마침내 아르테미스 1호 무인 우주선이 오늘(미 현지시각 29일 오전 8시33분, 우리시각 29일 오후 9시33분) 발사된다.

총 230억달러(약 31조원)를 투입했다는 미항공우주국(NASA·나사)의 아르테미스 1호 프로그램은 그 비용, 사상최대 크기라는 우주발사시스템(SLS) 로켓, 50년 만에 다시 달로 갈 유인 우주선의 사전 정지(整地)작업이라는 의미 외에도 여러 가지 많은 이야기를 가지고 있다. (인류의 유인 달착륙 임무는 1972년 아폴로 17호 이후 아직 없다. 아르테미스 1호는 50년 만에 달(궤도)로 가는 첫단추를 끼우는 무인 우주선이다. 2025년 아르테미스 3호가 최종 달착륙 유인미션을 수행한다.)

중국이 우주분야에서 바싹 추격해 오는 가운데 인류 최초로 달을 재방문하기 위한 준비작업으로 발사되는 아르테미스 1 미션이 어떤 중요성을 갖고, 어떤 내용으로 이뤄지는지 궁금증을 자아내고 있다. 아르테미스 1 미션 중 중요한 것으로 우주 방사선 피폭 실험이 있고, 달 주위를 돌 마이크로샛 가운데 달 남극을 집중적으로 조사하는 위성 등도 있다. 이번 미션에 포함된 여러 가지 과학적 실험 배경과 향배도 궁금하다.

나사 관계자는 “만약 아르테미스 1호가 악천후나 기술적 문제로 인해 8월 29일에 이륙할 수 없다면, 9월 2일과 9월 5일에 지원 기회를 이용할 수 있다”고 말했다.

아르테미스1, 인류의 달 재방문을 위한 첫걸음

이제 인류는 지구 저궤도에서 달궤도를 거쳐 또다시 달에 가려고 한다. 지금까지 겨우 20명의 우주 비행사들만이 그 업적을 달성했고 그들 모두는 백인이다. 그러나 2025년에는 최초의 여성 우주 비행사와 최초의 유색인종 우주 비행사가 달 산책객 목록에 합류하게 될 것이다.

아르테미스1호의 모든 것이 계획대로 된다면, 2024년에 아르테미스 2호 임무가 뒤따를 것이고, 이때 우주비행사들은 달 주위를 돌고 돌아오게 된다. 이어 아르테미스3가 스페이스X가 재활용 우주선 만든 스타쉽의 도움으로 달 남극 근처에 우주 비행사를 착륙시킬 것이다. 이 획기적인 임무는 2025년을 목표로 진행되고 있다. 2025년이면 우리는 우주 비행사들이 달 먼지 위를 다시 걷는 것을 볼 수 있게 될 것이다. 아르테미스 프로그램에서는 아폴로 프로그램보다 달 표면을 훨씬더 많이 탐사하게 된다.

두 개의 거대한 고체 로켓 부스터와 280만 리터의 추진제로 채워진 SLS 상단의 중간 극저온 추진단(ICPS)은 오리온을 달 쪽으로 보낸다. ICPS가 불을 뿜으면서 분리된 후 또 다른 일이 진행된다. 즉, 아르테미스 1호에 실려 함께 발사된 10개의 마이크로 큐브샛(소형위성)이 달궤도에 배치하는 것이다.

소형위성에는 효모(yeast) 샘플을 우주로 운반하는 미션인 바이오 센티넬(Bio Sentinel) 미션 등이 포함돼 있다.

이는 미래의 아르테미스 2,3 임무에서 우주 비행사들이 안전하게 비행할 수 있도록 핵심 통찰력을 제공할 방사능 수준과 생명체에 미치는 영향을 연구하는 것이다. 이는 효모 세포를 포함하는 실험을 포함해 심우주에서 생명이 어떻게 영향을 받는지를 조사하는 임무로서 지구로부터 지금까지 행해지는 첫 번째 연구가 된다.

ICPS에서 분리된 오리온 캡슐은 유럽우주국(ESA)에 의해 만들어진 유럽 서비스 모듈(European Service Module)에 의해 추진되고 구동된다.

필리페 베르테 ESA프로젝트 조정 매니저는 “이 서비스 모듈은 물과 산소를 포함한 미래의 승무원들을 위한 소모품도 제공하게 된다”고 말했다.

아르테미스 1 프로그램 수행기간은 42일 정도 걸린다. 오리온이 달에 도달하는 시간만 1~2주가 걸릴 것이다. 이 때 오리온은 이른바 ‘먼 역행 궤도’(distant retrograde orbit)로 진입하기 위해 달 표면 가까이로 급강하해 받는 중력킥을 사용한다. 역행은 오리온이 달 회전 방향과 반대 방향으로 달을 돈다는 것을 의미한다. 오리온은 6~19일 동안 그 궤도에 머물게 된다. 그리고 나서 그것은 지구로 돌아가는 9일에서 19일의 여정에 힘을 실어주기 위한 또 다른 킥을 위해 다시 달을 향해 내려가게 된다.

이 새로운 오리온 서비스 모듈은 아폴로 우주 비행사를 달에 보낸 달 모듈과 비교할 때 어느 정도의 성능을 가졌을까.

베르테 ESA매니저는 “추진력은 대체로 같다”고 말한다. 즉, 그것은 아폴로 시대와 매우 비슷하다. 그러나 반세기 동안의 기술 진보는 다른 곳에서 발전을 이룩했다. 그는 “태양 전지와 컴퓨팅 파워가 크게 개선됐다. 아폴로 우주 비행사들은 아이폰 컴퓨팅 보다 작은 계산 능력을 가지고 달로 날아간 것으로 유명하다. 당시 우주비행사들은 많은 수동 작업을 해야 했다. 그러나 이번에는 우주선의 강력한 컴퓨터가 대부분의 힘든 작업을 대신하게 됐다.

베르테는 이같은 크게 진보한 컴퓨팅 기술 덕분에 “(ESA)는 이제 훨씬 더 복잡한 작업을 프로그래밍할 수 있다. 승무원들이 모든 사소한 일에 직접 개입할 필요는 없다”고 말했다.

사상최대라는 아르테미스1호 로켓 제원과 귀환

이번 아르테미스1호 미션에 투입되는 로켓과 우주선들은 어떤 것일까.
이번 미션에 투입되는 로켓인 SLS는 높이만 98m에 무게는 2500톤에 이른다. 아폴로11호를 쏘아올린 새턴V 로켓보다 추력이 15%나 더 세다.

또한 이 SLS 로켓은 상부에 실린 인간 승무원이 타지않은 오리온 캡슐을 달 궤도로 보내게 된다. 오리온은 우주에서 6주(42일)를 보낼 것이고, 최종적으로 10월 10일 샌디에이고 앞바다를 통해 지구로 돌아오게 된다.

많은 얘기가 나오지만 결국 아르테미스 1의 주요 목표는 SLS와 오리온이 우주인을 태울 준비가 되어 있다는 것을 증명하는 것이다.

그리고 첫단계로 사람대신 마네킹들을 태우고 달 주변을 42일간 돌고 오도록 하려는 것이다. 그리고 이 과정에서 우주 방사능 피폭정도, 달의 지도작성, 달 남극에 대한 물 정보 등을 파악하려 한다. 아르테미스 1호는 승무원이 없이 발사되더라도 이전의 우주기록들을 깨게 될 것이다.

나사에 따르면 “오리온은 우주 정거장에 도킹하지 않고 우주 비행사들이 했던 어떤 우주선보다 더 오래 우주에 머물 것이고 그 어느 때보다 더 빠르고 더 뜨거운 상태로 지구로 귀환한다. 오리온 모듈은 지구대기권에 재진입하는 동안 섭씨 2760도의 온도에 이르게 된다.

오리온에 탄 승무원들(?)들 방사선 피폭보호 실험 등 수행

어떤 인간도 아르테미스 1호와 함께 비행하지 않겠지만 이 임무에는 여전히 인상적인 승무원이 타게 된다. 사람과 동물을 닮은 마네킹과 인형들이 그 주인공들이다. 이들은 심우주 방사선 환경과 비행의 다른 측면에 대한 데이터를 수집한다.

오는 2025년 달 탐사에서는 우주 비행사들의 안전이 최우선이다. 이것은 특히 지구보다 몇 배 더 높은 우주 방사선에 대한 보호를 포함한다. 예를 들어 달에서의 우주방사선은 지구에서보다 약 800배 더 높다. 따라서 향후 장기 임무에 적합한 보호 조치를 시행할 수 있으려면 방사선 피폭을 정확하게 평가하는 것이 중요하다.

사령관 자리에는 ‘마네킹’ 사령관 ‘무니킨 캄포스’(Moonikin Campos)가 앉는다. 그는 방사선으로부터 보호되도록 만들어진 특수 우주복인 오리온 승무원 서바이벌 시스템을 입는다. 그의 이 이름은 ‘문’(Moon)과 ‘마네킹’(Mannequin)과 고장난 달 탐사선 아폴로 13호의 무사 지구귀환에 큰 역할을 한 전기 기술자 ‘아르투로 캄포스’의 이름을 합쳐 만들어졌다. 2개의 방사선 센서가 비행 중 무니킨의 방사선 수준을 모니터링하게 된다.

캄포스는 오리온의 다른 두 자리에 독일 우주국(DLR)의 연구로 만들어진 두 명의 모의 여성 우주 비행사(마네킹)를 태우게 된다. 이 중 한 명인 조하르(Zohar)는 스템라드(StemRad)라 불리는 방사선 방호 조끼를 착용한다. 다른 한 명인 헬가는 보호복 없이 버티게 된다.

DLR의 이 실험은 ‘마트로쉬카 마네킹 우주방사능 실험’(Matroshka AstroRad Radiation Experiment·MARE)으로 불린다. 말 그대로 아르테미스1 비행 갑판에 설치된 마트로쉬카(러시아인형)를 닮은 쌍둥이 마네킹 헬가와 조하르가 오리온 우주선 비행중 우주 방사선 피폭량을 측정하는 실험하게 된다. 이는 ISS의 지구 저궤도를 넘어 여성 신체에 대한 방사선 피폭의 영향을 측정하는 첫 번째 실험이 된다.

마네킹들이 여성인 이유는 일반적으로 여성이 남성보다 암에 걸릴 위험이 더 높기 때문이다. 따라서 이 데이터를 기반으로 향후 장기 우주 임무 승무원을 위한 보호 조치를 개발하려는 것이다.

두 마네킹 모두 성인 여성의 뼈, 연조직, 장기를 모방한 소재로 제작돼 방사선에 특히 민감한 장기에서 방사선량을 측정할 수 있다. 각 장기는 센서가 통합된 38개의 개별 슬라이스로 구성된다.

이 두 여성 마네킹 기반의 방사선 피폭 실험은 사상최초로 달로 비행하는 동안 특정 시간에 우주선 내부의 방사선 피폭을 결정하는 데 사용할 수 있는 측정 데이터까지 지속적으로 수집한다. 이 작업은 DLR에서 개발한 16개의 방사선 측정 장비(DLR M-42)로 수행된다.

마네킹은 끈으로 묶이겠지만 무중력 환경 테스트도 필요하다. 그래서 나사는 상징적인 오렌지색 나사 점프슈트를 입은 스누피 봉제장난감 형태로 된 ‘무중력 표시기’를 띄우게 된다고 밝혔다. 이 만화 캐릭터는 달 탐사와 긴 연관성을 가지고 있다. 아폴로 10호의 승무원들은 달 탐사에 스누피라는 별명을 붙였다.

아르테미스 1호 승무원으로 합류하는 멤버에는 모두가 좋아하는 스톱 모션 양인 숀(Shaun)도 있다. 슈롭셔 종인 이 영리한 양은 이 임무를 위한 동력 공급 서비스 모듈을 구축한 ESA 덕분에 호화로운 인형 형태로 오리온 우주선을 타고 달로 날아간다.

나사는 결국 세명의 마네킹, 비글 한마리(중력 지시기인 스누피), 그리고 숀이라는 이름의 양이 함께 거대한 거대한 로켓을 타고 달 주위를 42일 동안 날아다닌 후 지구로 귀환시키게 된다.

이와함께 오리온에는 10개의 작은 큐브샛이 실려 달궤도로 배치된다. 이 작은 우주선은 달궤도에서 돌면서 물 얼음을 찾는 것에서부터 태양 돛을 사용해 지구 근처 소행성으로 여행하는 것에 이르기까지 다양한 작업을 수행하게 된다.

달 영구기지 첫발··· 수년 간 난관 끝의 프로그램

아르테미스 1호는 3회로 이뤄진 아르테미스 프로그램 미션 중 첫 번째다. 그리고 유일하게 무인 미션이다. 이 프로그램의 목표는 지난 1972년 이후 50여년 후에 인간을 다시 달에 착륙시키고, 국제적인 파트너들과 그곳에 영구 기지를 세우며, 화성을 포함한 더 먼 목적지로 유인 우주미션을 시작할 우주정거장을 달 궤도에 건설하는 것이다.

이를 위한 첫 단추라 할 아르테미스1 프로그램조차도 여느 프로젝트처럼 난관과 곡절이 많았다.

거의 20년 동안 아르테미스1호 프로그램에 관여하고 많은 장애물을 봐 온 베르테 ESA 매니저는 “가장 큰 도전 중 하나는 미국 4개 행정부에 걸친 프로그램 지원을 유지하는 것이었다”고 말했다.

실제로 부시, 오바마, 트럼프, 바이든 미국 대통령 행정부는 지난 수년간 나사의 초점을 달에서 소행성으로, 그리고 다시 달로 옮기면서 미국의 인간 우주 비행 프로그램에 스핀을 걸었다. 아르테미스 일정표도 바뀌었다. 예를 들어 트럼프 대통령은 프로그램의 첫 번째 유인 달 착륙목표 시점을 2024년으로 잡았었다.

베르테는 “그간 이 미션이 여러 번 바뀌었다”고도 털어놨다. 코로나19 바이러스 팬데믹(세계적 대유행)이 나타났는데, 이는 확실히 도움이 되지 않았다.

또한 많은 아르테미스 반대론자들이 있었다. 즉, 인간을 달에 다시 보내는 것은 시간, 돈, 자원의 낭비라고 주장하는 사람들이었다. 그 사람들은 우리가 이미 해냈는데, 인류가 이미 로봇 우주선 함대를 보내서 달궤도에서 달을 스캔하고 달 표면을 가로질러 운항하고 있는데 왜 다시 가느냐고 물었다.

베르테는 그 질문에 대한 답을 가지고 있다. 그는 “우주 비행사는 6시간 만에 로봇이 할 수 있는 일을 할 것이다. 더 비싸지만, 더 효율적이다”라고 말한다. 게다가 인류는 이 프로그램을 통해 궁극적으로 단순한 방문 이상의 것을 원하고 있다. 바로 달 영구기지 건설이다.

그는 “우리는 영구적으로 남아서 장기적으로 지속 가능한 무언가를 건설하길 원한다”고 말했다. 실제로 나사 관계자들은 “아르테미스는 2020년대 말까지 달에 지속 가능한 인간의 존재를 확립하는 것을 목표로 하고 있다”고 말했고 “이 프로그램이 2030년대에 우주인을 보내기를 원하는 화성을 향한 디딤돌이 될 것”이라고 강조했다.

‘아르테미스’는 달기지는 물론 달 궤도 전초기지 ‘게이트웨이’까지 염두에

나사의 아르테미스 페이지는 “우리는 상업 및 국제 파트너와 협력하여 달에 첫 번째 장기적인 존재를 확립할 것이다···그리고 나서 우리는 달과 주변에서 배운 것을 다음 거대한 도약을 하기 위해 사용할 것이다. 즉, 최초의 우주 비행사를 화성에 보내는 것이다”라고 밝히고 있다.

즉, 아르테미스 프로그램의 목표는 달 표면의 영구기지 건설에만 국한된 것이 아니다. 게이트웨이(Gateway)라고 불리는 달 궤도를 도는 전초기지가 이 프로그램의 큰 부분을 차지한다. 지구 저궤도에 떠 있으면서 돌고있는 국제우주정거장(ISS)을 달 궤도에 띄우려는 계획인 셈이다.

게이트웨이는 이르면 2024년 11월에 준비될 수 있으며 15년 동안 지속될 예정이다.

우주 비행사들은 게이트웨이에 탑승하고 있는 동안 ‘거주지 및 물류 기지(HALO)’ 모듈에 머물게 된다. 화물선이 물자를 싣고 오갈 도킹 포트도 추가된다. 그런 다음 우주비행사들은 스페이스X의 기존 스타십을 기반으로 인간을 달에 착륙시킬 스타십 인간달착륙선((Starship Human Landing System)으로 갈아타게 된다.

우주비행사들은 처음에는 달 착륙했을 때엔 짧게 거주하며, 주로 착륙선 안에 머물겠지만 나사는 이들이 궁극적으로 달 표면, 아르테미스 베이스 캠프에서 한 번에 최소 한 달 동안 살기를 원한다. 나사는 지난 2021년 9월 아르테미스 우주비행사들이 역사를 만드는 달 유영을 하는 동안 입을 차세대 우주복에 대한 제안서를 제출할 것을 미국 회사들에게 요청하기도 했다.

달 남극이 베이스캠프로 선정된 가장 중요한 2가지 이유···그리고 그 다음계획

아르테미스 1 미션 이후, 모든 것이 계획대로 진행된다면, 두 번째 임무인 아르테미스 2호 미션은 승무원을 태우고 발사돼 2024년에 달 주위를 돌고 돌아올 것이다. 그리고 나서 2025년 아르테미스 3호는 달 남극 근처에서 우주비행사들이 달에 착륙하는 것을 보게 될 것이다.

결국 지구와 달 사이의 공간은 물건을 나르는 우주선과 우주 비행사들로 가득 찰 수 있다. 아마존과 우주 비행 회사 블루 오리진의 설립자인 제프 베이조스는 달이 우리의 중공업을 놓을 장소가 될 수 있다고 제안했다. 이들의 아이디어에 따르면 그렇게 할 경우 지구상의 거주 공간이 자유로워지고 대기 오염 기반 시설이 대기조차 없는 곳으로 이동하게 될 것이다.

전문가들은 달은 또한 태양계 탐사를 위한 이상적인 기지라고 말한다. SLS의 크기와 규모는 우리가 지구 중력의 힘에서 벗어나기 위해 거대한 로켓을 얼마나 힘들게 준비해야 하는지를 보여준다.

하지만 지구중력의 6분의 1에 불과한 달에서 로켓우주선을 발사하기는 지구에서보다 훨씬 쉽다.

무엇보다도 달에는 엄청난 양의 물(H₂O)이 있다. 이는 로켓에 필요한 추진제(연료)인 풍부한 산소를 공급할 수 있다는 것을 의미한다. 연구원들의 계산에 따르면 달의 꼭대기 층만 해도 80억 명의 사람들을 10만 년 동안 지탱할 수 있는 충분한 산소를 가지고 있다. 이 때문에 달에서의 채굴은 우주를 항행하는 우주선들이 그들의 연료탱크를 채울 지구 밖 ‘주유소’의 탄생으로 이어질 수 있다.

아르테미스1호에 동승하는 작은 우주선 중 하나인 루나 플래시라이트(Lunar Flashlight)는 달의 궤도를 돌고 적외선 레이저를 달 극 근처에 있는 영구적으로 그늘진 크레이터에 비추어서 물얼음 지도를 제작함으로써 그곳의 물 얼음의 양과 접근성을 더 드러나게 해 주게 된다.

두 번째로 달 남극의 햇빛또한 기지 건설에 유리하다. 그곳은 달의 다른 지역이 2주간의 낮과 2주간의 밤이 이어지는 것과 달리 약 90%의 시간동안 태양이 비친다. 이는 태양 전지판으로 움직이는 달 전초 기지에 좋은 소식이다. 물과 햇빛이라는 이 두 가지 요인의 결합은 로켓선이 아르테미스 기지 근처에서 일상적으로 연료를 공급하고 화성과 소행성대와 같은 더 먼 지역을 향해 발사되는 시기로 이어질 수 있다.

짐 브라이든스타인 나사 전 국장은 달 탐사를 인류가 행성간 종(種)이 되기 위한 여정의 핵심 단계로 보고 있다. 그는 “인류는 화성에 대한 첫 다년간의 인간 임무를 시작하기 전에 지구로부터 멀리 떨어진 생명체를 지원하는 운영상의 자신감을 쌓기 위해 달 궤도와 달 표면에서 몇 년의 시간이 필요하다”고 말했다.

아르테미스 1호 발사는 작은 단계일 수도 있지만 중요한 단계다.