화성탐사의 역사와 퍼시비어런스

Perseverance

화성의 흙을 지구로 가져오는 “10년 릴레이 우주 탐험”의 첫 주자인 인류 최초의 화성 표본 수집 우주선이 화성에 도착했습니다.

로봇 탐사선인 NASA의 “퍼시비어런스”가 화성 북반구에 있는 “예제로” 충돌구에 안착했습니다.
한국시간으로 2월 19일 오전 오후 5시 55분입니다.
지난해 7월 30일 지구를 떠난 지 6개월 반 만이고, 누적 비행 거리는 4억 7천만 킬로미터였습니다.

아랍에미리트(UAE)의 아말과 중국의 텐진1호 등 화성탐사선 3척이 예정대로 이달 중 모두 화성에 도착했습니다.

NASA의 퍼시비어런스 프로젝트 팀은 착륙 직후의 사진을 공개하면서, “그것은 사진과 같이 완벽한 착륙이었습니다.”라고 전했습니다.
퍼시비어런스는 앞뒤에 카메라를 부착하고 찍은 두 장의 화성 표면 사진을 보냈습니다.


Perseverance, right after landing ©NASA

조 바이든 미국 대통령은 공식 트위터를 통해 “퍼시비어런스의 역사적인 상륙을 가능하게 하기 위해 열심히 노력한 NASA를 포함한 모든 분들에게 축하를 드리고 싶다.”며, “오늘날, 과학적인 힘과 미국의 독창성으로는 불가능한 것이 없다는 것이 다시 한번 증명되었다.”라고 전했습니다.

길이 3미터, 높이 2.2미터의 1,050킬로그램의 6륜 탐사선인 퍼시비어런스는 미국에서 15번째이자 다섯 번째 화성 탐사선입니다.

‘퍼시비어런스’는 9년째 운영 중인 ‘큐리오시티’와 같은 구조로 크게 두 가지 과제가 있습니다.
그것은 역사상 처음으로 전생의 흔적을 찾아 화성에서 토양 샘플을 채취하기 위한 것입니다.


Perseverance clinging to Skycrane ©NASA

대기 밀도가 지구의 100분의 1에 불과한 화성에 착륙하는 과정은 “공포의 7분”라고 불립니다.
우주선의 속도를 줄일 수 있는 대기 마찰력이 낮아 지상 충돌 위험이 높기 때문입니다.

이날 ‘퍼시비어런스’는 열차폐막으로 섭씨 1300도의 고온을 견뎌야 했고, 시속 2만 킬로미터에서 단 몇 분 만에 사람의 보행 속도로 속도를 늦춰야 했습니다.

이 때문에 낙하산, 역추진 엔진, 스카이 크레인이 동원됐습니다. 나사는 또한 이번에 안전한 착륙을 위해 새로운 기술을 추가했습니다. 하강 동안 지속적으로 표면 사진을 촬영하고 분석한 후, 필요한 경우 착륙 지점을 600m 이내로 곧바로 변경할 수 있도록 했습니다.


Landing Process ©NASA

3단계로 진행된 ‘공포의 7분’은 태양전지판을 떼어낸 하강선(스카이크레인)이 대기권에 진입하면서 시작됐다.
약 1분 동안 고온을 견뎌낸 후, 4분 뒤에 낙하산을 펴서 시속 1,500 킬로미터로 속도를 줄였습니다.

2분 후, 2.1킬로미터 상공에서, 후방 열차폐막 또한 제거되었습니다.
이때부터 역추진 엔진으로 속도를 늦추고 시속 2.7km로 감속했습니다.

하강선은 3개의 나일론 와이어(길이 7.6m)에 연결된 탐사선을 20m 고도에서 낮췄습니다.

로버의 착륙을 확인한 후, 하강 라인이 연결 라인을 차단하고 안전하게 비행했습니다.

인버턴스는 착륙할 때 시속 2.5킬로미터의 속도를 가졌습니다.
이러한 모든 프로세스는 자동 제어 시스템이 내장된 상태로 수행되었습니다.

화성과 지구 사이의 통신은 22분이나 걸리고 지구 관제소에 의해 실시간으로 제어될 수 없습니다.


Perseverance Landing Site ©NASA

생명의 흔적을 찾는 것에 대한 기대가 크다.

화성에서 생명체의 흔적이 발견된 것과 관련하여, NASA는 이 탐험에 대해 그 어느 때보다 높은 기대를 걸고 있습니다.
이는 퍼시비어런스가 작동하게 될 예제로(호수를 뜻하는 슬라브어)의 충돌구 주변의 특성 때문입니다.

예제로는 적도 이시디스 평원의 북서쪽 끝에 있는 폭 45킬로미터의 충돌 분지에 있습니다.
과학자들은 그것이 39억 년 전 거대한 운석이 떨어져 형성된 충돌 분지라고 추정합니다.
여기에는 41억 년에서 37억 년 전 화산활동에서 분출된 열, 먼지, 가스로 인해 구름이 형성되고 비가 내리면서 강의 퇴적물에 의해 만들어진 것으로 추정되는 삼각주가 위치해 있습니다.

과학자들은 동쪽 방향으로 부채꼴인 삼각주에 생명체의 흔적이 있을 가능성이 크다고 보고 있습니다.
그때 강물이 흘렀다면 삼각주는 유기물이 모이는 장소였을 것입니다. 사실, NASA 과학자들이 오랫동안 이곳에서 탐사를 하고 싶어했다는 것입니다.

하지만, 고르지 않고 가파르기 때문에, 착륙 위험이 높아서 탐사선을 보낼 수 없었습니다.
기술의 발달로 오랜 소망을 이루었습니다.


Travel Path ©NASA/JPL

과학자들이 생명의 흔적을 기대하는 또 다른 장소는 근처 호숫가입니다.

과학자들은 화성의 사진을 바탕으로 예제로의 가장자리를 따라 펼쳐지는 고대 호숫가에 암석 같은 탄산염 덩어리가 있다고 믿고 있습니다.
지구상의 고대 탄산염 암석에는 스트로마톨라이트라고 불리는 화석화된 박테리아와 같은 생명체의 증거가 있습니다.

셜록(SHERLOC)과 픽슬(PIXL)은 ‘퍼시비어런스’에 설치된 7가지 과학 장비 중 ‘생명체 수색’에서 중심 역할을 하고 있습니다.
셜록은 유기물을 찾기 위해 자외선 레이저를 사용하고 픽슬은 암석과 토양 성분을 분석합니다.


Perseverance ©NASA/JPL

화성 표본 수집은 2031년 후에 지구로 옮겨질 것입니다.

퍼시비어런스의 초기 활동 기간은 1년(화성일 기준, 지구의 687일)으로 설정되어있습니다.

같은 기간 동안, 퍼시비어런스는 시간당 152미터의 속도로 그 지역을 여행하고, 원통형 금속 용기에 화성 토양과 돌을 모읍니다.

시스템 검사와 시운전 완료 후 5월부터 본격적인 활동이 시작됩니다. 샘플 수집 용기는 43개입니다.
하지만 다섯 개는 비워둘 것입니다. 이는 나중에 지구로 반입될 때 표본이 담긴 용기에 순수한 화성 물질이 들어 있는지 여부를 비교하기 위한 것입니다.

수집할 바위를 찾은 경우, 로봇 암(길이 2.1m)을 연장하고 작은 손전등 크기(길이 6cm, 너비 1.3cm)의 구멍을 뚫어 용기에 샘플을 넣습니다.
각 용기는 최대 15g까지 담을 수 있습니다.

이 원통형 용기의 길이는 15 센티미터이고 티타늄으로 만들어졌습니다.
햇빛에 의한 열화를 방지하기 위해 반사율이 높은 흰색으로 코팅되어 있습니다.

20개의 용기가 가득 차면, 먼저 땅에 묻어서 보관한다.
NASA는 2020년대 말에 샘플을 수집하기 위해 다른 우주선을 보내고 2031년에 그것들을 지구로 가져올 계획입니다.

따라서, NASA와 유럽 우주국은 2026년에 두 개의 탐사선을 화성에 보내기로 결정했습니다.

NASA는 표본수거 착륙선(SRL / Sample Recovery Lander)을, 유럽 우주국은 지구 귀환 궤도선(ERO / Earth Return Obitter)를 담당할 예정입니다. 이 두 우주선은 2028년 여름에 화성의 표면과 궤도에 도달할 것입니다.


Ingenuity ©NASA/JPL

헬리콥터를 띄우고, 화성 공기로 산소 발생을 시험합니다.

퍼시비어런스는 화성에서 두 가지 특별한 실험을 수행합니다.

하나는 비행시험입니다.
퍼시비어런스의 밑바닥에는 무게 1.8kg, 날개 길이 1.2m, 높이 50cm의 소형 헬기 ‘인제뉴이티’가 매달려 있습니다.

NASA는 퍼시비어런스를 평평한 영역으로 이동한 다음 비행 테스트를 수행할 계획입니다.
3월 중순부터 30일 동안 다섯 번 시도합니다.

비행 테스트는 두 날개를 서로 반대 방향으로 분당 2,400회 회전시켜 상승과 비행을 발생시키는 것으로 실시될 것입니다. 태양 전지에 의해 작동되며, 목표는 90초 동안 5m를 오르내리고 150m를 왕복하는 것입니다.

만약 성공한다면, ‘인제뉴이티’는 지구 밖에서 인간들에 의해 비행된 최초의 동력 비행체가 될 것입니다.

NASA는 이것이 미래에 다른 천체에서 드론 탐사를 위한 길을 열어줄 것으로 기대하고 있습니다.

인제뉴이티의 운영 책임자인 틴 캔햄은 “목표는 공기역학이 화성에서도 작동한다는 것을 증명하는 것입니다,”라고 말했습니다.

다른 하나는 산소 발생 테스트입니다.
이 실험은 산소를 생산하기 위해 화성 대기의 95%를 차지하는 이산화탄소를 사용합니다.

그들은 MOXIE라고 불리는 장치로 화성의 대기를 흡입한 후, 먼지와 오염 물질을 제거하고 이산화탄소를 산소로 바꾸는 실험을 할 계획입니다. 미래의 유인 화성 탐사를 준비하기 위한 중요한 시험입니다.
서로 다른 계절과 시간에 시간당 6~10g의 산소를 생성하도록 10여차례 실험을 실시합니다.


all-time landing sites for Mars rovers ©NASA

미국과 유럽간의 8조원의 공동 프로젝트

퍼시비어런스에는 이외에도 표면 레이더(림팩스), 기상 관측 장비(메다), 고해상도 카메라 2대(슈퍼 카메라와 마스트캠 Z), 마이크 2대 등 23대의 카메라가 탑재돼 있습니다.

두 개의 마이크 중 하나는 랜딩 시스템에 있고 다른 하나는 카메라에 있습니다.

착륙시스템의 마이크는 랜딩과정을 녹음합니다. 카메라 마이크는 로버의 이상 여부를 확인하는 데 사용됩니다. NASA가 ‘마스 2020’에 투입한 예산은 27억 달러입니다. NASA와 유럽 우주국은 화성 표본 수집-귀환 프로젝트를 완료하는 데 약 70억 달러가 들 것으로 추산하고 있습니다.

현재 화성에서는 미국의 착륙선 인사이트와 로버 큐리오시티가 임무를 수행하고 있습니다.
이제, 퍼시비어런스까지 세대의 로버가 운행하게 되었습니다.
퍼시비어런스의 참여로 화성탐사선은 궤도선 8척(미국3, 유럽2, 인도1, 아랍에미리트1, 중국1)과 착륙선 1척(미국), 탐사선 2척(미국)으로 늘었습니다.

5월에는 중국의 톈원 1호(착륙선 및 탐사선)가 지상으로 내려와 합류할 예정입니다.



화성은 지질학적으로 살아있습니다. (화성 탐사의 의미)

화성에는 이미 많은 인류의 흔적이 남아 있습니다.


그 중에 우리에게 친숙한, 많은 위기와 고난을 극복하고 인류에게 깊은 인상을 준 쌍둥이 로봇과 혼자 생일축하 노래를 부르는 ‘큐리오시티 로버’ 같은 이동식 로봇들이 있습니다.
하지만, 화성에는 이동식 탐사선만 있는 것은 아닙니다. 바로 Phoenix 탐사선같은 고정식 탐사선(랜더)도 있습니다.


a human lander and mobile ship that has ever landed on Mars
©The Planetary Society

피닉스는 물과 얼음이 풍부한 화성의 북극에 착륙한 NASA의 고정 화성 탐사선으로, 화성의 샘플을 직접 수집한 최초의 탐사선입니다.

착륙 후, 피닉스는 화성에 있는 물의 흔적을 찾기 시작했고 궁극적으로 화성이 생명체가 살기에 적합한 환경인지 미생물이 살기에 적합한지를 알아내기 시작했습니다.

마침내, 그들은 얼어붙은 토양 표본을 가열함으로써 증기를 찾는 데 성공했습니다.
피닉스의 성공을 바탕으로, NASA는 인사이트(Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport)프로젝트를 선정했습니다.

인사이트라는 이름은 ‘지진파, 측지학, 열전달을 이용해 화성 내부를 탐사한다’는 뜻이기 때문에 탐사선의 주된 목적은 화성 지질탐사였습니다.


인사이트 탐색기의 초기 발사 계획은 2016년 3월로 예정되어 있었으나 SEIS 지진계 결함으로 다소 지연되어 결국 2018년 5월에 발사되었습니다.
4억 8천 4백만 킬로미터를 여행한 인사이트 탐사선은 2018년 11월 27일 착륙 후 첫 신호를 보냈습니다.

화성 착륙은 접근, 하강, 착륙의 세 단계로 구성된 상당히 어려운 작업입니다.
우선 고도 100㎞ 이상의 화성 대기권 상층부에 도달했을 때 탐사 속도를 빠르게 줄여야 합니다.
또한, 대기와의 마찰로 인해 과도한 온도를 방열판으로 견뎌야 합니다.

다음으로, 상공 10km에 도달하면 낙하산을 펴고 속도를 늦추면서 마침내 조심스러운 착륙을 끝냅니다.

착륙 후, 인사이트 탐사선은 즉시 화성에 동력을 공급하기 위해 두 개의 태양 전지판을 배치했습니다.

Insight after Mars Landing ©NASA/JPL

인사이트가 착륙한 곳은 화성 적도 근처의 엘리시움 평원인데, 이곳은 화성에서 가장 평평한 곳 중 하나입니다. 선택한 착륙지는 인사이트 탐사선이 이동식 탐사선이 아니기 때문에 태양 전지의 자유로운 작동과 관련이 있습니다. 충분한 햇빛을 받뿐만 아니라 외부 위험도 최대한 고려하여 선택하였습니다.

주요 목적은 화성의 지질 탐사이기 때문에, 인사이트에는 마스큐브원(Mars Cube One, MarCO-A & MarCO-B)이라고 불리는 SEIS 지진계, 굴착장비/온도 측정 장치 등의 두개의 큐브와 자전/공전 주기 관측장비, 대기와 날씨 관측 장비, 레이저 거리 측정기, 그리고 2개의 카메라 등으로 이루어져 있다.

또한 로봇팔은 인사이트만의 특징이라고 할수있는데, SEIS 지진계 및 온도 측정기 설치를 목적으로 탑재되었습니다.

특히, 로봇 암에 의해 설치된 두 개의 큐브는 가장 중요한 장비 중 하나입니다.
첫 번째 큐브인 SEIS 지진계는 50Hz 미만의 지진과 진동을 감지할 수 있는 장치로, 네 개 이상의 국가 차원의 대형 연구소에서 설계 및 제조에 참여했던 것입니다.

지진이 지구의 내부를 예측하는 것을 가능하게 한 것처럼, 화성 지진도 화성 내부를 추적하는 데 중요한 정보입니다. 만약 화성에 지진이 일어난다면, 화성의 내부는 파동의 움직임에 의해 예측될 수 있습니다.
또한, 두 번째 큐브(MarCO-B)와 굴착장비/온도 측정 장치를 이용해서 화성 핵의 열을 측정하여 화성 내부 활동정도를 알 수 있습니다, .

내부 온도를 측정하는 것도 행성 진화에 중요한 힌트를 주지만, 화성의 냉각 정도에 따라 화성의 전체적인 정보와 행성 수명을 예측하는 것은 가능합니다.

지구와 화성이 형제 행성처럼 보이던 시절이 있었다고 여겨집니다.
화성 역시 따뜻한 온도의 두꺼운 대기층이 형성된 적이 있다고 예상되지만, 지금은 내부가 바뀌면서 생기는 약한 자기장 등 여러 가지 이유로 인해 매우 희박한 대기권 등 전혀 다른 행성의 모습이 되었습니다..

베일에 가려진 화성의 내부와 대기를 탐사하는 것은 우리가 지구형 행성을 형성하는 과정을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.


NASA의 행성과학부의 총책임자인 로리 클레이즈 박사는 2019년 4월에 첫 화성 지진을 포착했다고 보고했습니다. 예상외로 화성에서 지진 활동이 활발하며, 이는 아폴로 임무 수행 중 달표면에서 감지된 고주파 활동의 달지진과 유사하지만 화성 내부를 정확히 탐사하기에는 역부족입니다.

2019년 9월 30일 현재 총 450여 개의 크고 작은 지진신호가 감지돼 화성이 지질학적으로 살고 있음을 알 수 있지만, 대부분 화성 내부 지진 활동과 운석의 화성 영향 때문이었습니다.

인사이트는 새롭고 놀라운 결과를 알려왔습니다. 인사이트 탐사선의 부책임자 중 한 명인 캐서린 존슨 박사는 화성에서 인공위성이 관측한 것보다 약 10배나 강한 자기장을 발견했다고 합니다.

화성 내부의 금속은 오래 전부터 냉각되기 시작했는데, 이것은 결국 화성의 약한 자기장과 태양풍으로부터 화성을 보호할 대기가 없는 상태의 원인이 되었습니다.
때문에, 이러한 발견은 일부분으로 예측되며, 이는 인사이트 탐사선이 착륙한 곳 근처에 자석화된 고대 암석이 있음을 암시합니다.

2020년 6월, 인사이트 탐사선에 실린 굴착/온도측정 장치가 마침내 땅을 파기 시작했습니다.
두더지라는 별명이 붙은 이 장치는 지하 5미터까지 드릴로 뚫도록 설계되었습니다.
열 감지 센서가 포함되어 있기 때문에, 땅을 파면서 화성 내부에서 나오는 에너지와 온도를 측정할 수 있습니다.

하지만, 이 장치는 지금까지 몇 번의 시도에도 불구하고 땅속으로 들어가지 못했고, 다른 대안을 생각하는 과학자들과 기술자들은 로봇의 팔을 사용하여 두더지 장비를 땅 속으로 밀어 넣기로 결정했습니다.
그래서 이 두더지는 2020년 6월 9일에 화성의 땅을 파기 시작했습니다.

인사이트 탐색기는 올해 임무를 마칠 예정이지만 아직 할 일이 많이 남아 있습니다.
넘어야 할 산도 아직 많습니다. 화성 북반구에 겨울이 다가오면서 먼지폭풍 시즌이 곧 시작될 것으로 보입니다.

이는 인사이트 탐사선이 쌍둥이 탐사선이 경험했던 모래폭풍 등의 같은 위기에 직면할 수 있음을 의미합니다. 이것은 또한 굴착 작업에 어려움이 발생할 수 있다는 것을 의미합니다. 게다가 인사이트 탐색기는 고정된 탐사선이기 때문에 위기를 완전히 극복할 수 있을 것으로 우려됩니다.

화성은 어떻게 지구상의 행성들이 태어나고 진화했는지 알 수 있는 완벽한 장소입니다.

우리는 많은 미스터리를 풀어줄 두더지의 적극적인 활동을 기대합니다.


이전의 전기 자동차와 이번 화성 탐사 콘텐츠는 모두 Elon Musk의 꿈과 관련이 있습니다.엔지니어로서 저는 글쓰기를 아주 재미있게했습니다. 글을 쓰기위한 사전 연구는 저에게 큰 영감을주었습니다.

이 글을 읽는 분들이 많은 영감을 받으셨으면 합니다.

글에 대해 질문이 있거나 추가 조사를 수행하고 싶은 경우 알려주십시오.

전기차의 출현, 테슬라!

Model S

19세기에, 미국의 두 과학자는 전기의 전송 방식을 놓고 싸움을 벌였습니다.
그것은 “Current War”라고 불립니다.


니콜라 테슬라
니콜라 테슬라

DC 시스템을 고집한 토마스 에디슨과 AC 시스템을 고집한 니콜라 테슬라가 전쟁의 주인공입니다.
에디슨의 직류시스템을 통해 미국 전역에 전기를 공급하던 조지 웨스팅하우스가 테슬라의 교류시스템을 선택하면서 전쟁은 테슬라의 승리로 끝났습니다.
이후 테슬라는 AC기반 발전기와 원동기를 완전히 재설계합니다.

2003년 마틴 에버하드와 마크 터퍼닝은 전기자동차를 지구 온난화를 억제하는 방법으로 생각했고 완전히 다른 방법으로 전기자동차를 만드는 회사를 시작했습니다.


tesla
Tesla

테슬라 모터스는 교류 유도 모터를 처음 개발한 테슬라의 이름을 딴 것입니다.
2004년 온라인 결제시스템 페이팔에 성공한 민간 우주기업 스페이스X의 창업자 엘렌 머스크의 투자로 테슬라에 합류하면서 테슬라가 한발 앞서 전기차 개발에 박차를 가하기 시작했습니다.

‘깨끗하고 조용하고 환경친화적’인 전기차의 특징에 더해 한 번 충전으로 더 재미있고 안전하며 더 멀리 여행할 수 있다면 세계 유수의 휘발유 차를 능가할 것이라는 상상력으로 모든 것을 바꿨습니다.

2006년 7월, 그의 상상력은 현실이 되었습니다.
테슬라의 첫 양산형 전기 스포츠카 ‘로드스터’가 공개됐습니다.

전기자동차가 골프카트, 셔틀버스인 줄 알았던 이들은 한 번 충전으로 400㎞를 달릴 수 있고 4초 만에 시속 100㎞에 이를 수 있는 스포츠카 ‘로드스터’에 열광했습니다.
언론은 화성 여행을 꿈꾸는 억만장자 엘런 머스크를 ‘망상남’이라고 비판하다가, 그를 혁명가로 만들자 테슬라도 대중의 관심을 끌기 시작했다.

엘런 머스크의 아이덴티티가 더해져 테슬라는 더욱 매력적이게 되었습니다.


Model S
Model S / tesla.com

테슬라 = “S3XY” 전기차


테슬라는 로드스터 이후부터 기존 자동차와 전혀 다른 전기차 출시하기 위해 ‘모델S’ 개발에 착수했습니다.
2009년 3월, 더 안전하고 빠른 전기 자동차를 위해 트렁크 내부에 있던 배터리 셀을 바닥으로 배치한 모델 S가 공개되었습니다.
2012년, 테슬라는 1회 충전으로 470㎞를 운행할 수 있는 세단형 모델S를 내놓으면서 창사 10년 만에 첫 흑자를 기록했습니다.
2015년에는 팔콘윙 도어가 장착된 SUV 전기차 ‘모델X’ 가 공개됐습니다.
팔콘 윙 도어는 위쪽으로 여닫을 수 있으며 어린이를 동반한 고객들로부터 큰 호응을 얻었습니다.

2016년에는 양산체제가 구축돼 모델3가 출시됐고,
2019년에는 사고 발생 시 운전자에게 가장 위험한 차체 앞쪽 크럼플존(crumple zone)을 견고한 구조로 만든 모델Y가 도입돼 안전성이 강화됐습니다.
테슬라는 현재 모델 ‘S’, ‘3’, ‘X’, ‘Y’로 ‘S3XY’ 제품군을 완성했습니다.

테슬라는 기존 관행을 깨고 세상에 없는 전기차를 만들고 있습니다.
이러한 차별화의 근본은 운전자를 세심하게 고려하는 것입니다.
아무리 좋은 아이디어라도 가치를 느끼지 못하면 차별성을 만들지 못하고 사라집니다.
가치를 느끼는 사람이 많을수록 차별성은 더욱 빛을 발합니다.

많은 사람들이 테슬라가 만들어낸 가치에 공감하기 때문에 테슬라가 더 매력적으로 보이는 것 아닐까요?