째. 여러 나라들이 달에 주목하는 이유는 뭘까요?

 

냉전시대, 달 탐사는 우주 개발 경쟁을 벌인 미국과 당시 소련의 대결 구도였습니다. 1959년, 소련이 루나 1호로 달 근접비행에 먼저 성공하는 등 초기 달 탐사를 주도하자, 자극 받은 미국은 1969년 아폴로 11호를 통해 유인 우주계획을 성공시킵니다. 미소 양강이 견인하던 달 탐사는 2000년대 들어서 다원화되기 시작합니다.

 

'우주굴기'를 선언한 중국은 창어 시리즈를 통해 세계 최초로 달 뒷면 착륙에 성공하는 등 빠른 속도로 달 탐사에 박차를 가하고 있습니다. 올해 들어선 인도와 일본, 멕시코 등도 착륙선이나 달 탐사 로봇인 로버를 보내 달을 연구한다는 계획을 앞다퉈 내놓고 있죠.

 

미국 역시 아폴로 프로그램 이후 50여년만에 다시 유인 달 착륙을 시도하고 러시아도 루나 25호로 1976년 이후 중단했던 달 탐사를 재개합니다. 한국항공우주연구원(KARI)에 따르면 올해 이후 예정된 주요국 달 탐사 계획은 한국의 2030년 달 착륙선 발사를 포함해 18건이나 됩니다.

 

실패의 부담을 감수하면서까지 달 탐사에 매진하는 데는 무엇보다 우주개발 기술 발전의 터전이 될 수 있다는 게 매력으로 꼽힙니다. 더 먼 우주로 가기 위한 전초기지로의 역할을 기대할 수 있다는 겁니다.

 

게다가 현행 우주법상 달에 있는 자원을 가져오는 것은 불법이 아니고, 가져올 수 있는 양도 제한돼있지 않습니다. 그렇다 보니 달에 있는 희귀 자원들을 너도나도 먼저 가져오려고 하는 건데요. 달에는 지구에 잘 없고, 있는 자원마저 중국이 95% 이상 독점 보유하고 있는 희토류가 대량 매장돼 있습니다.

 

희토류는 반도체와 전기차 배터리의 제조에 쓰이는 핵심 물질입니다. 또 헬륨3도 달에 100만 톤 정도 있는 것으로 추산되는데요. 헬륨3는 방사 폐기물이 배출되지 않으면서 기존 원자력 발전의 5배가 넘는 효율로 전기를 생산할 수 있는 원료입니다.

 

다만 달에 있는 이 자원들이 우리나라의 자원과 동일한 가치를 가지고 있는지는 아직 검증되지 않았습니다.

 

그리고 달 탐사에 성공하면 국가 이미지를 높일 수 있고, 인공위성 기술 등 항공·우주 산업 관련 수출 기회도 늘릴 수 있다는 장점도 있습니다.

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일곱째. 우린 언제쯤 달에 받을 디딜수 있을까요?

 

우리나라는 오는 2031년 달 착륙선을 보낼 예정입니다. 이번 다누리가 1년 동안 달을 돌며 고해상도 카메라로 달 표면을 촬영하는 목적도 우리나라 첫 달 착륙선의 착륙 후보지를 선정하기 위해서입니다.

 

오는 2031년 발사 목표인 국내 첫 달 착륙선은 다누리보다 2배 정도 큰 1.5톤급 이상으로 제작됩니다. 달 표면에 착륙해 자원 탐사 등의 과학 임무를 수행하게 되는데, 다누리보다 엔진 성능이 커지는 건 물론 자세 제어도 더 정밀하게 해야 합니다. 과기정통부는 달 착륙선 개발을 위해 오는 9월 예비 타당성 조사를 신청한 뒤 2024년부터 본격적으로 달 착륙선 개발에 나설 예정입니다.

 

특히 국내 첫 달 착륙선은 누리호보다 더 강력한 차세대 발사체에 실어 우리 땅에서 쏘는 게 목표입니다. 차세대 발사체는 100톤급 엔진 5기와 10톤급 엔진 2기로 구성된 2단 발사체로, 누리호보다 외형도 커지고, 운송 가능 중량도 늘었습니다. 차세대 발사체 개발이 완료되면 우리나라는 자력으로 달까지 착륙선을 보낼 수 있게 됩니다.

 

다누리의 달 궤도 탐사를 시작으로 달 착륙까지 성공한다면, 우리나라는 달을 넘어 화성, 나아가 소행성까지 갈 수 있는 심우주 탐사의 발판을 마련하게 됩니다.

 

아이폰은 출시 전 실시했던 설문조사로 보면 실패작이었다고 합니다. “모든 필요를 충족해 주는 단 하나의 기기에 대해 어떻게 생각하느냐”는 질문에 미국인과 일본인, 독일인의 약 30%만이 “좋다”고 답했다는 거죠. 사람들은 별도의 전화기, 카메라, 뮤직플레이어를 원하지, 모든 기능을 다 합친 단일 기기를 원하지는 않는 것 같았습니다. 하지만 아이폰을 직접 보는 것과 가정해 보는 것은 전혀 다르다는 것을 이제도 모르는 사람은 없죠.

달 탐사선도 마찬가지입니다. 불가능하고 늦었다고 포기하면 얻을 것은 아무것도 없습니다. 실패확률 99.9%의 극한 상황에서 성공하기 위해서도 가장 빨리, 가장 탁월한 판단을 내리는 로켓 과학자들과 같은 ‘문샷 사고’가 혁신을 일구고 사회와 경제, 문화 등을 발전시킨다는 거죠. 우리 모두 최근의 경제적 어려움을 극복하기 위해선 문샷 사고가 필요할 듯한데요. 누군가 생각나는 것은 저만이 아니겠죠?