피닉스 (우주선)

1. 개요

피닉스(Phoenix)는 미국 항공우주국(NASA)의 마스 스카우트 프로그램의 일환으로, 2008년 화성 북극 지역의 지질학적, 생물학적 역사를 탐사하기 위해 발사된 무인 탐사선이다. 2003년 애리조나 대학교가 제안하여 선정되었으며, 2007년 델타 II 로켓에 실려 발사되어 2008년 화성 그린 밸리에 성공적으로 착륙했다. 주요 임무 목표는 물의 지질학적 역사를 연구하고 생명체 존재 가능성을 확인하는 것이었으며, 로봇 팔, 카메라, 현미경, 열 및 발생 기체 분석 장치 등 다양한 과학 장비를 탑재했다. 피닉스는 화성에서 물 얼음의 존재를 확인하고 토양 성분 분석을 통해 과거 생명체 존재 가능성을 시사하는 등 과학적 성과를 거두었으며, 일조량 부족으로 2008년 11월 활동이 중단되었다.

2. 역사

미국 항공우주국(NASA)은 2003년 8월 애리조나 대학교가 제안한 피닉스 계획을 2007년 마스 스카우트 프로그램의 첫 탐사 계획으로 선정하였다. 이 계획은 다른 연구 기관들과의 치열한 경쟁 끝에 선정되었으며, NASA는 이 계획을 위해 애리조나 대학교에 325의 자금을 지원했다. 이는 당시 애리조나 대학교가 받은 연구비 중 가장 큰 규모였다.

이 계획의 주 연구원은 애리조나 대학교의 피터 스미스 박사가 선정되었다. 피닉스라는 이름은 신화 속 새 불사조에서 유래되었는데, 이는 이전 탐사 계획에서 사용된 우주선을 재활용한다는 의미를 담고 있다. 실제로 피닉스 착륙선은 2000년에 계획이 중단된 '마스 서베이어 2001' 착륙선을 록히드 마틴사가 개량한 것이다. 이 착륙선은 2001년부터 보관되어 왔으며, 이전에 극지역에 착륙했던 탐사선에 탑재된 장비와 유사한 장비들이 피닉스에도 탑재되었다.

2005년 6월 2일, NASA는 피닉스 프로젝트의 계획 및 초기 설계 검토 후 프로젝트 진행을 승인하였다.

3. 미션 목표

피닉스 미션은 두 가지 주요 목표를 가지고 있었다. 첫째는 물의 지질학적 역사를 연구하여 기후 변화의 비밀을 밝히는 것이었다. 둘째는 얼음과 흙이 섞인 환경에서 생명체의 흔적을 찾는 것이었다. 피닉스는 화성의 극지방에서 데이터를 수집하여 지구로 전송하는 최초의 탐사선으로, 미 항공우주국의 화성 탐사 주요 전략인 "물을 따라가라"에 기여했다. 이를 위해 피닉스는 다음과 같은 과학 장비를 탑재했다.

4. 발사 및 착륙

피닉스는 2007년 8월 4일 케이프 커내버럴 공군기지 내 17-A 발사대에서 미국 동부표준시 오전 5시 26분 34초(협정 세계시 09:26:34) 델타 7925 로켓에 실려 발사되었다. 발사 과정상 결함은 공식적으로 없었으며, 피닉스는 예정된 탄도 궤도에 정확하게 안착하였다. 따라서 2007년 8월 10일 동부표준시 오전 7시 30분에 있었던 탄도궤도보정 점화는 초당 18미터 수준에 불과했다. 발사는 발사 창(launch window) 연장 기간인 2007년 8월 3일부터 8월 24일 사이에 이루어졌다. 돈 탐사선은 발사가능시간대가 짧아 (원래 발사 예정일은 2007년 7월 7일이었음) 피닉스 발사 이후인 9월에 발사되었다. 피닉스는 2003년 스피릿, 오퍼튜니티와 1996년 마스 패스파인더를 발사한 델타 7925 로켓에 실려 올라갔다.

델타 II 7925 로켓에서 방출된 배기 가스로 야광운이 생겨났는데, 이는 피닉스 마스 랜더의 로고에 쓰인 붉은색과 푸른색을 연상하게 했다.

제트 추진 연구소는 2008년 5월 25일 피닉스가 화성 대기로 강하하여 착륙한 후 1분 뒤까지의 과정을 관찰하기 위해 화성 주위를 도는 세 개의 인공위성 궤도를 보정했다. 여기서 얻은 정보는 이후 다른 착륙선 설계에 참고가 될 것으로 기대된다.

피닉스는 2007년 8월 4일 오전 5시 26분 34초 EDT (09시 26분 34초 UTC)에 케이프 커내버럴 공군 기지의 제17-A 발사대에서 델타 II 7925 발사체에 실려 발사되었다. 발사는 특별한 이상 없이 정상적으로 진행되었다. 피닉스 착륙선은 매우 정확한 궤도에 진입하여, 2007년 8월 10일 오전 7시 30분 EDT (11시 30분 UTC)에 수행된 첫 번째 궤도 수정 연소는 단 18m/s에 불과했다. 발사는 2007년 8월 3일부터 2007년 8월 24일까지의 발사 창 동안 이루어졌다. 좁은 발사 창 때문에, 원래 7월 7일에 계획되었던 돈 임무의 재발사는 피닉스 이후인 9월에 이루어져야 했다. 델타 II 로켓은 2003년의 스피릿과 오퍼튜니티 화성 탐사 로버 및 1996년의 마스 패스파인더 발사를 포함한 성공적인 발사 이력으로 인해 선택되었다.

피닉스 발사에 사용된 델타 II 7925 로켓의 배기가스에 의해 야광운이 생성되었다.

제트 추진 연구소는 화성 주변의 두 개의 활성 위성인 화성 정찰 궤도선과 화성 오디세이의 궤도를 조정했으며, 유럽 우주국도 2008년 5월 25일에 대기 진입과 표면 착륙 시 피닉스를 관측하기 위해 화성 익스프레스 우주선의 궤도를 조정했다. 이 정보는 미래의 착륙선을 개선하는 데 도움이 된다. 예상 착륙 구역은 100by의 타원형으로, 비공식적으로 "그린 밸리"라고 불리는 지형을 덮고 있으며, 극지방을 제외하고 가장 큰 농도의 얼음이 있다.

피닉스는 거의 21000km/h의 속도로 화성 대기권에 진입했으며, 7분 이내에 속도를 8km/h까지 줄인 후 표면에 착륙했다. 대기 진입 확인은 PDT 오후 4시 46분 (23:46 UTC)에 수신되었다. PDT 오후 4시 53분 44초에 수신된 전파 신호는 피닉스가 어려운 하강에서 생존하여 15분 전에 착륙했음을 확인했으며, 지구에서 6억 8천만 km (4억 2천 2백만 마일)의 비행을 완료했다.

알 수 없는 이유로 낙하산이 예상보다 약 7초 늦게 전개되어 예측된 99% 착륙 타원의 가장자리 근처인 동쪽 약 25km에서 28km 지점에 착륙했다.
화성 정찰 궤도선의 고해상도 이미징 과학 실험 (HiRISE) 카메라는 화성 대기권을 통과하여 하강하는 동안 낙하산에 매달린 피닉스를 촬영했다. 이는 한 우주선이 다른 우주선의 행성 착륙 장면을 촬영한 최초의 사례였다. (달은 행성이 아닌 위성). 같은 카메라는 착륙선과 두 개의 태양 전지판을 구별할 수 있을 정도로 해상도가 높은 화성 표면의 피닉스도 촬영했다. 지상 관제 센터는 오디세이와 화성 정찰 궤도선에서 얻은 도플러 추적 데이터를 사용하여 착륙선의 정확한 위치를 확인했다.

피닉스는 2008년 5월 25일 바스토스 보레알리스의 그린 밸리에 착륙했다. 화성 북반구의 늦봄 (L_s=76.73)에 태양이 하루 종일 태양 전지판을 비췄다. 화성 북반구 하지 (2008년 6월 25일)까지 태양은 최대 고도 47.0도에 나타났다. 피닉스는 2008년 9월 초에 첫 번째 일몰을 경험했다.

착륙은 평평한 표면에서 이루어졌으며, 착륙선은 0.3도의 기울기만 보고했다. 착륙 직전, 우주선은 동서 축을 따라 태양 전지판을 정렬하여 전력 생산을 최대화하기 위해 추력기를 사용했다. 착륙선은 먼지가 가라앉도록 하기 위해 태양 전지판을 열기 전에 15분 동안 대기했다. 착륙선에서 첫 번째 이미지가 PDT 오후 7시경 (2008-05-26 02:00 UTC)에 공개되었다. 이 이미지들은 약 5m 너비와 10cm 높이의 다각형으로, 조약돌이 흩어져 있고 작은 골이 새겨진 표면을 보여주며, 예상대로 큰 바위와 언덕은 없었다.

5. 탐사 결과

피닉스는 착륙 직후부터 로봇 팔과 카메라 등을 이용해 활발한 탐사 활동을 수행했다. 로봇 팔은 탐사선 기지에서 2.35m 뻗어 나와 표면 아래 0.5m까지 파낼 수 있었고, 채취한 흙과 얼음 샘플은 다른 기기로 분석되었다. 로봇 팔 카메라는 주변 지역의 컬러 사진을 촬영하고, 샘플 채취 과정을 기록했다. 표면 스테레오 이미저(SSI)는 탐사선의 주 카메라로, 화성 북극의 스테레오 이미지를 촬영하고 대기 왜곡을 측정하는 데 사용되었다.

탐사 결과, 물 얼음의 존재가 확인되었고, 과거 해당 지역이 더 습하고 따뜻한 기후였음을 보여주는 증거들이 발견되었다. 화성 토양에서는 탄산 칼슘이 발견되었는데, 이는 과거 물의 존재 가능성을 시사한다. 또한, 토양의 화학 분석 결과 pH는 약 7.7로 중간 정도의 알칼리성을 띠었고, 적당한 수준의 염분이 검출되었다. 검출된 원소는 염화물, 중탄산염, 마그네슘, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 황산염 등이다.

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2008년 6월 1일, 피닉스는 역분사로 표토가 날아가 노출된 얼음으로 보이는 것을 발견했다고 발표했다. 6월 15일에는 로봇 팔로 지표면을 팠던 흔적에서 흰 덩어리가 발견되었는데, 며칠 후 사라져 물의 얼음으로 확인되었다.

; 과염소산염
피닉스 탐사에서 주목할 만한 발견 중 하나는 과염소산염(ClO₄)의 존재였다. 2008년 8월, NASA는 화성 토양에 과염소산염이 포함되어 있어 생명체 존재에 불리할 수 있다는 예비 결과를 발표했다. 과염소산염은 강력한 산화제로, 로켓 연료나 미래 임무를 위한 산소 공급원으로 사용될 수 있다. 또한 물과 혼합되면 어는점을 낮춰 현재 화성 표면에 액체 상태의 물이 존재할 가능성을 제시한다.

2008년 11월 10일, 일조량 부족으로 인한 전력 저하로 피닉스는 활동을 중단했다. 마지막 통신은 11월 2일에 이루어졌으며, 당초 예상했던 3개월을 넘어 5개월 이상 활동했다. 2010년, NASA는 피닉스와의 교신 재개 시도를 중단한다고 공식 발표했다. 화성 정찰 궤도선의 이미지에 따르면 태양 전지판은 화성 겨울 동안 얼어붙어 복구 불가능하게 손상된 것으로 보인다.

5.1. 대한민국과의 관계

피닉스 탐사 계획은 대한민국의 우주 개발과 직접적인 관련은 없다. 하지만, 피닉스 탐사를 통해 얻은 화성에 대한 과학적 지식은 대한민국의 미래 화성 탐사 계획 수립에 참고 자료로 활용될 수 있다. 특히, 과염소산염 발견과 같이 생명체 존재 가능성과 관련된 연구 결과는 대한민국 과학자들에게도 중요한 연구 주제가 될 수 있다.

6. 과학적 성과 및 의의

피닉스는 화성 북극 지역에서 물의 존재를 직접 확인하고, 토양 성분을 분석하여 과거 화성에 생명체가 존재했을 가능성을 시사하는 중요한 증거들을 발견했다.

피닉스 탐사의 주요 목표는 두 가지였다. 첫째는 물의 지질학적 역사를 연구하여 기후 변화의 비밀을 밝히는 것이었고, 둘째는 얼음과 흙이 섞인 환경에서 생명체의 흔적을 찾는 것이었다. 이를 위해 피닉스는 화성 북반구 바스티타스 보레알리스의 그린 밸리에 착륙했다.

피닉스에는 여러 과학 장비가 탑재되었는데, 그중 [[열 및 진화 가스 분석기]](TEGA)는 고온 가열로와 질량 분석기를 결합한 장치로, 화성 토양 샘플을 가열하여 생성된 증기의 조성을 분석했다. TEGA의 분석 결과, 토양은 약 7.7의 pH를 갖는 중간 정도의 알칼리성이며, 염분 수준은 적당한 것으로 나타났다. 또한 염화물, 중탄산염, 마그네슘, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 황산염 등의 원소가 검출되었다.

[[현미경, 전기화학 및 전도도 분석기]](MECA)는 습식 화학 실험 장치(WCL), 광학 현미경, 원자간력 현미경, 열 및 전기 전도도 탐침으로 구성되었다. WCL은 토양을 물에 녹여 여러 이온의 양, pH, 전도도, 산화 환원 전위 등을 조사했다.

특히, MECA의 분석을 통해 토양에서 [[과염소산염]](ClO₄)이 검출되었다. 과염소산염은 강력한 산화제로, 로켓 연료나 미래 임무를 위한 산소 공급원으로 사용될 수 있다. 또한 물과 혼합되면 물의 어는점을 낮춰 오늘날 화성 표면에 소량의 액체 물이 형성되도록 할 수 있다. 그러나 과염소산염은 생명체에 유해할 수 있다는 연구 결과도 있다.

피닉스의 탐사 결과는 화성에 한때 물이 존재했으며, 생명체가 존재했을 가능성을 시사하는 중요한 증거들을 제공했다. 이는 화성의 지질학적, 기후학적 역사를 이해하는 데 중요한 기여를 했으며, 미래 화성 탐사 계획 수립에 중요한 정보를 제공했다.

7. 갤러리

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