NASA, “화성에 사람보다 연료추출 로봇 먼저”…시제품 테스트중

[글로벌이코노믹 이재구 기자]
오는 2038년. 18개월 간 화성에서 거주하면서 작업하던 6명의 화성탐사대원들은 심우주로켓을 타고 지구로 돌아온다. 어떤 사람도 남아있지 않게 된다. 하지만 이들없이도 화성표면에서의 작업은 계속된다. 자율 로봇이 화성에 남아 계속해서 토양을 파내고 이를 바탕으로 지속적으로 로켓 연료용 화학물질 합성공장을 운영하게 될 것이기 때문이다. 이들은 유인 화성우주선이 이 행성에 발을 들여놓기 수년 앞서 이 공장을 운영하게 된다. 이 로봇시스템은 화성 현지의 토양 자원을 사용해 물, 산소 및 메탄으로 된 로켓 연료를 생산한다. 그로부터 2년 후 도착 예정인 차기 유인화성 탐사대원의 임무에 필요한 모든 공급품을 체계적으로 만들어 내게 된다.

이 얘기는 더 이상 공상과학소설(SF)이나 영화 속 얘기가 아니다. 미항공우주국(NASA·나사)의 여러 과학자 연구팀이 진행하고 있는 프로젝트다. 이 가운데 하나는 플로리다 소재 케네디 우주센터에 있는 스웜프웍스랩(Swamp Works Lab)이다. 이는 공식적으로 ‘현장 자원 활용(in situ resource utilisation)’, 즉 ISRU로 불린다.
IEEE사이트는 1일 나사가 화성의 토양을 파서 로켓연료로 변환시키는 ‘먼지-추진제 공장(dust-thrust factory)’으로 불리는 자율로봇을 만들고 있다고 소개했다. 이 자율형 로봇시스템은 화성의 토양을 파낸 후 물을 추출해 낸 후 이를 미래 로켓의 동력이 될 화합물인 메탄으로 변환시키는 공장 역할을 한다.

그렇다면 지구에서 우주선을 운송하는 대신에 왜 화성에서 물질을 합성할까? 나사는 유인화성우주선을 보내는데 있어서 이른바 ‘기어비(gear ratio) 문제’에 봉착했기 때문이다.
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나사의 쿠르트 로이트 엔지니어는 IEEE에 기고한 글을 통해 “일부의 추정에 따르면 오늘날의 로켓이 지구에서 화성까지 1kg의 연료를 수송하려면 225kg의 연료를 태워야 한다”고 썼다. 이어 “우리는 226kg으로 시작해서 1kg(을 옮기는 것)으로 끝날 것입니다. 이것은 이른바 226 대 1의 기어비(gear ratio)를 만듭니다. 이 비율은 우리가 어떤 것을 선적하든 같은 비율을 유지하게 됩니다. 우리는 1톤의 물, 1톤의 산소 또는 1톤의 기계류를 보내기 위해 225톤의 연료를 필요로 할 것입니다”라고 썼다.

그는 “가혹한 계산을 해결할 수 있는 유일한 방법은 물과 산소 및 연료를 현장에서 공급하는 것입니다”라고 말했다.

■우주선 연료 문제 해결해 줄 연료생산 및 보급용 시스템으로 각광

로이트 엔지니어는 이 새로운 로봇시스템이 화성을 오가기에 충분한 연료를 운반하면서도 로켓을 충분히 가볍게 유지해 가동하도록 해 줄 해결책으로 기대를 모으고 있다고 소개했다. 우주선의 연료문제는 나사의 심우주 계획추진 과정에서 직면한 가장 큰 문제 가운데 하나로 꼽힌다.

나사는 2030년대 초에 화성에 유인 우주선을 보낼 계획이다. 하지만 나사가 화성에 인류의 첫발을 내딛도록 하기 위해서 인간에 앞서 건조하고 먼지많은 화성 표면에서의 거주가능성을 테스트하기 위한 무인차량들을 보내게 될 것으로 보인다.

나사의 SW엔지니어인 쿠르트 로이트는 ‘먼지-추진제 공장’이라는 별명을 붙인 새로운 로봇시스템들이 인류의 초기 화성 탐사에 열쇠를 제공하게 될 것이라고 말한다. 쿠르트 로이트는 ‘현장 자원 활용(ISRU)’으로 불리는 시스템의 프로토 타입 구축을 책임지고 있다.

ISRU는 전기분해 방식으로 토양에서 물을 추출해 이를 물 구성 분자인 산소와 수소로 쪼개는 방식으로 작동한다. 그런 다음 이 수소를 화성 대기의 탄소와 결합시켜 메탄을 생산한다. 이 메탄은 일부 엔지니어들에 의해 미래의 로켓 연료로 알려져 왔다.

메탄은 오늘날 가장 보편적으로 사용되는 로켓 연료인 액체 수소보다 안정적이며 더 작은 탱크에 훨씬더 관리하기 편한 온도에서 관리할 수 있다. 이 프로젝트의 핵심은 나사의 ISRU로봇이 최대한 활용할 수 있도록 만든 현장 자원에서 연료를 캐내거나 생성해 낼 수 있다는 점이다

나사는 화성 유인임무에 앞서 화성의 표면에서 흙을 모으는 로봇과 함께 이 시스템을 처음으로 사용할 계획이다.


나사의 여러 연구 및 엔지니어링 그룹은 이 문제의 다른 부분을 연구하고 있다. 보다 최근에는 플로리다에 있는 스웜프웍스(Swamp Works) 팀이 전체 폐쇄 루프 시스템을 시연하기 위해 많은 별도의 작업 모듈을 통합하기 시작했다. 아직 프로토타입일 뿐이지만 이른바 ‘먼지-추진제 공장’을 실현하는 데 필요한 모든 구성품을 보여준다.

천체의 먼지는 일반적으로 전토층(全土層, regolith)으로 불린다. 대부분 화산암으로 시간이 지남에 따라 부서지거나 풍화돼 가루가 된다. 화성을 붉은 빛으로 만든 녹슨 철광석 층 아래에는 더 두꺼운 장석, 휘석 및 감람석과 같은 이름을 가진 층이 있는데 이들은 규산염과 산소 구조로 됐다. 이들이 결합해 철, 알루미늄 및 마그네슘이 된다.

화성에서 우주선 연료가 될 물질을 파내는 것은 힘든 일이다. 화성 토양이나 암석의 일관성이나 밀도가 굴착 장소마다 다르기 때문이다. 작업을 더욱 어렵게 만드는 것은 이 행성의 낮은 중력이다. 따라서 그 힘을 상쇄하기 위해 자체의 무거운 하중을 사용하지 않고는 삽을 땅에 밀어넣기 어렵다.

나사는 중간 단계로서 달에 주의를 기울이고 있다. 대다수 장비는 먼저 달표면에서 시험되고 세밀하게 조정돼 화성에 직접 보낼 경우 맞닥뜨릴 위험을 줄여주게 될 것으로 보인다.


나사가 준비중인 화성표면 굴착 로봇은 양동이형 드럼을 서로 반대방향으로 향하게 한 후 땅을 파도록 설계한 로봇 굴착기다. 이런 방식은 굴착력의 대부분을 상쇄시켜 로봇이 낮은 중력에서도 잘 작동할 수 있도록 한다.

나사 엔지니어들은 특수목적용 자율 채굴로봇 차량인 ‘레이저(RASSOR·Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot)’ 설계에 특별히 공을 들였다. 레이저 액추에이터는 모터, 기어박스 및 시스템 최종 질량의 상당 부분을 차지하는 다른 메커니즘 등으로 구성된다.

이들은 시스템 설계시 프레임리스 모터, 전자기 브레이크 및 3D프린터로 만들어진 티타늄 하우징을 사용해 무게와 볼륨을 최소화했다. 이러한 노력 덕분에 이 로봇의 부피는 비슷한 사양의 기존 상용 액추에이터의 절반에 불과하다.

레이저는 굴착을 위해 두개의 반대로 향한 양동이 드럼을 사용한다. 각각은 작고 이빨이 있는 여러 종류의 삽을 갖추고 있다. 레이저의 양동이형 드럼이 회전하고 이들을 들고 있는 팔이 아래로 내려지면 이들은 전토층을 각각의 굴착 삽으로 긁는다. 이는 깊은 구멍보다는 얕은 슬롯 트렌치를 만든다. 이 회전 및 굴삭방식의 양동이 드럼은 내부가 비어있어 굴착된 전토층을 모아서 보관할 수 있다. 레이저의 또 다른 주요 특징은 파고 있는 동안 양동이 드럼들이 서로 반대 방향으로 회전한다는 것이다. 이는 굴착력의 대부분을 상쇄하고 레이저가 낮은 중력에서 화성의 표토를 팔 수 있도록 해 준다.

일단 레이저가 양동이 드럼을 가득 채우면 팔을 들어 흙을 처리시설로 가져 간다. 로봇은 전토층 흙을 내려 놓기 위해 드럼을 반대로 회전시키면 된다. 전토층 분말은 처음에 담겨진 이 작은 삽으로부터 쏟아져 나온다. 또다른 장비인 로봇 호퍼 리프트 암이 다음 처리 작업을 맡는다.

이 팔은 전토층 흙을 연료처리 공장의 갑판까지 들어 올린 후 이를 오븐으로 전달한다. 여기서는 전토층을 밀봉해 가열하기 시작한다. 여기에 들어있던 모든 물분자는 건식 가스 송풍기로 제거된 다음 ‘차가운 손가락’으로 알려진 응축기 관을 통해 수집된다.


“화성에 있는 전토층이 바싹 말라있지 않은가?”라는 질문에 답하기는 쉽지 않다. 그것은 어디를 파는지, 얼마나 깊이 파는지에 달려있다. 화성의 일부 지역은 표면 아래 몇미터 아래에서도 물이 언 딱딱한 얼음판이 있는 것으로 보인다. 저위도 지역에는 무게로 따지면 약 8%정도가 물로 이뤄진 석고 모래 언덕이 있다.

일단 물을 빼내면 전토층이 지상으로 쏟아져 나오므로 레이저 로봇은 이를 떠서 던져 버릴 수 있다. 이 폐기물 재료는 나사가 개발중인 3D프린팅 방법을 사용해 우주탐사대에게 실질적 도움이 되는 보호 구조물, 또는 도로 및 착륙 패드 건설에도 사용할 수 있다.
■나사 2030년대에 화성에 유인우주선 보낼 계획은?

나사는 지난해 5월 워싱턴DC에서 열린 ‘휴먼투마스서밋(Humans to Mars Summit)’에서 4단계로 인류의 화성 방문 계획을 발표했다. 이는 향후 20년간 달로 가는 수많은 미션을 동반하게 될 것으로 보인다.

그렉 윌리엄스 나사 정책 및 계획 담당 부국장은 언젠가 인간이 화성을 방문할 것을 기대하면서 나사의 4단계 유인 화성 탐사 계획 시간표에 대해 설명했다.


1단계와 2단계는 달의 공간으로의 여러 차례 여행을 포함하며 이는 여행을 위한 준비 구역을 제공할 거주지 건설을 허용하게 될 것이다. 마지막 부분은 추후 실제로 화성에 탐사대원을 나르는 임무를 맡을 우주선이 될 것이다. 그리고 2027년에는 화성에서 1년 간 거주하는 생활에 대한 시뮬레이션이 이뤄질 것이다. 3단계와 4단계는 2030년 이후에 시작되며 화성 시스템과 화성 표면에 대한 지속적인 우주탐사대원의 탐사를 포함하게 된다.


이재구 기자 jklee@g-enews.com