마스 다이렉트
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1. 개요
마스 다이렉트는 1990년대 초 로버트 주브린이 제안한 유인 화성 탐사 계획이다. 이 계획은 대규모 우주선 대신, 현지 자원 활용, 빠른 비행 경로, 지구에서 직접 화성으로 발사하는 우주선을 통해 비용을 절감하려는 목표를 가지고 있다. 마스 다이렉트는 무인 지구 귀환선(ERV) 발사를 통해 화성 대기에서 메탄과 산소를 생산하고, 이 연료를 사용하여 4명의 승무원을 태운 화성 거주 모듈(MHU)을 발사하여 화성에서 17개월 동안 탐사 활동을 수행하는 것을 골자로 한다. 마스 다이렉트는 NASA의 디자인 레퍼런스 미션(DRM)과 마스 세미 다이렉트 등 다양한 형태로 수정 및 발전되었으며, 스페이스X의 기술을 활용하는 방안도 제시되었다. 이 계획은 NASA 내부와 학계에서 비판과 논란에 직면하기도 했지만, 화성 탐사 비용 절감에 대한 대안으로 지속적으로 연구되고 있다.
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인사이트는 NASA 디스커버리 프로그램에 따라 발사되어 화성에 착륙한 탐사선으로, 화성 내부 구조를 탐사하여 지구형 행성의 초기 진화 과정을 밝히고 지진계와 열 흐름 측정 장비로 화성 지진 관측 및 내부 온도 측정 등의 임무를 수행했으나, 태양 전지판의 먼지로 인한 전력 부족으로 임무가 종료되었다.
| 마스 다이렉트 | |
|---|---|
| 마스 다이렉트 | |
 | |
| 개요 | |
| 유형 | 화성 탐사 계획 |
| 제안자 | 로버트 주브린 데이비드 베이커 |
| 제안 시기 | 1990년 |
| 목표 | |
| 주요 목표 | 화성 탐사 화성 식민지 건설 가능성 탐색 |
| 특징 | |
| 주요 특징 | 현지 자원 활용 (ISRU) 단순화된 임무 설계 낮은 비용 |
| 임무 개요 | |
| 임무 단계 | 지구에서 무인 화성 귀환 탑재 화물선 (ERCS) 발사 화성 대기에서 메탄/산소 추진제 생산 지구에서 유인 화성 탐사선 발사 화성 표면에서 6개월간 탐사 ERCS를 사용하여 지구로 귀환 |
| 핵심 기술 | 화성 현지 자원 활용 (ISRU) 하버-보슈 공정 메탄/산소 추진제 |
| ISRU | 화성의 이산화탄소 대기로부터 메탄과 산소를 생산 |
| 장점 | |
| 장점 | 비교적 낮은 비용 기존 기술 활용 극대화 단순화된 임무 설계 빠른 임무 수행 가능성 |
| 단점 | |
| 단점 | ISRU 기술의 불확실성 지구 귀환 시 위험 부담 장기간 우주 여행의 건강 문제 |
| 파생 계획 | |
| 파생 계획 | 마스 투 스테이 원 웨이 티켓 마스 |
| 관련 인물 | |
| 주요 인물 | 로버트 주브린 |
2. 역사적 배경
1989년 7월 20일, 아폴로 11호의 달 착륙 20주년을 맞아 당시 미국 대통령 조지 H. W. 부시는 국립항공우주박물관 연설에서 우주 탐사 계획(SEI, Space Exploration Initiative)을 발표했다. 이 계획은 화성 표면에 인간을 보내는 것을 장기적인 목표로 삼았다.[19][2]
1989년 조지 H. W. 부시 당시 미국 대통령은 아폴로 11호 달 착륙 20주년을 맞아 화성 유인 탐사를 포함한 장기 우주 탐사 계획(우주 탐사 계획, SEI)을 발표했다.[19] 그러나 이듬해 NASA가 발표한 '90일 연구' 보고서에서는 해당 계획의 비용을 20~30년에 걸쳐 약 4500억달러로 추산했고,[20] 이는 제2차 세계 대전 다음으로 비싼 단일 프로젝트라는 비판에 직면하며 결국 의회의 예산 지원이 중단되는 결과를 낳았다.[21] 1992년에는 새로 취임한 NASA 국장 다니엘 골딘이 유인 탐사 계획을 공식 폐기하고 무인 탐사 중심으로 정책을 전환했다.[22]
그러나 이 계획은 막대한 예산 문제에 부딪혔다. 1990년 12월 발표된 '90일 연구' 보고서는 SEI의 총 비용을 20~30년에 걸쳐 약 4500억달러에 달할 것으로 추산했다.[20][3] 이는 제2차 세계 대전 이후 미국 역사상 가장 큰 규모의 단일 정부 지출 프로젝트가 될 것이라는 점에서 의회의 강력한 반발을 샀다.[21][4] 결국 1년 안에 SEI에 대한 모든 재정 지원 요청은 거부되었다.
1992년 4월 1일, 댄 골딘이 새로운 NASA 국장으로 취임하면서 NASA의 우주 탐사 정책은 큰 변화를 맞았다. 골딘은 "더 빠르고, 더 좋고, 더 저렴하게"라는 기조 아래 무인 탐사 중심으로 정책을 전환했고, 지구 저궤도를 벗어나는 유인 탐사 계획은 공식적으로 폐기되었다.[22][5]
이러한 상황 속에서 마틴 마리에타에서 행성 간 임무 설계를 담당하던 로버트 주브린은 기존 SEI 계획의 근본적인 문제점을 지적했다. 그는 NASA가 화성 탐사를 위해 가능한 모든 기술을 동원하려 했고, 이는 비현실적인 예산 요구와 정치적 반발을 불러왔다고 비판했다. 주브린은 당시 NASA의 접근 방식을 "엔지니어링의 올바른 방법의 정 반대"라고 평가했다.[21][1]
주브린은 NASA의 복잡하고 값비싼 계획, 소위 "배틀스타 갈락티카" (거대한 우주선 구상 때문에 붙여진 별명) 방식 대신, 훨씬 단순하고 효율적인 대안을 제시했다. 동료 데이비드 베이커[24][7]와 함께 구상한 이 계획은 현지 자원 활용(ISRU)을 통해 화성 현지에서 로켓 연료를 생산하고, 우주 건선거에서 복잡하게 우주선을 조립하는 대신 지구 표면에서 직접 발사하며, 더 빠른 비행 경로를 이용하고 화성 표면에서의 체류 기간을 늘리는 것을 핵심으로 했다.[23][6] "현지 자원 활용, 가볍게 이동, 현지에서 조달"이라는 이 접근 방식은 마스 다이렉트의 기본 원칙이 되었다.[21][1]
1990년 4월, 베이커는 마셜 우주 비행 센터에서 마스 다이렉트 계획을 처음 발표했으며, 매우 긍정적인 반응을 얻었다.[27][10] 주브린과 베이커는 미국 전역을 순회하며 계획을 설명했고, 상당한 지지와 인지도를 확보했다. 특히 국립 우주 협회에서의 발표는 기립 박수를 받기도 했다.[1]
하지만 NASA 집행부는 마스 다이렉트 계획을 받아들이지 않았다. 기존의 우주 정거장 프리덤 계획이나 첨단 추진 기술 연구에 집중하던 NASA 내부 팀들의 반대도 있었다. 주브린은 이에 굴하지 않고 마스 다이렉트 계획을 계속 주장했으며, 1992년 새로운 NASA 집행부가 들어선 이후에도 계획의 장점을 설득하려 노력했다.[21][1] 그는 마틴 마리에타에서 소규모 연구 기금을 받아 화성 현지에서 작동할 연료 생산 장치의 시제품을 제작하여 94%의 높은 변환 효율을 실제로 증명하기도 했다.[21][1] 그럼에도 불구하고 NASA 집행부는 여전히 계획 채택에 유보적인 입장을 보였다.[21][1]
이후 2004년 1월, 조지 W. 부시 행정부는 컨스텔레이션 계획을 발표하며 2020년까지 다시 달에 유인 탐사선을 보내는 것을 목표로 삼았다. 화성 탐사는 구체화되지 않았지만, 오리온 우주선을 이용한 2030년대 화성 탐사 가능성이 잠정적으로 논의되었다. 그러나 컨스텔레이션 계획 역시 예산 문제 등으로 2009년 버락 오바마 행정부에 의해 재검토에 들어갔고, 2010년 최종적으로 취소되었다.[28][11]
3. 마스 다이렉트 임무 계획
이러한 배경 속에서 당시 마틴 마리에타의 엔지니어였던 로버트 주브린은 기존 유인 화성 탐사 계획들의 근본적인 문제점을 지적하며 새로운 접근법을 제시했다. 주브린은 NASA가 가능한 모든 기술을 동원하려 한 것이 오히려 비효율과 막대한 비용을 초래하고 정치적 반발을 불렀다고 비판하며, 이는 "엔지니어링의 올바른 방법의 정 반대"라고 주장했다.[21] 그는 기존의 복잡한 계획들, 예를 들어 지구 저궤도나 달 기지에서 거대한 우주선을 조립하는 방식 대신, 더 빠르고, 더 저렴하며, 더 효율적인 임무 설계를 제안했다. 이는 동료 데이비드 베이커와의 협력을 통해 "자원 현지 조달(ISRU), 빠른 전이, 자급자족"이라는 핵심 원칙을 바탕으로 구체화되었으며, 이것이 바로 '''마스 다이렉트'''(Mars Direct) 계획이다.[21][23][24] 주브린은 기존의 거대하고 복잡한 계획들을 "배틀스타 갈락티카" 우주선에 빗대어 비판하며, 화성 탐사에 우주 정거장이나 달 기지는 불필요하다고 강조했다.[21]
마스 다이렉트 임무는 크게 두 단계의 발사로 구성된다.
# '''지구 귀환선'''(Earth Return Vehicle|지구 귀환선영어, ERV) 발사: 먼저 무인 우주선인 ERV를 화성으로 보낸다. ERV는 화성 현지에서 대기 중의 이산화탄소와 지구에서 가져간 소량의 수소를 이용해 사바티에 반응으로 메탄과 산소 등 귀환에 필요한 연료를 생산한다. (자세한 내용은 아래 문단 참고)
# '''화성 거주 모듈'''(Mars Habitat Unit|화성 거주 모듈영어, MHU) 발사: ERV가 연료 생산을 성공적으로 완료했다는 신호가 오면, 4명의 승무원을 태운 MHU를 발사한다. 승무원들은 MHU를 타고 화성으로 이동하여 약 18개월간 표면에 머물며 탐사 활동을 수행한다. (자세한 내용은 아래 문단 참고)
탐사 임무를 마친 승무원들은 현지에서 생산된 연료를 사용하는 ERV를 타고 지구로 귀환하며, MHU는 다음 탐사대를 위해 화성에 남겨둔다. 후속 임무는 2년(정확히는 26개월) 간격으로 발사되어 지속적인 탐사와 장기적인 화성 기지 건설의 가능성을 열어둔다. (자세한 내용은 아래 문단 참고)
마스 다이렉트 계획의 가장 큰 특징 중 하나는 비용 효율성이다. 초기 제안 당시 개발비를 포함한 총비용은 약 200억달러 (2006년 가치로 환산 시 300억달러 ~ 350억달러 상당)로 추산되었는데, 이는 NASA의 90일 보고서에서 제시된 4500억달러와 비교할 때 획기적으로 낮은 금액이다. 이후 2004년 NASA와 유럽 우주국(ESA)이 독자적으로 유사한 임무 구조의 비용을 검토한 결과, 주브린과 베이커의 초기 비용 추정이 상당히 정확했음이 확인되었다.[21]
3. 1. 1차 발사 (무인 지구 귀환선)
마스 다이렉트 계획의 첫 번째 발사는 "아레스" 로켓(현재는 해체된 컨스텔레이션 계획의 동명의 로켓과는 다름)을 이용하여 무인 '''지구 귀환선'''(Earth Return Vehicle|지구 귀환선영어, ERV)을 화성으로 보내는 것으로 시작된다. 이 우주선은 약 6개월의 비행 끝에 화성에 도착하며, 내부에는 연료 생산에 필요한 수소 공급 장치, 화학공장, 그리고 작은 원자로가 실려 있다.[21][23]
화성에 착륙한 지구 귀환선은 ISRU(자원 현지 조달) 방식을 통해 귀환에 필요한 연료를 현지에서 생산한다. 사바티에 반응과 전기 분해를 결합한 화학 공정을 이용하여, 지구에서 가져온 소량의 수소(8ton)를 화성 대기에 풍부한 이산화탄소와 반응시킨다. 이 과정을 통해 최대 112ton에 달하는 메탄과 산소를 생성하게 된다. 이 화학 공정 자체는 19세기와 20세기에도 사용되었던 비교적 검증된 기술이며,[8] 이 방식을 통해 귀환에 필요한 전체 추진제 중 단 7%에 해당하는 수소만 지구에서 운반하면 된다.
생산된 연료 중 96ton의 메탄과 산소는 임무 완료 후 지구 귀환선이 다시 지구로 돌아오는 데 사용될 예정이다. 나머지 잉여 연료는 추후 도착할 유인 탐사팀이 사용할 화성 탐사차 등의 동력원으로 활용될 수 있다. 연료를 생산하는 전체 과정은 약 10개월 정도 소요될 것으로 예상된다. 또한, 연료 생산과 병행하여 지구 귀환선에 탑재된 무인 로버는 착륙 지점 주변을 탐사하며, 이후 유인 우주선이 착륙하기에 적합한 장소를 물색하는 임무도 수행한다.
3. 2. 2차 발사 (유인 화성 거주 모듈)
첫 번째 지구 귀환선(ERV)이 발사된 지 26개월 후, 두 번째 우주선인 '''화성 거주 모듈'''(Mars Habitat Unit영어, MHU)이 발사된다.[1][21] 이 발사는 먼저 화성에 도착한 ERV에 탑재된 자동화 공장이 지구 귀환 및 화성 작전에 필요한 연료(메탄, 산소) 생산에 성공했다는 신호를 보내올 때까지 이루어지지 않는다.[1]
MHU에는 4명의 우주 비행사가 탑승하는데, 이는 팀을 두 그룹으로 나누어 활동할 때 아무도 홀로 남지 않게 하기 위한 최소 인원이다.[1][21] MHU는 6개월간의 저에너지 궤도를 따라 화성으로 향한다.[1][21]
화성으로 가는 비행 중에는 MHU와 사용된 로켓의 상단부(부스터)를 줄로 연결하고 공통 축을 중심으로 회전시켜 약 1 ''g''의 인공 중력을 생성한다.[1][21] 이를 통해 우주 비행사들은 편안한 환경에서 생활하며 장기간의 무중량상태 노출로 인한 신체적 쇠약 효과를 방지할 수 있다.[1]
화성 도착 시, 사용된 로켓 상단부는 분리되고 MHU는 공력제동을 이용해 화성 궤도로 진입한 후, 먼저 도착한 ERV 근처에 착륙한다.[21] 정확한 착륙 지점 유도는 ERV에 설치된 레이더 표식을 통해 이루어진다.[21]
착륙 후 승무원들은 화성 표면에서 18개월간 머물며 과학 탐사를 수행한다.[21] 탐사에는 MHU에 함께 실어 온 가압 캐빈이 있는 지상 탐사 차량을 이용하며, 이 차량의 연료로는 ERV가 현지에서 생산한 메탄을 사용한다.[21]
3. 3. 귀환 및 후속 임무
승무원은 화성 표면에서 약 18개월간의 탐사 임무를 마친 후 지구 귀환선(ERV, Earth Return Vehicle)을 이용해 지구로 귀환한다.[21] 이때, 승무원이 생활했던 화성 거주 유닛(MHU 또는 허브)은 다음 탐사대가 사용할 수 있도록 화성 표면에 남겨둔다.[21] 약 6개월이 소요되는 지구 귀환 여정 동안에는 ERV의 사용된 추진 단계를 균형추처럼 활용하여 우주선을 회전시켜 원심력에 의한 인공 중력을 생성한다. 이는 장기간의 무중력 상태가 인체에 미치는 영향을 줄이기 위한 방안이다.[21]
후속 유인 탐사 임무는 2년(정확히는 26개월) 간격으로 발사된다.[21] 이는 비상 상황에 대비하기 위한 조치로, 현재 임무를 수행 중인 승무원이나 다음 임무의 승무원이 즉시 사용할 수 있도록 항상 연료가 완전히 채워진 예비 ERV가 화성 표면에 최소 1대 이상 준비되도록 보장한다.[21]
만약 현재 임무에서 사용 예정이던 ERV에 문제가 발생하거나 착륙 지점에서 너무 멀리 떨어져 접근이 어려운 비상 상황이 발생하면, 승무원은 가압 탐사차를 이용하여 수백 km를 이동해 다른 ERV를 사용해야 한다.[21] 초기 계획에서는 이러한 비상 상황에 대한 안전성을 더욱 높이기 위해, 허브(거주 모듈)와 두 번째 지구 귀환선(ERV2)을 거의 동시에 발사하는 방안도 고려되었다. 만약 허브의 착륙 지점이 예정된 ERV 위치에서 1000km 이상 벗어날 경우, ERV2를 허브 근처에 착륙시켜 승무원의 귀환을 돕는다. 허브가 원래의 ERV 근처에 성공적으로 착륙했을 경우에는, ERV2를 약 800km 떨어진 다른 유망한 탐사 지점에 착륙시켜 다음 임무를 위한 거점으로 활용할 수 있다.
이러한 방식으로 26개월마다 허브와 ERV를 지속적으로 화성에 보내면서, 인접한 지역으로 탐사 범위를 점진적으로 확장해 나갈 수 있다. 장기적으로는 영구적인 화성 기지를 건설하기에 적합한 장소를 물색하고, 해당 장소가 결정되면 이후의 허브와 ERV를 그곳에 집중적으로 착륙시킨다. 여러 개의 허브 모듈을 기밀 통로로 연결하여 초기 기지를 구축하고, 더 나아가 화성 현지의 자원을 활용하여 건물을 짓거나 화성 환경을 개조하는 단계까지 구상되었다.
4. 구성 요소
마스 다이렉트 계획은 크게 세 가지 주요 구성 요소로 이루어진다.[21][23] 이는 발사체인 "아레스", 지구 귀환선(ERV, Earth Return Vehicle영어), 그리고 화성 거주 모듈(MHU, Mars Habitat Unit영어)이다.[21] 각 구성 요소의 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.
4. 1. 발사체
마스 다이렉트 계획에서는 아폴로 계획에서 사용했던 새턴 V와 비슷한 크기의 대형 발사체를 사용할 예정이었다.[26] 이 로켓은 "아레스(Ares)"라는 가칭으로 불렸으며,[26] 우주왕복선의 부품을 활용하여 개발될 예정이었다. 아레스는 우주왕복선 고급 고체 로켓 부스터, 개조된 우주왕복선 외부 연료 탱크, 그리고 화물 탑재체를 화성 전이 궤도로 보내기 위한 새로운 액체 산소/액체 수소 3단 로켓으로 구성될 예정이었다.[26] 이 발사체는 지구 저궤도(LEO, 고도 300km)에 121ton[26], 화성 전이 궤도로는 47ton의 화물을 보낼 수 있는 성능을 목표로 했다.[26] 이 대형 부스터는 먼저 무인 지구 귀환선(ERV)을 화성으로 보내는 데 사용될 예정이었다.4. 2. 지구 귀환선 (ERV)
마스 다이렉트 계획에서 가장 먼저 발사되는 우주선은 승무원이 탑승하지 않은 '''지구 귀환선'''(Earth Return Vehicleeng, ERV)이다.[23] 이 우주선은 "아레스" 로켓(현재는 해체된 컨스텔레이션 계획의 유사한 이름의 로켓과는 다름)에 실려 발사되며, 6개월간의 순항 단계를 거쳐 화성으로 보내진다.[8] ERV 안에는 연료 생산에 필요한 수소 8ton, 화학 공장, 작은 원자로가 실려 있다.[23][8]화성에 도착한 ERV는 약 10개월 동안 사바티에 반응과 전기 분해를 결합한 화학 공정을 통해 연료를 생산한다.[25][8] ERV에 실린 소량의 수소와 화성 대기의 이산화탄소를 반응시켜, 총 112ton의 메테인과 산소를 만들어낸다.[25][8] 이 비교적 간단한 화학 공정은 19세기와 20세기에도 사용되었던 기술이다.[25][8] 생산된 연료 중 96ton은 나중에 승무원이 지구로 귀환할 때 사용되며, 남는 연료는 화성 탐사차 등에 활용될 수 있다.[8] 이 자원 현지 조달 방식을 통해 귀환에 필요한 추진제의 약 7%만 지구에서 가져가면 된다.[25][8] 또한, ERV에 탑재된 무인 차량은 주변 지형을 조사하여 이후 유인 우주선이 착륙하기에 적합한 장소를 찾는다.
지구 귀환선은 2단 구조로 되어 있다. 상단부는 승무원들이 화성에서 지구로 돌아오는 6개월 동안 생활할 공간이며, 하단부에는 로켓 엔진과 연료 생산을 위한 소규모 화학 생산 설비가 포함된다.
4. 3. 화성 거주 모듈 (MHU)
화성 거주 모듈(Mars Habitat Unit영어, MHU)은 지구 귀환선(ERV)이 발사된 지 26개월 후, 4명의 승무원을 태우고 화성으로 발사된다. 이는 먼저 화성에 도착한 지구 귀환선이 귀환에 필요한 연료 생산을 완료했음을 확인한 후에 이루어진다. 화성까지의 여정은 6개월이 소요되며, 저에너지 전이 궤도를 이용한다. 이동 중에는 로켓의 상단부와 거주 모듈을 줄로 연결하여 회전시켜 약 1''g''의 인공 중력을 발생시킨다. 이를 통해 장기간의 무중량상태가 승무원에게 미치는 부정적인 영향을 줄일 수 있다.[21]화성에 도착하면 로켓 상단부는 분리되고, 거주 모듈은 공력제동을 이용해 화성 궤도에 진입한 뒤, 먼저 착륙해 있는 지구 귀환선 근처에 착륙한다. 정확한 착륙 지점 유도는 지구 귀환선에 설치된 레이더 표식을 통해 이루어진다. 착륙 후 승무원들은 화성 표면에서 18개월 동안 머물며 과학 탐사를 수행한다.
화성 거주 모듈은 2단 또는 3단 구조로 설계되어 승무원들의 생활 및 연구 활동을 지원한다. 내부에는 각 승무원의 사생활 보호를 위한 개별 수면 구역, 공동 생활 공간, 작은 주방 및 전시 공간, 운동 공간, 폐쇄형 물 정화 시스템을 갖춘 위생 시설 등이 마련된다. 모듈 하단부는 주로 작업 공간으로 활용되며, 작은 연구실, 채취한 표본 보관소, 화성 표면 활동을 위한 준비 공간 및 에어록 등이 위치한다. 또한, 태양 폭풍과 같은 우주 방사선으로부터 승무원을 보호하기 위해 모듈 중심부에 '폭풍 대피소'가 설치될 예정이다.
거주 모듈 하단부에는 화성 표면에서 조립하여 사용할 수 있는 가압 탐사차도 탑재된다. 이 탐사차는 메테인을 연료로 사용하며, 약 320km 범위까지 탐사 활동을 지원하도록 설계되었다. 승무원들은 이 탐사차를 이용하여 지구 귀환선에서 생산된 메테인을 연료로 활용하며 광범위한 과학 탐사를 진행한다.
NASA는 자체적인 화성 탐사 설계 참조 임무(Design Reference Mission)에 화성 거주 모듈 개념을 도입했다. 이 계획에서는 두 개의 모듈을 사용하는데, 하나는 먼저 무인으로 발사되어 연구 설비와 대형 탐사차를 탑재하고, 다른 하나는 승무원과 함께 발사되어 거주 공간으로 활용된다.
화성 학회는 화성 거주 모듈의 실용성을 검증하기 위해 화성 유사 연구 기지 프로그램(MARS)을 통해 전 세계 여러 곳에 프로토타입 모듈을 건설하여 운영하고 있다.
5. 대한민국 우주 기술에의 시사점
마스 다이렉트 계획은 화성 유인 탐사를 비교적 저렴하고 실현 가능한 방식으로 제안하며, 특히 현지 자원 활용(ISRU) 개념을 핵심으로 삼는다. 이는 달 탐사 및 기지 건설을 추진하는 대한민국의 우주 개발 계획에 중요한 참고 자료가 될 수 있다.[23][1]
마스 다이렉트의 핵심은 화성 현지에서 자원을 조달하여 탐사의 지속 가능성을 높이는 데 있다. 계획에 따르면, 먼저 무인 지구 귀환선(ERV)을 화성에 보내 화성의 대기 중 이산화탄소와 지구에서 가져간 소량의 수소를 반응시켜 메탄과 산소 등 로켓 연료와 생명 유지에 필요한 자원을 생산한다(사바티에 반응).[23] 이러한 ISRU 방식은 달 극지방의 물 얼음을 활용하여 산소와 수소를 생산하려는 한국의 달 탐사 계획과 유사한 접근법으로, 우주 탐사의 비용을 획기적으로 절감하고 활동 범위를 넓히는 데 필수적인 기술로 평가받는다. 한국의 달 자원 활용 연구 및 기술 개발에 있어 마스 다이렉트의 ISRU 개념과 구현 방식은 중요한 참고 사례가 될 수 있다.
또한, 마스 다이렉트는 새턴 V 로켓과 유사한 성능의 대형 발사체("Ares"로 명명)를 사용하여 화성 거주 유닛(Hub)과 ERV를 지구에서 직접 화성으로 보내는 방식을 제안한다.[6] 이는 복잡한 궤도상 조립 과정을 생략하여 임무의 복잡성과 비용을 줄이는 접근법이다. 승무원은 지구 귀환 시 ERV를 사용하며, 화성에 남겨진 거주 유닛은 후속 탐사대가 활용하거나 연결하여 기지를 확장할 수 있도록 설계되었다. 이러한 대형 발사체 운용 경험과 모듈식 우주선 및 거주 시설 설계 개념은 한국이 개발 중인 차세대 발사체 및 장기적인 유인 우주 탐사 계획 수립, 그리고 달 기지 건설 구상에 유용한 아이디어를 제공할 수 있다.
마스 다이렉트는 초기 임무 비용을 당시 기준으로 약 200억달러 (2006년 기준 300억달러 ~ 350억달러 상당)로 추산하며, 기존의 우주 탐사 계획(SEI)과 같은 초고비용 계획의 대안으로 제시되었다. 비록 직접적인 비교는 어렵지만, 마스 다이렉트가 제시하는 비용 효율적이고 단계적인 탐사 확장 전략은 한정된 예산 내에서 우주 탐사 목표를 달성해야 하는 한국의 상황에 시사하는 바가 크다. 현지 자원 활용, 임무 구조 단순화, 단계적 확장 가능성 등 마스 다이렉트의 핵심 요소들은 대한민국 우주 기술 발전 방향 설정에 중요한 영감을 줄 수 있을 것이다.
6. 수정 및 발전된 계획
마스 다이렉트 계획이 처음 제안된 이후, 주브린 자신을 비롯하여 화성 학회, NASA, 스탠퍼드 대학교 등 여러 기관에서 이 계획을 정기적으로 검토하고 수정 및 발전시켜 왔다.
NASA는 기존 계획에서 하드웨어를 변경하고 임무 구조를 수정한 '마스 세미 다이렉트'(Mars Semi-Direct|마스 세미 다이렉트영어) 안을 참고 계획으로 제시하였다. 이는 1회 임무에 우주선 3척을 발사하고, 지구 귀환선(ERV)은 화성 궤도에 대기하며 소형 화성 상승선(MAV)을 이용해 귀환하는 방식이다. 한편, 화성 학회와 스탠퍼드 대학교 연구진은 기존의 우주선 2척 발사 계획을 유지하면서 승무원 수를 6명으로 늘리는 수정안을 제시하기도 했다.
화성 학회는 자체적으로 운영하는 화성 아날로그 연구 스테이션(MARS) 프로그램을 통해 마스 다이렉트에서 제안된 화성 거주 유닛(Hab) 개념의 실현 가능성을 보여주었다.
마스 다이렉트 계획은 디스커버리 채널의 '화성: 다음 프론티어'(Mars: The Next Frontier영어)라는 프로그램에서 NASA가 추진하는 다른 프로젝트들과 함께 주요하게 다루어지기도 했다.
2004년 조지 W. 부시 당시 미국 대통령이 발표한 유인 화성 탐사 구상은 NASA의 기존 예산을 크게 늘리지 않는 범위 내에서 추진하는 것을 목표로 했다. 이 때문에 만약 해당 구상이 실현되었다면, 마스 다이렉트나 이를 일부 수정한 방식에 기반했을 가능성이 높다는 평가를 받았다.
6. 1. 마스 세미 다이렉트
로버트 주브린과 데이비드 위버는 마스 다이렉트 계획에 대한 여러 비판을 수용하여 수정된 버전인 마스 세미 다이렉트(Mars Semi-Direct|마스 세미 다이렉트영어) 계획을 제안했다.[30][13]이 계획의 가장 큰 특징은 세 번째 우주선인 화성 상승선(Mars Ascent Vehicle|화성 상승선영어, MAV)을 추가한 것이다. 기존 마스 다이렉트 계획의 지구 귀환선(ERV)은 화성 표면에 직접 착륙하는 대신 화성 궤도에 머무른다. 대신 무인 상태의 MAV가 먼저 화성 표면에 착륙하여 현지 자원 활용(ISRU)을 이용해 로켓 연료를 생산한다. 임무 완료 후 승무원은 MAV를 타고 화성 궤도로 올라가 대기하고 있던 ERV와 도킹하여 지구로 귀환하는 방식이다.
마스 세미 다이렉트 구조는 NASA의 디자인 레퍼런스 미션(DRM) 버전 1.0을 포함하여 이후 여러 화성 탐사 연구의 기초가 되었다. NASA는 이 방식을 참고하여 하드웨어에 일부 변경(1회 임무에 우주선 3척 발사 등)을 가한 계획을 제시하기도 했다.
비용 측면에서는 90일 연구와 동일한 방식으로 추산했을 때, 10년간 약 550억달러의 예산이 필요할 것으로 예측되었다. 이는 당시 NASA의 재정 능력 범위 내에 있는 수준으로 평가되었다.
6. 2. 디자인 레퍼런스 미션 (DRM)
로버트 주브린과 위버는 기존 마스 다이렉트에 대한 특정 비판에 대응하기 위해 수정된 버전인 화성 반직접 왕복(Mars Semi-Direct)을 개발했다.[13] 이 임무 계획은 세 개의 우주선으로 구성되며, 화성 상승선(MAV, Mars Ascent Vehicle)을 포함한다. 지구 귀환선(ERV, Earth Return Vehicle)은 귀환 여정을 위해 화성 궤도에 남아 있고, 무인 MAV는 화성에 착륙하여 ISRU을 이용해 추진제를 제조한 뒤 다시 궤도로 상승하여 ERV와 랑데부하는 방식이다.[13]화성 반직접 왕복 구조는 NASA의 설계 참조 임무(Design Reference Mission, DRM) 1.0을 포함한 여러 후속 연구의 기반으로 사용되었다. 90일 보고서와 동일한 비용 분석을 적용했을 때, 화성 반직접 왕복 임무는 10년 동안 약 550억달러의 비용이 들 것으로 예측되었으며, 이는 기존 NASA 예산 내에서 감당할 수 있는 수준으로 평가되었다.
NASA의 DRM은 지속적으로 업데이트되었으며, 2012년 9월 1일 발표된 버전 5.0에서는 하드웨어의 상당한 보강을 요구했다. 이전 계획과 달리 임무당 최소 3회 이상의 발사가 필요하며, ERV를 연료가 완전히 채워진 상태로 화성으로 보내 궤도에 대기시킨 후 MAV와 만나는 방식을 채택했다. 이 방식은 때때로 '마스 세미=다이렉트'라고도 불린다.
6. 3. 마스 다이렉트와 스페이스X
저비용 대형 리프트 발사체의 도입이 가까워짐에 따라, 로버트 주브린은 스페이스X가 개발한 장비를 활용하여 비용을 획기적으로 절감한 유인 화성 탐사 임무 방안을 제안했다. 이 간소화된 계획은 승무원 2명을 태운 드래곤 우주선을 단일 팰컨 헤비 로켓으로 직접 화성으로 발사하는 것을 골자로 한다.행성 간 이동 중에는 드래곤 우주선이 승무원의 거주 공간(서식지) 역할을 하며, 필요에 따라 팽창식 거주 모듈을 추가하여 생활 공간을 넓힐 수 있다. 장기간의 무중력 상태가 인체에 미치는 영향을 줄이기 위해, 기존 마스 다이렉트 계획과 동일하게 드래곤 우주선과 발사체 상단부(화성 궤도 진입 단계)를 긴 줄(tether)로 연결하여 회전시켜 인공중력을 생성하는 방식을 제안했다.
NASA 에임스 연구 센터의 연구 결과에 따르면, 드래곤 우주선은 자체 로켓 추진을 이용해 화성 표면에 안전하게 착륙(추진 착륙)할 수 있음을 보였다.[31] 드래곤 우주선의 방열판 또한 대기권 진입 시 기체를 보호하여 안전한 하강을 돕는다.
화성 표면에 도착한 후, 승무원 2명은 거주 공간으로 사용할 드래곤 우주선 2기와 팽창식 모듈 1개, 지구 귀환선(ERV) 2기, 화성 상승선(MAV) 2기, 그리고 8ton의 화물을 활용하여 탐사 활동을 수행하게 된다.
6. 4. 기타 연구
마스 다이렉트 발표 이후, 화성 협회·NASA·스탠퍼드 대학교 등 여러 기관에서 관련 연구와 검토가 이루어졌다.화성 학회와 스탠퍼드 대학교는 마스 다이렉트의 기존 우주선 2척 발사 계획을 유지하면서 승무원 수를 6명으로 늘리는 방안을 연구하였다.
NASA에서는 하드웨어에 중요한 변경을 가한 참고 계획을 제시했는데, 이는 "마스 세미 다이렉트"라고도 불린다. 이 계획은 한 번의 임무에 우주선 3척을 발사하며, 화성에는 연료를 충분히 실은 지구 귀환선(ERV)을 미리 보내 화성 궤도상에서 대기시킨다. 귀환 시에는 승무원이 소형 우주선을 타고 ERV에 탑승하는 방식이며, 소형 우주선의 연료만을 화성 현지에서 생산한다.
오스트레일리아 화성 학회는 마스 세미 다이렉트를 기반으로 하여, 4명의 승무원을 태우는 '마스 오즈'(Mars Oz|마스 오즈영어) 계획을 독자적으로 개발하였다. 마스 오즈 계획은 몇 가지 중요한 특징을 가진다. 우선, 착륙 방식으로 수평 착륙 방식을 채택하고 휘어진 쌍원뿔 형태의 모듈을 사용한다. 또한, 마스 다이렉트나 디자인 레퍼런스 미션(DRM)이 원자력을 표면 동력 및 추진에 활용한 것과 달리, 마스 오즈는 전 과정에서 태양광 발전과 화학적 추진 방식만을 사용한다.[32][15] 더불어 우주 정거장에서의 경험을 바탕으로 인공 중력은 불필요할 것이라고 가정하였다.[15]
한편, 화성 협회는 자체적인 화성 아날로그 연구 스테이션(MARS) 프로그램을 통해 마스 다이렉트에서 제시된 화성 거주 유닛(Hab) 개념의 생존 가능성을 입증하기도 하였다.
조지 W. 부시 행정부가 2004년에 발표한 유인 화성 탐사 구상은 NASA의 기존 예산을 크게 늘리지 않고 수행하는 것을 목표로 했기 때문에, 만약 실현된다면 마스 다이렉트 또는 이를 수정한 방식에 의존할 수밖에 없을 것이라는 관측도 있었다.
7. 유사 화성 연구 기지
화성 학회는 화성 거주 모듈의 실현 가능성을 증명하기 위해 화성 아날로그 연구 기지(Mars Analogue Research Station, MARS) 프로그램을 진행하였다.[33][16] 이 기지는 지름 8m, 높이 8m의 2~3층 구조를 가진 수직 원통형 건물이다.[33][16]
또한, 화성 학회 오스트레일리아 지부에서는 '마스 오즈'(Mars Oz) 설계를 기반으로 자체적인 유사 화성 기지를 건설할 계획을 가지고 있다.[33][16] 마스 오즈 설계는 지름 4.7m, 길이 18m의 원통형 모듈과 뾰족한 끝부분을 특징으로 한다. 두 번째 유사 모듈은 차고, 전력 공급 및 물류 지원 시설로 사용될 예정이다.[16]
8. 비판 및 논란
마스 다이렉트 계획은 1990년 4월 마셜 우주 비행 센터에서 처음 발표되었을 때 긍정적인 반응을 얻었으며, 주브린과 베이커는 미국 전역을 순회하며 계획을 소개해 상당한 인지도와 지지를 확보했다.[27][10] 국립 우주 협회에서의 발표는 기립 박수를 받기도 했다.[1]
그러나 이러한 초기 호응에도 불구하고, 계획은 NASA 내부에서 상당한 반대와 논란에 직면했다. 특히 기존의 우주 정거장 프리덤 계획이나 첨단 추진 기술을 연구하던 팀들이 마스 다이렉트에 대해 비판적인 입장을 보였다. 결국 NASA 행정부는 마스 다이렉트 계획을 공식적으로 채택하지 않았다.[1][21]
주브린은 NASA의 결정에 굴하지 않고 마스 다이렉트 계획을 계속해서 주장했다. 그는 데이비드 베이커와 결별한 후, 1992년 새로 들어선 NASA 행정부를 상대로 다시 한번 계획의 장점을 설득하려 시도했다.[1][21] 또한 마틴 마리에타로부터 소규모 연구 기금을 지원받아, 화성 현지에서 추진제를 생산하는 장치의 시제품을 제작하여 94%의 높은 변환 효율을 달성하는 등 기술적 실현 가능성을 입증하려 노력했다.[1][21] 하지만 이러한 긍정적인 실험 결과를 존슨 우주 센터에 제시했음에도 불구하고, NASA 행정부는 여전히 계획에 대해 유보적인 입장을 유지하며 지속적으로 의문을 제기했다.[1][21]
한편, 마스 다이렉트와 같이 장기간에 걸친 유인 화성 탐사 임무 자체에 대한 근본적인 우려도 제기되었다. 기술적인 문제 외에도, 오랜 우주 비행과 고립된 환경이 가져올 수 있는 우주 여행에 영향을 미치는 심리적 및 사회적 문제가 중요한 과제로 지적되었다. 일부 전문가들은 초기 화성 탐사 임무에서 승무원들이 겪게 될 정신적, 사회적 어려움이 상당할 것으로 예상했다. 다만 이러한 초기 임무에서 얻어지는 경험과 데이터는 향후 화성 탐사 임무의 설계, 계획 수립, 그리고 승무원 선발 과정을 개선하는 데 중요한 밑거름이 될 것으로 기대되기도 한다.[29][12]
9. 마스 다이렉트를 다룬 작품
마스 다이렉트 또는 이를 기반으로 한 유인 화성 탐사 방식은 소설, 영화, TV 프로그램 등 다양한 대중문화 작품에서 중요한 소재로 다루어졌다. 이러한 작품들은 마스 다이렉트 개념을 대중에게 알리고 우주 탐사에 대한 관심을 높이는 데 기여했다.
마스 다이렉트 개념이 등장하거나 주요 모티브로 사용된 대표적인 작품은 다음과 같다.
- 소설
- ''The Martian Race'' (그레고리 벤포드)
- 화성 횡단 (제프리 A. 랜디스)
- 무지개 화성 (래리 니븐)
- ''The 13th Day of Christmas'' (로버트 M. 블레빈스)
- 첫 번째 착륙 (로버트 주브린)
- ''Shadows of Medusa'' (브라이언 엔케) - 마스 다이렉트와 마스 포 레스(Mars for Less) 개념이 중요하게 다뤄진다.
- 「편도 티켓」 (노지리 다이스케, 단편집 『침묵의 플라이바이』 수록)
- 마션 (앤디 위어)
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