천왕성 궤도선 및 탐사정

1. 개요

천왕성 궤도선 및 탐사정은 천왕성 시스템을 탐사하기 위해 NASA에 제안된 임무이다. 보이저 2호 이후 천왕성을 직접 탐사하는 유일한 임무로, 천왕성의 기원, 내부 구조, 대기, 자기권, 위성 및 고리에 대한 연구를 목표로 한다. 2011년 처음 제안되었으나, 플래그십 프로그램 선정에는 실패했다. 2023-2032년 행성 과학 10개년 조사에서 해왕성 오디세이 대신 우선순위로 권고되었으며, 궤도선과 대기 탐사정을 함께 운용하는 방안이 제시되었다. 궤도선은 다양한 과학 장비를 탑재하고, 대기 탐사정은 대기 구조 및 조성을 연구할 예정이다. 발사체로는 스페이스 런치 시스템(SLS)이 고려되고 있으며, NASA, JPL, 보잉 등이 이 임무의 개발에 참여하고 있다.

2. 역사와 제작 배경

보이저 2호는 1986년 1월 24일 천왕성계를 통과하며 현재까지 유일하게 천왕성을 방문한 행성 탐사선이다. 이후 외계 행성 연구가 활발해지면서 태양계 내의 얼음 거대 행성인 천왕성과 해왕성에 대한 관심이 높아졌다. 이들 행성은 우주에서 흔한 유형의 외계 행성으로 밝혀져, 태양계 내 얼음 거대 행성에 대한 추가 연구의 필요성이 제기되었다.

천왕성 탐사 임무는 2011년 NASA에 처음 제안되어 행성 과학 10개년 조사 (Planetary Science Decadal Survey) 2013–2022 보고서에 연구 주제로 포함되었다. 이 조사는 화성 2020 로버와 유로파 클리퍼 다음의 최우선 플래그십급 임무로 얼음 거대 행성 궤도선 임무를 권고했다. 이에 따라 천왕성 궤도선 및 탐사정 개념이 플래그십 프로그램에 제안되었으나, 마스 2020이나 유로파 랜더 등 다른 후보 임무들에 밀려 선정되지 못했다. 이후 같은 개념이 뉴 프론티어 계획에도 제안되었으나 최종적으로 취소되었다.

2017년, 다음 10개년 조사(2023–2032)를 준비하는 위원회는 20개의 초기 임무 개념을 검토하여 천왕성 관련 3가지 시나리오와 해왕성 관련 1가지 시나리오로 압축했다. 과학계 일부에서는 해왕성과 그 위성 트리톤(포획된 카이퍼 벨트 천체이자 해양 세계일 가능성이 높음)이 천왕성의 위성(아리엘과 미란다 등 잠재적 해양 세계 포함)보다 천체 생물학적으로 더 흥미로운 목표일 수 있다는 의견도 있었다. 해왕성 임무가 플래그십으로 선정될 경우를 대비해 뉴 프론티어 프로그램 수준의 천왕성 궤도선 임무 개념 연구도 진행되었다. 그럼에도 불구하고, 발사체 가용성, 발사 시기, 비용 및 물류 문제 등을 종합적으로 고려한 결과, 2023–2032 행성 과학 10개년 조사는 해왕성 오디세이 대신 천왕성 궤도선 및 탐사정을 최고 우선순위의 플래그십 임무로 권고했다.

이 결정에 따라 천왕성 궤도선 및 탐사정은 마스 2020, 유로파 클리퍼에 이어 세 번째 우선순위 플래그십 미션으로 자리매김했다. 이 임무는 목성에서 임무를 수행한 갈릴레오와 토성에서 임무를 수행한 카시니의 뒤를 잇는 플래그십급 궤도선 탐사가 될 것으로 기대된다. 발사체로는 스페이스 런치 시스템이 제안되었다.

천왕성까지의 항해에는 화학 추진 방식이 가능하지만, 우주선의 탑재량을 늘리기 위해 태양 전력 추진 (NEXT 이온 슬러스터) 방식도 대안으로 고려되었다. 위원회는 임무 개념을 다음 세 가지로 좁혀 검토했다.

이 임무에 포함될 수 있는 대기 탐사정은 천왕성 대기 깊숙이 하강하여 구름 구성 분자의 수직 분포, 열 구조, 깊이에 따른 풍속 변화 등을 직접 측정하는 것을 목표로 한다. 탐사정의 예상 질량은 30kg이며, 직경은 약 0.5m이다.

한편, 뉴 프론티어 계획의 권고에 따라 천왕성 궤도선을 개발하는 별도의 연구도 진행된 바 있다.

3. 과학적 목표

보이저 2호는 1986년 천왕성계를 스쳐 지나간 이후, 이 얼음 거대 행성을 근접 탐사한 유일한 우주선이다. 최근 외계 행성 연구에서 얼음 거대 행성과 유사한 행성이 흔하게 발견되면서, 태양계 내의 얼음 거대 행성인 천왕성과 해왕성에 대한 심층 연구의 필요성이 커졌다. 이에 따라 2011-2022 행성 과학 10개년 조사에서는 화성 2020 로버와 유로파 클리퍼 다음으로 중요한 플래그십급 임무로 얼음 거대 행성 궤도선 임무를 권고했다.

천왕성과 해왕성 모두 과학적으로 매력적인 탐사 목표이지만, 발사체 가용성, 비행 기간, 비용 등 현실적인 요소를 고려하여 천왕성 궤도선 및 대기 탐사정이 우선적으로 선정되었다. 일부에서는 해왕성의 위성인 트리톤이 포획된 카이퍼 벨트 천체이자 해양 세계일 가능성이 높아 천체 생물학적 관점에서 더 흥미로운 목표라는 의견도 있었지만, 최종적으로는 천왕성 탐사가 결정되었다.

천왕성 궤도선 및 탐사정 임무는 목성의 갈릴레오 임무와 토성의 카시니 임무의 뒤를 잇는 중요한 플래그십 임무로 평가받는다. 이 임무의 핵심 목표는 천왕성 행성 자체의 기원과 내부 구조, 대기 현상부터 시작하여 복잡한 자기권, 그리고 여러 위성들과 고리 시스템에 이르기까지, 천왕성 시스템 전반에 걸쳐 남아있는 다양한 과학적 의문점들을 해결하는 것이다. 구체적인 연구 주제는 아래 하위 섹션에서 자세히 다룬다.

미국 항공 우주국(NASA)의 평가 결과, 천왕성 궤도선 및 탐사정은 마스 2020과 유로파 클리퍼에 이어 세 번째 우선순위를 가지는 플래그십 임무로 확정되었다.

3.1. 기원, 내부 구조 및 대기

천왕성 궤도선과 대기 탐사정은 천왕성 시스템의 다양한 측면을 탐구하며 여러 과학적 질문에 대한 해답을 찾을 것으로 기대된다. 주요 연구 목표는 다음과 같다.

* 대기: 얼음 거성인 천왕성 내부에서 열권까지 이어지는 대기 순환의 작동 원리를 규명하고, 기상 현상이 나타나는 층의 3차원적인 대기 구조를 파악한다.
* 기원과 진화: 천왕성이 언제, 어디서, 어떻게 형성되었는지 밝히고, 행성 이동을 포함한 열적, 공간적 진화 과정을 추적한다. 또한, 천왕성 특유의 거의 누운 듯한 역 자전축 기울기가 어떻게 형성되었는지 그 원인을 탐구한다.
* 내부 구조: 천왕성의 전체적인 구성 성분과 깊이에 따라 성분이 어떻게 달라지는지 조사한다. 천왕성 내부에 뚜렷한 경계를 가진 층이 존재하는지, 혹은 물질이 희석된 형태의 핵을 가지고 있는지 확인하고, 이러한 내부 구조가 천왕성의 형성과 자전축 기울기와 어떤 관련이 있는지 연구한다.
* 자전과 날씨: 천왕성의 실제 자전 속도를 정확히 측정하고, 행성 전체가 균일하게 자전하는지 혹은 차등 자전을 하는지 확인한다. 더불어 표면에서 관측되는 빠른 바람이 대기 어느 깊이까지 영향을 미치는지 측정한다.

3.2. 자기권

천왕성 궤도선과 대기 탐사정은 천왕성 자기권과 관련된 다음과 같은 핵심 질문들을 탐구할 예정이다.

* 어떤 다이나모 과정이 천왕성의 복잡한 자기장을 생성하는지 규명한다.
* 천왕성 자기권의 플라스마 기원과 역학을 밝히고, 이것이 태양풍, 천왕성 대기 상층부, 그리고 위성 표면과 어떻게 상호작용하는지 연구한다.

3.3. 위성 및 고리

천왕성 궤도선 및 탐사정 임무는 천왕성의 위성과 고리에 대한 다음의 핵심 과학 질문들에 답하는 것을 목표로 한다.

* 천왕성의 거대 위성들의 내부 구조와 암석 대 얼음 비율은 무엇이며, 어떤 위성이 상당한 내부 열원이나 해양을 가지고 있는가? 특히 아리엘과 미란다는 해양 세계일 가능성이 있는 위성으로 주목된다.
* 천왕성의 위성들의 조성과 특성은 이들의 형성과 진화 과정을 어떻게 제약하는가?
* 위성 표면은 어떤 지질학적 역사와 과정을 기록하고 있으며, 이는 외태양계 충돌체 집단에 대해 무엇을 알려주는가? 또한 표면은 어떤 외인성 상호 작용의 증거를 보여주는가?
* 천왕성 고리와 내부의 작은 위성들의 조성, 기원, 역사는 무엇이며, 어떤 과정이 현재의 형태로 만들었는가?

4. 임무 상세 정보

이 임무의 대기 탐사정은 깊이에 따른 구름 형성 분자, 열 성층화, 풍속의 수직 분포 등을 연구하는 것을 목표로 한다. 2010년 초기 임무 설계에서는 갈릴레오 대기 탐사선 질량의 절반 이하인 127kg의 탐사선을 구상했다. 이후의 설계 연구에서는 질량 30kg, 직경 약 0.5m인 두 번째 탐사선을 추가하면 과학적 결과를 크게 향상시킬 수 있다는 제안이 나왔다.

평가 결과, 천왕성 궤도선 및 탐사정은 마스 2020, 유로파 클리퍼에 이어 세 번째 우선순위를 가지는 플래그십 미션으로 선정되었다. 발사체로는 보잉에서 개발한 스페이스 런치 시스템이 제안되었다.

천왕성까지 화학 추진을 이용한 항해도 가능하지만, 우주선의 질량을 더 늘릴 수 있다는 장점 때문에 태양 전력 추진 방식(NEXT 이온 슬러스터)도 임무 전반에 걸쳐 고려되었다. 위원회는 미션 개념을 다음 세 가지로 좁혀 검토했다.

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📌 열 고정 해제

	플라이바이 및 대기 탐사정	궤도선 및 대기 탐사정	궤도선만
| 내부 구조, 조성 || 내부 구조, 조성, 위성, 자기권 || 내부 구조, 조성, 위성, 자기권
| 3개 (50kg) || 3개 (50kg) || 15개 (50kg)
| 화학 추진 및 태양 전력 추진 || 화학 추진 || 화학 추진
| 10년 || 15년 || 15년
| 플라이바이 || 3년 || 3년
| 4 MMRTG 425 W || 4 MMRTG 376 W|| 5 MMRTG 470 W

또한, 뉴 프론티어 계획에서도 천왕성을 목표로 하는 궤도선 개발 연구가 권고된 바 있다.

4.1. 궤도선 탑재 장비

탐사선은 질량, 전력 및 비용 제한 내에서 입증될 경우 추가 기기를 탑재할 수 있으며, 기본 개념에서 다음과 같은 기기를 탑재할 것으로 제안된다.

4.2. 대기 탐사정 탑재 장비

대기 탐사정은 기본 개념의 일부로 4개의 과학 장비를 탑재할 것으로 제안되었다.

5. 발사

2020년대 SLS을 이용한 발사가 계획되었다. 이 미션은 평가 결과 마스 2020, 유로파 클리퍼에 이어 세 번째 우선순위를 가진 플래그십 미션으로 선정되었다. 발사체로는 보잉에서 개발한 스페이스 런치 시스템(SLS)이 제안되었다.

천왕성까지 항해하는 데 화학 추진 방식이 가능하지만, 태양 전력 추진 방식(NEXT 이온 슬러스터)도 고려되었다. 태양 전력 추진은 우주선의 전체 질량을 늘릴 수 있다는 장점이 있어 미션 설계의 한 가지 선택지로 검토되었다.

6. 지원, 개발, 투자

천왕성 궤도선 및 탐사정 프로젝트는 NASA와 제트추진연구소가 중심이 되어 추진될 가능성이 있으며, 보잉과 같은 항공우주 기업의 기술 지원이나 개발 참여가 이루어질 수 있다.