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인공위성에서 우주왕복선까지

우주개발을 향한 첫 걸음으로 우주의 실체를 알았으니 다음은 인간이 직접 우주로 뛰어드는 것이었다. 옛 사람에게 지구 바깥은 오로지 신들만의 세상이어서 달과 별이 있는 우주로 나아간다는 것은 꿈속에서나 가능한 일이었다. 그러나 20세기에 들어 감히 이룰 수 없으리라고 본 그러한 꿈이 현실이 되었다.

1957년 소련(지금의 러시아)은 인류 최초의 인공위성인 스푸트니크 1호 발사에 성공했고, 뒤를 이어 미국이 1958년에 익스플로러 1호를 띄워 올렸다. 이후로 세계 각국은 과학 연구 목적의 인공위성, 방송과 통신용 인공위성, 기상 관측용 인공위성, 감시용의 군사 첩보 인공위성 등 다양한 쓰임새의 인공위성을 쏘아 올렸다. 현재는 우리나라의 무궁화호와 우리별호를 비롯해 수 천대의 인공위성이 부딪칠 것을 걱정하며 지구 상공을 쉼 없이 돌고 있다.

미국은 자신들이 가장 먼저 인공위성을 쏘아 올릴 거라고 믿어 의심치 않았다. 그러나 소련이 먼저 띄워 올리자 미국은 당황했고, 우주 개발 경쟁에서 뒤쳐질 수 있다는 위기감에 미항공우주국(NASA)을 세웠고 미국 대통령 케네디는 이렇게 말했다. “1960년대가 다 가기 전에 인간을 달에 보내겠다.” 이로부터 야심차게 추진한 것이 아폴로 계획이다. 미국은 막대한 투자를 아끼지 않았고, 1969년 우주인을 태운 아폴로 11호 우주선을 달에 착륙시키는 데 성공했다.

이후 미국과 러시아는 민주주의 국가와 사회주의 국가의 대표 주자로서 경쟁하듯 우주선을 쏘아 올렸다. 베네라, 베가, 마리너, 비너스, 마젤란 등 20여 대가 넘는 금성 탐사선을 발사했고, 화성에는 마르스, 포보스, 바이킹 등 30여 대의 탐사선을 보냈다. 목성에는 파이오니아, 보이저, 갈릴레오 탐사선을 쏘아 보냈고, 토성에는 파이오니아, 보이저, 카시니-호이겐스 탐사선을 보냈다. 그리고 보이저 2호는 천왕성과 해왕성을 탐사하고, 현재는 그 너머 우주를 향해 계속 항해 중이다.

우주선 발사에는 엄청난 돈이 든다. 그러다 보니 경제력이 없는 국가는 하고 싶어도 못하는 게 우주 개발이다. 미국이 초강대국이지만, 그런 미국조차 우주선을 연거푸 쏘아 올리는 것은 크나큰 경제적 고민거리였다. 그래서 생각해낸 것이 우주왕복선이다.

스페이스셔틀이라 부르는 우주 왕복선은 비행기처럼 착륙이 가능해서 여러 번 사용이 가능하다. 우주 왕복선은 지구 상공과 지상을 연결해주는 다리나 마찬가지로, 인공위성이 머무는 곳까지 올라갔다 내려온다. 인공위성이나 앞서 미국과 소련이 무수히 쏘아올린 태양계 행성 탐사선에는 사람이 탑승하지 않지만, 우주 왕복선은 달라서 우주 비행사가 탄다. 그들은 우주 왕복선을 타고 지구 상공으로 올라가 우주 정거장에 머물면서, 지상에서 하지 못하는 여러 실험을 하거나 허블 우주 망원경을 수리하곤 한다. 애틀랜티스호, 콜럼비아호, 챌린저호, 디스커버리호가 그 역할을 충실히 했다. 2012년에는 미국의 민간 우주 기업인 스페이스X가 우주왕복선 드래건을 발사해 국제 우주 정거장에 화물 수송을 옮기는 작업을 성공리에 마치기도 했다.

중국의 달 착륙과 인도의 화성 궤도 진입

이제껏 무인 탐사선을 달에 착륙시킨 나라는 미국과 러시아뿐이었는데, 중국이 거기에 가세했다. 얼마 전까지만 해도 서구의 전유물로만 여겨졌던 우주 탐사가 이제는 중국과 인도의 가세로 점입가경이 되는 흐름이다.

중국은 2003년 최초의 유인 우주선인 선저우(神舟) 5호 발사에 성공했다. 이로써 미국과 러시아에 이어 세계에서 3번째로 유인 우주선 보유국 대열에 합류했다. 2011년에는 우주 정거장 텐궁 1호를 발사했고, 그 해에 무인 우주선 선저우 8호와 텐궁 1호의 도킹에 성공했다. 이로써 중국은 사실상 지상과 지구 상공을 언제든 오갈 수 있는 기술을 보유한 국가가 된 셈이다.

우주 개발에 대한 중국의 야심찬 도전은 계속 이어져서 2013년에는 중국의 달 탐사 위성인 청아 3호가 달에 착륙하는 쾌거를 이루었고, 달 탐사차 옥토끼(玉兎·중국명 위투)는 완전한 중국 기술로 제작한 것이라고 한다. 이는 중국이 월면 탐사기기에 대한 원거리 조종 능력을 확보했다는 의미이고, 중국의 우주 과학 기술이 세계 최고 수준에 이르렀음을 보여주는 것이다. 더불어 미국이나 러시아와 함께 달 자원을 같이 누릴 수 있는 권리를 획득하게 됐다는 뜻이기도 하다

2020년 완성을 목표로 3단계로 나눠 진행해 온 중국의 달 탐사 프로젝트는 이제 2단계가 끝났다. 중국은 창어 4호를 통해 그 마지막 단계를 완성할 예정이다. 미국 다음의 경제 대국으로 올라선 중국은 달 탐사 프로젝트 외에도 유인 우주선을 달에 보내고, 지구 상공에 우주인이 상주하는 우주정거장을 건설하고, 화성과 목성에 탐사선을 보내는 야심찬 계획을 세워놓고 있다.

2014년에는 인도가 쏘아올린 화성 탐사선 망갈리안(힌두어로 화성 탐사선)호가 화성 궤도 진입에 성공했다. 이는 미국과 구소련과 유럽연합(EU)에 이은 세계 네 번째 쾌거다. 화성 탐사선의 궤도 진입은 미국이 1964년에, 러시아가 1971년에, 2003년에는 유럽연합이 성공했고, 일본은 1998년에 중국은 2011년에 시도했으나 아쉽게도 실패했다. 망갈리안호는 2013년 11월 발사된 후 10개월 간 2억 킬로미터를 날아 화성에 진입했다. 인도의 우주 통제 센터에서 망갈리안호의 화성 궤도 진입 순간을 지켜보고 있던 과학자들은 벌떡 일어나 흥분을 감추지 못했고, 인도 총리는 “오늘 역사가 새로 쓰였다”고 말했다고 한다. 망갈리안 호는 6개월가량 화성 궤도를 공전하면서 화성 대기에 관한 정보를 수집할 예정이다.

인도의 화성 궤도 진입 성공이 갖는 또 다른 의의는 아시아 국가로는 처음이라는 점 외에 다른 나라가 들인 비용에 비해 훨씬 저렴하게 계획을 성공했다는 것이다. 인도는 이번 화성 궤도 진입 성공에 7500만 달러가량 들었다고 한다. 미국이 최근 발사한 화상 탐사선 메이븐 호에 쏟아 부은 돈은 6억 7100만 달러에 이르렀다.

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• 1창어3호
• 2위투호

  창어3호와 위투호가 달에서 마주 보고 동시에 찍은 사진.

• 3창어3호 발사 장면

달 탐사 발사체와 착륙선

발사체에 탑재된 착륙선과 로버가 분리되는 과정을 주요 단계 중심으로 정리하였다. 달에 도착한 착륙선과 로버는 궤도선을 통해 지구와 통신한다.

1. 발사
2. 발사체 1단 분리
3. 페어링 분리
4. 발사체 2단 및 3단 분리
5. 고체모터 분사 후 착륙선 분리
6. 착륙선 달 궤도 진입 후 착륙
7. 로버 분리하여 각종 임무 수행

1. 발사
2. 지구 저궤도 진입
3. 첫 번째 위상 전이궤도
4. 두 번째 위상 전이궤도
5. 지구-달 전이궤도 투입
6. 중간 경로 수정
7. 지구-달 전이궤적
8. 달 진입
9. 달 임무 궤도 진입
10. 감속 후 착륙

최근 달 탐사 흐름

여러 나라가 보낸 탐사선들의 주요 임무다. 달의 표면에서 시작해 중력장과 내부 구조까지 연구 범위를 꾸준히 넓히고 있다.

우주 관광 시대의 진입

우주 관광 상품

앞으로 10년쯤이면 우주 관광이 가능할 것으로 보인다. 세계 1위 여행 가격 비교 사이트인 스카이 스캐너는 2024년의 미래 여행이란 보고서를 펴냈다. 이를 보면 2024년에는 첨단 과학 기술에 힘입어 우주 관광이 가능해진다. 지구 궤도 여행도 보편화 될 것으로 예측됐다. 미국의 민간 우주 관광 기업인 월드 뷰 엔터프라이즈는 2016년부터 40만㎥의 헬륨가스 풍선에 가압 선실을 달아 여행객을 지구 표면 위 30km 높이까지 실어 나를 예정이라고 한다.

스페인 바르셀로나에 건축될 모빌로나 우주 호텔은 여행객이 우주에 가지 않고 창문을 통해 실제처럼 은하계를 보고, 수직으로 된 바람 터널과 스파 시설에서 무중력을 경험하도록 할 예정이다. 저렴한 가격으로 많은 사람이 우주여행을 체험하도록 해보겠다는 것이다.

영국의 억만장자 리처드 브랜슨이 설립한 버진 갤럭틱은 그들이 우주 관광 시대의 포문을 열겠다는 계획을 세우고 있다. 버진 갤럭틱은 이르면 2015년에 조종사 2명에 관광객 6명을 태운 우주선 스페이스십2를 쏘아 올릴 예정이다. 스페이스십2는 1만 5000미터 상공으로 이동 후 110킬로미터 상공까지 올라가 5~6분간 무중력 상태로 지구를 바라보는 우주 관광을 할 예정이라고 한다. 이 관광 비용은 25만 달러인데, 700개 좌석이 매진된 것으로 알려졌다. 예약자 중에는 스티븐 호킹 박사를 비롯해 레이디 가가와 브래드 피트 같은 유명 인사가 포함돼 있다. 버진 갤럭틱은 우주에서 1주일가량 머무는 상품도 개발 중이라고 한다.

민간 우주 기업인 스페이스X는 미 항공우주국이 우주 비행 사업을 함께 할 최우선 후보로 꼽고 있는 회사다. 스페이스X에서는 우주 택시로 불리는 캡슐 형태의 유인 우주선 드래곤V2에 최대 7명을 태우고 국제 우주 정거장까지의 우주여행을 계획 중이다. 이 회사는 드래곤V2의 개발이 끝나면 2026년경에는 지구와 화성을 왕복하는 우주관광 상품을 5억 원 수준에서 내놓겠다고 한다.

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• 1드래곤V2의 내부 모습

  지난 5월 29일 스페이스X 엘론 머스크 CEO는 유인우주선 드래곤V2를 공개했다. 2016년 상용화할 예정이다.

• 2드래곤V2

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• 1팰컨1

  엘론 머스크는 미국 전역에 퍼진 우주기술을 활용해 창업 6년 만인 2008년 로켓 ‘팰컨1’을 개발해 발사하는 데 성공했다.

• 2유인우주선 드래곤V2가 지구 궤도를 도는 가상도

우주 엘리베이터

인공위성이 있는 곳까지 엘리베이터를 설치할 수는 없을까라는 꿈에서 시작된 우주 엘리베이터 구상, 미국 항공우주국 과학자들은 이것이 상상이 아닌 현실로 2060년 즈음에는 가능할 거라고 예측한다.

그런데 여기에 한 술 더 떠 일본의 민간 업체인 오바야시구미가 최근 2050년까지 상공 9만 6000㎞까지 왕복 가능한 우주 엘리베이터를 건설하겠다고 밝혔다. 지상에서 9만 6000㎞까지는 지구에서 달까지의 4분의 1에 해당하는 엄청난 거리다. 우주 엘리베이터는 SF문학의 대가 아서 C. 클라크가 1940년대에 처음으로 구상했다.

우주 엘리베이터의 필요성은 사람과 물자를 경제적으로 운반하려는 우주 개발 사업과 더불어 대두됐다. 현재와 같은 로켓을 이용한 방법은 지구 중력을 벗어나는데 막대한 연료가 필요해서 적잖은 비용이 드는 게 현실이다. 로켓 수송에 들어가는 돈은 1kg당 1000만 원 전후인 것으로 알려져 있는데, 우주 엘리베이터가 실현되면 1kg당 비용이 수십만 원으로까지 떨어질 것으로 예측한다.

일본의 민간 업체가 구상 중인 우주 엘리베이터는 시속 200km로 움직이며 한번에 30명까지 태울 수 있고, 목적지까지 도착하는 데 7일이 걸린다. 이 회사는 2025년에 지상에 케이블을 고정하는 지구 기지를 구축하고, 이후 25년 동안 공사에 매진해서 2050년에 우주 엘리베이터를 완성한다는 계획을 세워놓고 있다.

우주 엘리베이터가 공상에 그치지 않는 현실적 건축물이 될 수 있었던 데에는 탄소나노튜브의 덕분이다. 탄소나노튜브는 강철보다 100배가량 강하지만 무게는 6분의 1 수준인, 가볍고 인장력이 강하고 유연한 탄성을 자랑하는 차기 신소재이다. 현재의 기술로는 3㎝ 길이의 탄소나노튜브를 만드는 데 그치고 있지만, 2030년까지는 우주 엘리베이터를 제작하는데 필요한 기술을 확보할 수 있을 거라고 전문가들은 예측한다.

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• 1~23차원 탄소나노튜브

우주 관광은 우리에게 잊을 수 없는 추억을 선사한다. 우주 엘리베이터를 타고 정지인공위성이나 그 너머의 공간까지 올라갔다가 내려오면서 경치를 감상한다고 상상해 보라. 이게 꿈인지 생시인지 황홀하지 않을까? 2001년 2000만 달러를 내고 러시아 소유즈 우주선에서 민간인 최초의 우주관광을 한 미국인 데니스 티토는 “천국을 다녀온 기분이다.”라는 소감을 남겼다.

우주 개발의 미래

우주 개발을 원활히 하려면 우주 공간 중간 중간에 휴게소처럼 머물 장소가 필요한데, 이 목적으로 세우는 것이 우주 정거장이다. 우주 정거장은 머무는 곳으로서의 기능만 하는 게 아니다. 일례로 우주선의 발사를 들 수 있다. 우주선 발사는 할 수만 있다면 우주 공간에서 하는 게 좋다. 지구에서 발사하면 지구 중력을 이기고 올라가야 하는데 막대한 연료와 비용이 드는 반면 우주 정거장에서 우주선을 조립해 발사하면 중력이 없는 우주 공간이어서 연료 걱정을 덜 수 있어 경제적으로 큰 도움이 된다.

물론 그렇다고 우주 정거장이 우주 개발의 끝일 수는 없다. 우주 정거장보다 큰 쉼터, 즉 우주도시가 필요하다. 우주 도시는 사람이 살기에 적당한 천체를 찾아서 그곳에 세워야 한다. 우주 도시에는 농장과 식당, 집과 병원 등 지구에서 이용할 수 있는 대부분의 시설을 갖출 것이다. 예를 들어 농장은 전과정이 컴퓨터화 돼 비료를 주고 온도나 습도를 조절하는 과정이 자동으로 이루어진다. 병충해가 없어서 농약을 쓸 필요가 없고, 10모작 이상의 경작도 가능해진다. 더불어 지구에서는 제조가 어렵거나 불가능한 금속과 약품을 생산할 수도 있다.

우주 도시를 세울 최적의 곳은 화성이다. 화성은 태양계 행성 중에서 지구와 환경이 가장 비슷한 곳이기 때문이다. 화성을 사람이 살기에 적당한 곳으로 만들려면 무엇보다 물이 필요하다. 동물이건 식물이건 물이 없으면 살 수가 없으니까. 그리고 물이 있어야 화성에 식물을 심어 산소를 만들어낼 수가 있다. 그런데 화성은 물이 거의 없는 것이나 마찬가지여서, 과학자들은 액화수소를 이용해 화성을 물이 넘치는 곳으로 만들려는 구상중이다. 화성을 제2의 지구로 변모시키려는 계획은 과학이슈 시즌2에 보다 상세히 설명해놓았으니 참고하기 바란다.

인류가 지금은 화성에조차 발자국을 남기지 못했지만 화성 정착이 우주 개발의 최종 목적일 수는 없다. 우주 개발 시대를 활짝 열기 위해서는 화성 너머로 날아가야 한다. 그러나 문제는 화성 너머로의 여행이 만만치 않다는 데 있다. 현재의 우주 기술로는 목성까지 가는 데만도 5~6년 남짓, 토성까지는 10여 년 남짓, 태양계의 맨 끝인 명왕성까지는 40여 년 남짓한 시간이 걸린다. 명왕성까지 한 번 갔다 오려면 평생이 걸릴 수도 있다는 얘기다. 이쯤 되면 한 평생을 우주선에서 보내야 하니 태양계 끝까지의 우주 개발은 그야말로 상상일 뿐인 것이다.

더구나 태양계는 우주의 전부가 아니다. 우주 전체로 놓고 보면 해변의 모래알 한 톨에나 미칠까 싶은 작디작은 존재다. 그렇게 커다란 우주 곳곳을 맛보며 우주 개발을 하려면 고도의 성능을 갖춘 우주선이 절실하다. 화성을 다녀오는 정도의 우주선으론 태양계 너머로의 우주 개발은 불가능한 것이다. 그래서 광속 우주선을 꿈꾼다. 그러면 우주 저 끝까지는 아니어도 태양계 바깥까지의 우주 개발은 실현될 수 있을 것이다.

지금까지 우주로 나간 민간인

1990년대 말, 러시아는 우주정거장 유지비를 벌기 위해 돈을 받고 소유스 우주선에 민간인을 태웠다. 2009년 우주정거장 상주 인원이 3명에서 6명으로 늘어나 우주관광이 잠정 중단되기까지 7명의 민간인이 우주에 다녀왔다. 그 동안 요금은 약 2000만 달러에서 4000만 달러까지 치솟았다.