How SpaceX’s massive Starship rocket might unlock the solar system—and beyond

스페이스X의 초대형 우주선 스타십에 거는 과학계의 기대

일론 머스크가 설립한 우주탐사 기업 스페이스X가 만든 스타십의 첫 번째 궤도 시험 비행이 2022년 1월 예정된 가운데 과학자들은 혁신적인 능력을 가진 스페이스X가 우주 탐사와 연구 분야에 획기적 변화를 일으킬 것으로 기대하고 있다.

모든 일이 계획대로 된다면 내달, 즉 2022년 1월 일론 머스크가 설립한 우주탐사 기업 스페이스X는 인류 역사상 가장 거대한 로켓을 발사할 예정이다. 높이가 400피트(약 122미터)에 이르는 ‘스타십(Starship)’이라는 이름의 로켓이다. 이 로켓은 미 항공우주국 나사(NASA)의 우주 비행사를 달에 보내기 위해 설계되었다. 하지만 머스크는 더 큰 야망을 품고 있다. 그는 스페이스X를 이용해 인류를 화성에 정착시키려고도 하고 있다.

스타십이 가진 유인 우주 탐사 능력은 이미 많은 것들을 이뤄냈다. 하지만 이 로켓은 더 나아가 우리가 지구 주변 행성과 달들에 대해 알고 있는 지식에 일대 혁명을 일으켜줄 것으로 기대되고 있다. 퍼듀 대학의 행성학자인 알리 브램슨(Ali Bramson)은 “스타십은 우리의 태양계 탐사 방식을 완전히 바꿔 놓을 것”이라면서 “행성 과학은 폭발적 변화를 겪을 것”이라고 확신했다.

스타십이 이런 기대에 부응한다는 가정 하에 과학자들은 태양계 행성 중 태양에서 가장 멀리 떨어져 있는 행성인 해왕성과 위성에 탐사선을 보내고, 화성과 달로부터 다량의 암석을 채집하고, 심지어는 지구와 충돌할 수 있는 소행성으로부터 지구를 보호하는 혁신적인 방법들에 관해 이야기하고 있다.

텍사스주에 위치한 ‘스타베이스(Starbase)’에서 제작 중인 스타십은 거대한 우주 탐사선과 ‘슈퍼 헤비(Super Heavy)’라는 이름의 초대형 추진체로 구성되어 있다. 이 둘 모두 지구로 귀환이 가능해서 이를 재사용하여 비용을 절감할 수 있다. 스타십은 통상 임무 시 100톤의 화물이나 사람을 우주로 수송할 수 있다. 스타십 내 사용 가능한 공간의 부피는 1,000세제곱미터에 이르는데, 이는 에펠탑 전체를 분해하여 실을 수 있을 정도의 크기이다.

이런 엄청난 규모에 과학자들은 흥분하고 있다. 브라운 대학교의 행성학자 제임스 헤드(James Head)는 “스타십은 정말 놀랍다는 말 밖에 나오지 않는다”고 말했다.

머스크는 11월 중순 미국 국립과학공학의학원(NASEM)이 주최한 스타십과 관련된 온라인 공개 강연에서 스타십 프로젝트의 과학적 가능성에 관해 이야기하며 “인류가 여러 행성에 거주하기 위해 노력하는 것은 굉장히 중요하다”면서 “그 과정에서 우리는 우주의 본질에 대해 많은 것을 배우게 될 것”이라고 말했다.

머스크에 의하면 스타십은 추후 현재 수준보다 훨씬 더 많은 양의 과학 기자재를 운반할 수 있을 것이다. 그는 “우리는 지금 작은 우주선에 한정된 과학 실험 도구만을 우주로 보내고 있지만 앞으로는 우주로의 운송이 쉬워짐에 따라 훨씬 더 많은 자료를 확보할 수 있을 것”이라면서 “심지어 목성의 위성인 유로파에 100톤에 달하는 물체를 보낼 수도 있다”고 말했다.

저렴하고 재사용 가능한 우주선

이러한 아이디어가 실현되기 위해서 스타십은 단순히 크기만 커서 되는 게 아니라 운용 비용도 저렴해야 한다. 그동안 수천만 달러에서 수억 달러에 이르는 우주선 발사 비용으로 인해 나사와 ESA(유럽우주기관)와 같은 기관들의 임무는 제한적일 수밖에 없었다.

하지만 스타십이 현실화된다면 훨씬 더 많은 우주 탐사 임무가 가능해질 것이다. 캘리포니아 주립대학교 버클리 캠퍼스의 물리학 강사인 앤드류 웨스트팔(Andrew Westphal)은 “낮은 비용과 접근성은 과학 연구의 판도를 변화시킬 수 있다”면서 “우주선 발사의 비용이 200만 달러(약 23억 원)까지 낮아지고, 민간 자금으로 운용되는 우주 탐사 임무와 크라운드 펀딩을 통한 우주 운송도 가능해질 것”이라고 기대했다.

게다가 스타십은 현재 개발이 지체되고 있는 나사의 우주 발사 시스템(SLS)과 블루 오리진(Blue Origin)의 뉴 글렌(New Glenn) 로켓과 같은 여타 초중량 로켓에 비해 중요한 이점이 있다. 스타십의 상반부는 지구 궤도에서 다른 우주선에 의해 재급유 될 수 있도록 설계되었다. 따라서 더 많은 양력을 연료가 아닌 과학 장비를 싣는 데 쓸 수 있다. 예를 들어 인간을 달에 데려가기 위해서는 여덟 차례의 개별적인 발사가 필요하게 된다. 이때 ‘달 우주선(lunar Starship)’에 각각의 ‘유조선 우주선(tanker Starship)’들이 연속적으로 연료를 공급하여 달 우주선에 탑승한 과학 장비와 승무원이 달에 도달할 수 있게 하는 것이다.

스타십에 대한 높은 기대감

과학자들은 앞으로 스타십을 통해 무엇을 해낼 수 있을지에 대해 상상하기 시작했다. 올해 초 나사 에임스연구센터(NASA AMES Research Center)의 제니퍼 헬드만(Jennifer Heldmann)이 발표한 논문에는 스타십을 통해 우리가 달과 화성에서 어떤 탐사를 진행할 수 있을지에 대한 내용이 담겨 있었다. 스타십의 가장 큰 장점은 거대한 과학적 기자재를 실제 크기 그대로 운반할 수 있다는 것이다. 그동안 달을 대상으로 한 아폴로 임무 등의 우주 탐사에서는 작은 우주선 크기에 맞도록 실험도구를 축소하곤 했다. 헬드만은 “예컨대 우리는 시추 장비를 다른 행성에 보낼 수 있다”면서 “이를 통해 우리는 다른 행성에서도 지구에서처럼 1km 깊이를 시추할 수 있게 된다”고 설명했다. 그는 이어 “이로써 얼음 및 기타 유용한 자원이 존재할 것으로 예상되는 달과 화성의 내부에 접근할 수 있을 것”이라면서 “이전까지 이러한 상상은 ‘약간 미친’ 것처럼 여겨졌지만 스타십을 이용하면 우리는 실제로 이와 같은 일을 해낼 수 있을 뿐 아니라 스타십 내부에 여유 공간도 남길 수 있다”고 덧붙이며 이런 질문을 던졌다 “달에 또 어떤 것을 가져갈 수 있을까?”

스타십이 지구에 다시 착륙할 수 있는 덕택에 우리는 ‘이론적으로’ 방대한 양의 시료를 회수할 수 있다. 다양한 장소에서 채취한 엄청난 양의 시료를 통해 과학자들은 그 어느 때보다 외계 물질에 접근할 기회를 풍부히 얻을 수 있을 것이다. 이로써 달 화산의 역사나 화성의 ‘생명과 우주생물학적 질문’과 같은 무수히 많은 수수께끼를 조명하게 될 것이다.

스타십은 또한 우주의 더 먼 곳과 관련된 임무도 가능하게 만들어준다. 지구에서의 직접 발사 능력도 탁월하겠지만, 머스크의 야심 찬 꿈은 달과 화성을 로켓의 연료 보급소로 활용하는 것이다.

해왕성 탐사

‘개념탐사 연구팀(Conex, Comceptual Exploration Research)’이라고 불리는 국제 과학자 그룹은 해왕성계 탐사를 제안한다. 이 프로젝트에서 ‘아카넘(Arcanum)’이라 불리는 우주선은 스타십의 운송 능력을 이용하여 해왕성과 해왕성의 가장 큰 위성인 트리톤을 탐사할 것이다.

지금까지 해왕성은 1989년 보이저 2호에 의해 한번 탐사된 것이 전부로, 여전히 해왕성에 관해서는 많은 것들이 알려져 있지 않다. 코넥스의 공동 리더이자 빈 대학교 연구원인 제임스 멕케빗(James McKevitt)은 “아무도 스타십을 통해 가능한 차세대 연구를 깊게 고민하고 있지 않다”면서 “아르카눔 프로젝트는 이러한 종류의 가능성을 보여주려고 한다”고 강조했다.

아카넘의 무게는 지금까지 등장했던 가장 무거운 우주선인, 나사와 ESA, 이탈리아 우주국(ASI)이 토성과 토성 위성들을 탐사하기 위해 공동 개발한 탐사선 카시니-하위헌스호(Cassini-Huygens)보다 4배나 무거운 21톤에 달한다. 현존하는 어떠한 로켓도 이처럼 무거운 우주선을 발사할 수 없었으나 스타십은 이를 가능하게 할 것이다.

아카넘은 해왕성을 탐사하기 위한 궤도선, 트리톤을 연구하기 위한 착륙선, 트리톤 표면에 충돌하여 ‘지진 실험을 수행’할 수 있는 충돌체 등을 탑재할 것이며, 이를 통해 해왕성과 트리톤의 지질학과 구조 파악이 가능해질 전망이다. 또 망원경 역시 탑재하여 태양계의 바깥 부분과 외행성계에 대한 연구도 가능할 수 있다.

무궁한 가능성

다른 아이디어들은 이보다 더 공상적이다. 캘리포니아 주립대학교 산타바바라 캠퍼스(UC Santa Barbara)의 물리학자 필립 루빈(Philip Lubin)은 스타십처럼 충분히 큰 로켓을 이용해서 소행성이 지구와 충돌하는 것을 막을 수 있을 것으로 계산했다. 스타십은 과거 공룡을 멸종시킨 소행성과 비슷한 크기의 직경 10킬로미터의 소행성을 파괴할 수 있을 정도의 폭발물을 운반할 수 있다. 파괴된 소행성 잔해는 지구와 충돌하기 전에 대기중에서 연소될 것이다.

스타십을 통해서 우리는 거대한 천체를 관측하는 우주 망원경을 좀 더 쉽게 궤도에 올릴 수 있다. 현재 나사와 ESA는 차세대 우주 망원경인 제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telescope)을 접혀진 상태로 궤도에 올릴 계획을 가지고 있는데, 이 방법은 돈이 많이 들고, 복잡하며, 정교한 절차가 필요하여 오류가 발생할 확률이 높다. 나사는 다른 항성들 주변의 지구와 유사한 행성을 관측할 목적으로 설계한 차세대 우주 망원경인 ‘루브아(LUVOIR)’를 스타십을 이용해 발사할 가능성을 제시한 바 있다. 머스크는 “스페이스X가 벌써 지상에서 쓸 법한 렌즈를 장착한 거대 망원경을 우주에 쏘아올리는 흥미로운 프로젝트에 착수했다”고 밝힌 바 있다. 그는 더 이상 자세한 내용을 밝혀지지는 않았다.

다른 과학자들은 스타십을 이용하여 다른 항성을 방문할 꿈을 꾸고 있다. 독일의 막스 플랑크 태양계 연구소(Max Planck Institute for Solar System research)에서 근무하는 르네 헬러(René Heller)와 동료들은 스타십이 수 광년 떨어진 이웃 항성계를 탐사할 수 있는 기술을 시험해볼 수 있는 경제적인 방법을 제공할 수 있다고 믿는다. 스타십은 화성까지 향하는 여정 도중에 우주돛을 동력원으로 사용하는 우주선을 분리하고 탑재된 레이저를 우주선을 향해 발사하여 가속화하여 지구 궤도 바깥에서 외항성계 탐사 임무를 시행할 수 있다는 것이다. 헬러는 “스페이스X가 화성으로 가는 도중에 우리 우주선을 분리해주기만 한다면 우리는 우주선의 가속을 제어하고 수일 안에 태양계를 통과하여 거의 목성 궤도에 도달할 수 있다”고 설명했다.

스타십을 이용하여 목성의 화산 위성인 이오를 탐사하려는 계획도 있다. 지금까지 이오 탐사는 어려운 임무로 간주되었는데 궤도에 접근하는 것뿐만 아니라 목성의 강력한 방사선으로부터 탐사선을 보호하는 것도 극도로 어렵기 때문이라는 게 애리조나 대학교의 행성 지질학자 알프레드 맥이웬(Alfred McEwen)의 설명이다. 그는 하지만 “탐사선이 충분한 질량을 갖추고 있다면 일은 좀 더 쉬워진다. 우리는 충분한 연료와 방사선 차폐를 갖출 수 있다”고 말했다.

머스크는 스페이스X가 2022년에 최대 12차례에 이르는 시험 비행을 발사할 가능성을 내비쳤다. 달과 화성에의 탐사도 현실화되고 있으며, 추가적인 많은 연구들이 계획되고 있다. 스페이스X 화성 개발 분야의 전 수석 엔지니어인 마르게리타 마리노바(Margarita Marinova)는 “스타십이 비행을 시작하면 엄청난 속도의 발전이 빠르게 일어날 것”이라면서 이렇게 덧붙였다. “훨씬 더 많은 사람들이 우주 공간에 원하는 것을 운송할 수 있을 것이다. 단독 임무일 수도 있고 스타십을 공유하는 공동 임무일 수도 있다. 만약에 100톤의 중량을 운반할 수 있는 우주선이 있다면 과학 연구에 필요한 도구를 준비하기는 매우 쉽다. 우주 운반을 위한 공간을 구입하는 것은 어렵지 않은 일이 될 것이다. 이로 인해 과학적 연구에 급격한 변화가 일어날 것이다.”

물론 무작정 낙관하기에는 아직 이르다. 스타십은 그동안 슈퍼 헤비 부스터 없이 단독 시험 비행만을 진행했으며, 우리는 아직 전체 발사 과정을 보지 못했다. 이렇게 극도로 거대하고 복잡한 기계장치가 개발 과정에서 여러 가지 문제점을 보이는 것은 드문 일이 아니다. 또한 스타십과 머스크는 그동안 목표 기한을 못 지키는 때가 잦았다. 일례로 화성 탐사 임무인 ‘레드 드래곤(Red Dragon)’은 2018년에 실시될 예정이었다. 그리고 달과 화성에 도달하기 위한 스타십의 임무는 지구 궤도에서의 반복적인 재급유를 통해 이루어질 수밖에 없는데, 이는 굉장히 복잡하며 검증된 적이 없다.

하지만 만약 스타십이 성공한다면 우리는 많은 새로운 것들을 시도해볼 수 있다. 태양계의 안쪽부터 바깥쪽까지, 그리고 그 너머로도 스타십은 우주 과학의 완전히 새로운 시대를 열 것이다. 캘리포니아 주립대학교 버클리 캠퍼스의 우주 과학자인 아비셱 트리파티(Abhishek Tripathi)는 “현명한 과학자들은 스타십을 이용한 과학 임무들을 생각하기 시작했다고 확신한다”고 말했다.

이는 어쩌면 머스크의 표현처럼 “당신이 상상할 수 있는 모든 것(It’s really whatever you can imagine)”일지 모른다.

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