NASA, 태양을 동력으로 하는 우주 임무를 꿈꾸다

NASA, 태양을 동력으로 하는 우주 임무를 꿈꾸다

2022년에 NASA는 소행성 ‘프시케16’ 탐사를 위해 탐사선 ‘프시케’를 발사할 예정이다. 프시케는 태양광에너지와 이온추력기를 활용하여 목적지까지 날아갈 것이다. 태양광에너지를 이용하는 이번 임무에 성공하면, 연료 효율성을 높인 탐사선 개발이 가능해지면서 우주 탐사에도 새 시대가 열릴 것이다.

2022년 8월, 미 우주항공국(NASA)의 탐사선 프시케(Psyche) 거대한 금속성 소행성 프시케16(Psyche 16)을 탐사하기 위해 지구를 떠날 예정이다. 이 탐사는 과학자들이 행성의 형성 과정을 이해하는 데 도움을 줄 전망이다. 그런데 프시케가 목표에 접근하는 방식이 일반적인 NASA의 임무와는 조금 다를 것으로 보인다.

프시케는 탐사선 던(Dawn)딥스페이스1(Deep Space 1) 같은 이전의 우주 탐사 임무에서 사용된 기술을 바탕으로 먼 우주로 나아가는 과정에서 태양광의 도움을 받을 예정이다. 만약 태양광을 활용한 이번 탐사가 성공하면, 우주 탐험과 상업적 임무에 연료 효율성이 더 뛰어난 탐사선을 활용할 수 있는 새로운 시대가 시작될지도 모른다.

기존 우주선은 전기보다는 액체연료의 조합을 통한 화학 반응에 의존해 동력을 얻었다. 프시케는 두 개의 거대한 태양광 패널을 이용해서 태양광에너지를 전기에너지로 변환하는 방식으로 네 개의 이온추력기에 동력을 공급할 것이다. 이렇게 생산된 전기는 제논(xenon) 가스(자동차 헤드라이트에 사용되는 것과 같다) 탱크들을 제논 이온으로 변환할 것이며, 프시케가 가진 네 개의 이온추력기가 그 이온들을 뒤로 밀어내면서 그 힘으로 우주선이 소행성을 향해 날아갈 것이다. 소행성 프시케16은 화성과 목성 사이 궤도에 있으며, 현재 지구에서 약 4억km 떨어져 있다.

루시(Lucy) 같은 다른 우주선들이 태양광을 이용해 각종 측량 기기를 구동한 적은 있지만, 프시케는 우주선 내부의 장비뿐만 아니라 추진에도 태양광에너지를 사용하는 NASA의 첫 번째 우주 탐사선이 될 예정이다.

매사추세츠 공과대학교(MIT)의 우주 추진 실험실(space propulsion laboratory) 소장 파울로 로자노(Paulo Lozano)는 프시케가 태양광 동력을 활용하는 우주 탐사 임무를 위한 토대를 마련할 것이라고 설명했다. 태양광 기술을 제대로 활용하면 다양한 천체를 더 오랜 시간 동안 탐사하는 데 도움이 될 것이며, 잠재적으로는 지구 궤도를 벗어나는 유인 우주선 임무의 실현 가능성도 커질 것이다.

로자노는 “이 기술은 우리가 이전에 본 적 없는 방식으로 우주를 탐험하고 상업화할 가능성을 열어줄 것”이라고 밝혔다.

태양광 전기 추진을 이용하는 우주선은 화학연료를 사용하는 우주선보다 필요한 추진 연료가 적기 때문에, 우주선에 더 많은 과학 장비를 실을 수 있으며, 언젠가는 우주비행사도 기체에 태울 수 있을 것이다. 액시온 시스템스(Accion Systems)라는 기업은 NASA의 큐브위성(Cubesat)뿐만 아니라 더 큰 위성이나 다른 우주선에도 활용할 수 있는 더 효율적인 이온추력기를 개발하고 있다.

태양 추진 기술은 이미 지구 궤도를 도는 위성에는 흔하게 사용되고 있다. 그러나 현재까지는 이 기술이 먼 우주로 향하는 우주선에 사용하는 화학 동력 엔진을 대신할 만큼 강한 추진력을 내지 못한다. 태양광 전기 추진 기술이 발전하면 이러한 상황은 변화할 것으로 보인다.

프시케에 사용된 기술은 태양광에너지와 이온추력기를 사용했던 탐사선 ‘던’에서 최초로 테스트된 바 있다. 던은 결국 2018년, 왜소행성 세레스(Ceres) 궤도를 돌던 중에 정지했는데(이후 수십 년 동안 이 궤도 위에 남아있을 것이다), 원래 예정된 임무 종료 시기로부터 3년이나 지난 시점이었다. 이러한 이온추력기는 연료가 없어도 몇 년 동안 움직일 수 있지만, 기존 추력기에 비해 아직은 비교적 추진력이 약한 것이 사실이다.

프시케의 추진엔진은 던보다 3배 강한 추진력을 낼 것으로 예상되며, 발사 1년 후에는 화성의 중력을 이용해 경로를 바꾸면서 2026년에 목표로 하는 소행성에 도달할 것이다.

그 이후에 프시케는 2년 정도의 시간 동안 소행성 주변을 공전할 예정이다. 프시케의 임무는 소행성의 철 핵(iron core)를 조사해서 그것이 지구의 핵에서 발견되는 것과 동일한 원소로 이루어져 있는지 알아내는 것이다. 이러한 연구를 통해 과학자들은 행성의 형성 과정에 대해 더 자세히 이해할 수 있게 될 것이다.

우리가 지구의 핵을 직접 볼 수는 없지만 프시케는 ‘다분광 영상 시스템(multispectral imager)’을 통해 필터와 두 개의 카메라를 사용하여 소행성으로부터 고해상도의 지질학적, 구성적, 지형학적 데이터를 얻을 것이다. 만약 소행성 프시케16의 핵이 소규모 암석형 행성의 핵과 비슷한 것으로 드러나면 과학자들은 두 핵의 기원이 같은지 알아낼 수 있다. 소행성 프시케16이 소행성대에서 형성되지 못한 행성의 핵인 것으로 여겨지고 있으므로, 이를 자세히 관찰하면 내행성계 행성들의 형성에 관한 자세한 정보를 얻을 수 있을 것이다.

지난 2017년에 프시케는 태양계 주변 천체를 목표로 하는 저비용 임무 시리즈인 NASA의 디스커버리 계획(Discovery Program)을 위한 두 개의 임무 중 하나로 선정됐다. 애리조나 주립대학교가 참여한 프시케 개발에는 개발 비용 한도가 있어서, 프시케를 개발하고 먼 우주로 보낼 때까지 총 4억 5,000만 달러 이하의 비용만 사용해야 한다. 그러나 우주선이 태양에서 멀어질수록 태양광 패널로 태양빛을 포착해서 이온추력기를 위한 동력을 공급하기 어려워질 것이다. 따라서 프시케는 화성을 지나면 속도를 늦춰야 할 것이다.

더 먼 우주까지 나가기 위해서는 우주선에 열핵 추진(nuclear themal propulsion)이 필요할지도 모른다. 이 기술은 현재 NASA가 개발하고 있다.

미리보기 3회1회

MIT Technology Review 구독을 시작하시면 모든 기사를 제한 없이 이용할 수 있습니다.