행성 보호

3. COSPAR 권고 및 범주

(COSPAR)는 2년마다 회의를 개최하며, 행성 간 오염을 방지하기 위한 권고안을 개발한다. 이 권고안은 외우주조약 제9조를 법적 근거로 한다.^[14]

COSPAR의 권고안은 우주 임무의 유형과 탐사 대상 천체에 따라 달라지며,^[15] 임무를 다음과 같이 5개 그룹으로 분류한다.

범주 IV 임무의 경우 특정 수준의 ''생물 부하''가 허용된다. 일반적으로 임무당 10,000분의 1 미만의 전방 오염 확률로 표현되지만,^[34][29] 화성 범주 IV 임무의 경우 표면적당 ''바실러스'' 포자 수로 요건이 변경되었다.^[16][19]

범주 IV는 또한 궤적 조정, 클린룸 사용, 생물 부하 감소, 하드웨어 부분 멸균, 생물 차폐, 전체 우주선 멸균 등 더 광범위한 문서화 및 절차가 필요하다.^[16]

제한 있음 범주 V 임무의 경우, 현재 권고안은 멸균되지 않은 샘플은 격리되지 않고 반환되어서는 안 된다는 것이다.^[20] 멸균은 샘플의 과학적 가치를 파괴하기 때문에 격리 및 검역 절차가 제안되며, 자세한 내용은 해당 섹션에서 다룬다. 범주 V 임무는 목표 천체를 전방 오염으로부터 보호하기 위해 범주 IV의 요건도 충족해야 한다.

3. 1. 화성 특별 지역

4. 대상 범주

COSPAR(국제우주과학위원회)는 탐사 대상 천체를 그 특성에 따라 분류하고, 필요한 행성 보호 조치를 결정한다.^[21][22]

일부 천체는 쉽게 분류되지만, 다른 천체들은 향후 발견과 연구를 기다리는 동안 COSPAR에 의해 잠정적인 범주에 할당된다.

2009년 외행성 위성 및 소형 태양계 천체에 대한 행성 보호에 관한 COSPAR 워크숍에서 이 내용을 자세히 다루었다. 이러한 평가의 대부분은 해당 보고서를 바탕으로 하며, 향후 일부 개선이 있을 것이다. 이 워크숍에서는 일부 범주에 대한 보다 정확한 정의를 제시하기도 했다.^[21][22]

"화학 진화 과정이나 생명의 기원을 이해하는 데 직접적인 도움이 되지 않는다."^[23]

• 이오, 태양, 수성, 미분화 변성 소행성

5. 콜먼-세이건 방정식

현행 규정은 미생물 수를 충분히 낮춰 화성을 비롯한 다른 천체들의 오염 확률을 허용 가능한 수준으로 유지하는 것을 목표로 한다. 오염 확률을 아예 0으로 만드는 것은 아니다.

임무당 오염 확률을 1만 분의 1 미만으로 유지하는 것이 목표인데,^[34] 이 수치는 우주선의 미생물 수, 목표 천체에서의 성장 확률, 그리고 여러 생체 부하 감소 계수를 곱해서 계산한다. 이때 사용되는 방법이 콜먼-세이건 방정식이다.^[28]

:$P\_c\; =\; N\_0\; R\; P\_S\; P\_t\; P\_R\; P\_g$.

각 변수의 의미는 다음과 같다.

• $N\_0$: 초기 우주선의 미생물 수
• $R$: 발사 전후 우주선의 상태에 따른 감소율
• $P\_S$: 우주선의 미생물이 행성 표면에 도달할 확률
• $P\_t$: 우주선이 행성에 충돌할 확률 (착륙선의 경우 1)
• $P\_R$: 지상에서 환경에 미생물이 방출될 확률 (일반적으로 충돌 착륙의 경우 1)
• $P\_g$: 성장 확률 (액체 상태의 물이 있는 곳에서는 1로 설정)

5. 1. 비판

• 자연 오염 기준: 지구에서 온 운석에 의한 오염 가능성보다 더 높은 오염 가능성을 가져서는 안 된다는 기준이다.^[32][33]
• 이진 의사 결정 트리: 우주 연구 위원회 산하 '외태양계 얼음 천체에 대한 행성 보호 표준 위원회'에서 선호하는 방법이다.^[34] 이 방법은 7단계에 걸쳐 임무 진행 여부에 대한 최종 결정을 내린다.^[35]

6. 제한 있음 범주 V 샘플 반환에 대한 격리 및 검역

제한된 범주 V 임무의 경우, 지구를 보호하기 위해 샘플과 우주비행사는 생물안전등급 4 시설에서 격리될 것이다.^[36] 화성 샘플 반환 임무는 화성 표면에 접촉한 캡슐의 어떤 부분도 지구 환경에 노출되지 않도록 설계될 것이다. 한 가지 방법은 우주 진공 상태에서 지구에서 온 더 큰 외부 용기에 샘플 용기를 넣는 것이다. 모든 밀봉의 무결성은 필수적이며, 지구로 귀환하는 동안 미소 운석 손상 가능성을 확인하기 위해 시스템을 모니터링해야 한다.^{[37][38][39][40]}

ESF 보고서는 다음과 같이 권고한다.^[20]

제한된 범주 V 샘플 반환은 아직 수행된 적이 없다. 아폴로 계획 당시에는 외계 노출 법(Extra-Terrestrial Exposure Law)을 통해 샘플 반환이 규제되었으나, 1991년에 폐지되어 새로운 규정 제정이 필요하다. 아폴로 시대의 격리 절차는 당시 외계 생명체가 포함될 가능성이 희박하다고 여겨졌던 샘플의 지구 귀환을 시도한 유일한 사례로서 주목할 만하다.

샘플과 우주비행사는 달 샘플 분석 연구소(Lunar Receiving Laboratory)에서 격리되었다.^[41] 사용된 방법은 현대 기준으로 볼 때 격리에 부적절하다고 여겨진다.^[42] 또한 달 샘플 분석 연구소는 아폴로 11호 귀환 임무 중 수륙 양용기 착수와 시설 자체에서 두 차례의 실패 지점이 발생하여 샘플 반환에 달 물질이 포함되지 않았기 때문에 자체 설계 기준에 따라 실패로 판단될 것이다.

그러나 달 샘플 분석 연구소는 시작부터 완료까지 2년 만에 신속하게 건설되었으며, 이 기간은 현재 부적절하다고 여겨진다. 이를 통해 얻은 교훈은 화성 샘플 반환 수신 시설 설계에 도움이 될 수 있다.^[43]

미국 국립 연구위원회^[44]와 유럽 우주 재단^[45]은 제안된 화성 샘플 반환 시설 및 반환 임무에 대한 설계 기준을 개발했다. 그들은 생물 위험 4등급 격리를 기반으로 할 수 있지만, 알려지지 않은 미생물(가능성이 있는 가장 작은 지구 미생물인 초미세균(ultramicrobacteria)보다 작거나 같은 크기의 미생물)을 포함하기 위한 더 엄격한 요구 사항이 필요하다는 결론을 내렸다. ESF 연구는 또한 가능하다면 더 작은 유전자 전달 인자(gene transfer agent)를 포함하도록 설계해야 한다고 권장했는데, 이는 공통의 진화적 조상을 가지고 있다면 화성 미생물에서 지구 미생물로 DNA를 전달할 가능성이 있기 때문이다. 또한 샘플에 사용될 민감한 생명체 탐지 테스트를 혼란스럽게 할 수 있는 지구 오염으로부터 샘플을 보호하기 위해 클린룸 시설로서의 이중 기능을 수행해야 한다.

샘플 반환 전에 새로운 격리법이 필요하다. 환경 영향 평가도 필요하며, 아폴로 시대에는 존재하지 않았던 다양한 다른 국내 및 국제법을 협상해야 한다.^[46]

7. 오염 제거 절차

우주선 임무의 탈오염 절차는 미국 연방 표준 100등급 클린룸에서 조립하는 것으로 시작된다. 이는 1입방피트당 0.5μm 이상 크기의 입자가 100개 미만인 방을 의미한다. 엔지니어들은 눈만 노출된 클린룸 정장을 착용하며, 부품은 가능한 한 조립 전에 개별적으로 멸균하고, 조립 중에는 알코올 솜으로 표면을 자주 청소한다.

고초균 포자는 포자 생성 능력과 극한 조건에 대한 내성으로 인해 행성 보호에서 순방향 오염의 중요한 지표 종으로 사용된다.^[47][48][49]

IVa 범주 임무(화성 생명체 탐색 X)는 화성 환경으로 유입될 수 있는 모든 표면의 생물 부하를 30만 개의 박테리아 포자로 줄이는 것이 목표이다. 열에 강한 구성 요소는 114°C로 열 멸균하고, 민감한 전자 장치는 고효율 필터로 밀봉 및 환기하여 미생물 유입을 막는다.

화성 특별 지역으로 가는 IVc 범주와 같은 민감한 임무는 바이킹 착륙선 수준의 높은 멸균이 필요하다.

미생물학에서는 많은 미생물이 아직 연구되지 않아 생존 미생물이 없음을 증명하기 어렵다. 대신, 미생물 수를 10배씩 줄이는 과정을 반복하여 멸균하며, 충분히 반복하면 미생물이 남을 가능성은 매우 낮아진다.

두 바이킹 화성 착륙선은 예비 청소 후 112°C에서 30시간 동안 열처리하여 멸균했다. 그러나 현대 재료는 이러한 온도를 견디기 어려워 새로운 멸균 방법이 필요하다.

평가 중이거나 승인된 멸균 방법은 다음과 같다.

• 기체상 과산화수소: 효과적이지만 일부 재료에 영향을 줄 수 있다. NASA/ESA 사양이 승인되었으나 아직 공식 발표되지 않았다.^[50]
• 에틸렌 옥사이드: 의료 산업에서 널리 사용되며, 과산화수소와 호환되지 않는 재료에 사용 가능하다. 엑소마스 임무에 고려되고 있다.
• 감마선과 전자빔: 의료 산업에서 널리 사용되어 멸균 방법으로 제안되었으나, 우주선 재료와의 호환성 검토가 필요하다.

• 초임계 이산화탄소 눈 (화성): 유기 화합물 흔적에 효과적이다.
• 자외선 수동 멸균 (화성).^[51]
• 입자 플럭스 수동 멸균 (유로파).

7. 1. 생물 부하 검출 및 평가

7. 2. 과제

7. 3. 새로운 방법

• 아데노신삼인산(ATP) 검출: 세포 대사의 핵심 요소로, 배양 불가능한 미생물도 검출할 수 있다. 하지만 비활성 생물학적 물질에 의해서도 유발될 수 있어 "위양성" 결과를 나타낼 수 있다.
• 지질다당류(LPS) 검출을 위한 농병아리혈구용해물(Limulus Amebocyte Lysate) 분석: 이 화합물은 그람 음성균에만 존재한다. 표준 분석법은 주로 그람 양성균의 포자를 분석하므로, 두 가지 방법의 결과를 연관짓기 어렵다.

8. 충돌 방지

궤도 임무(III등급)와 착륙선은 충돌로 인한 전방 오염을 방지하기 위해 궤적 편향 기술을 사용한다. 우주선 궤적은 통신이 두절될 경우 목표물을 놓치도록 설계된다. 궤도 임무는 화성 도착 후 최소 20년 동안 궤도에 머물러야 하며(99% 확률), 50년 동안 95% 확률로 궤도에 머물러야 한다.^[62] 바이킹 시대(1970년대)에는 모든 궤도 임무에 대해 화성 탐사 기간 동안 충돌 확률이 0.003% 미만이어야 한다는 요구 사항이 있었다.^[63]

8. 1. 충돌 방지 관련 문제

9. 논쟁

현행 행성 보호 규정은 화성 등 다른 천체가 지구 미생물에 의해 오염될 확률을 허용 가능한 수준으로 낮추는 것을 목표로 한다. 오염 확률을 0으로 만드는 것은 불가능하지만, 임무당 1만 분의 1 이하의 오염 확률을 유지하는 것을 목표로 한다.^[34]

이 목표는 콜먼-세이건 방정식을 통해 계산된다.^[28]

:$P\_c\; =\; N\_0\; R\; P\_S\; P\_t\; P\_R\; P\_g$.

각 변수는 다음과 같다.

• $N\_0$: 초기 우주선의 미생물 수
• $R$: 발사 전후 우주선 조건에 따른 감소율
• $P\_S$: 우주선 미생물이 행성 표면에 도달할 확률
• $P\_t$: 우주선이 행성에 충돌할 확률 (착륙선은 1)
• $P\_R$: 지상에서 환경에 미생물이 방출될 확률 (충돌 착륙은 1)
• $P\_g$: 성장 확률 (액체 상태 물이 있는 곳은 1)

9. 1. 운석 이동 주장

9. 2. 미국 국립 연구위원회(NRC) 반박

9. 3. 화성 행성 보호 종료 제안

9. 4. 범주 V 격리 조치 비판

10. 정책 제안

2010년 국제우주과학위원회(COSPAR) 워크숍에서는 비생물학적 오염으로부터 지역을 보호하기 위한 문제들을 검토하고, 우주 및 천체의 비생물 관련 측면 보호를 위한 지침을 제공하는 정책을 추가할 것을 권고했다.^[79][80]

미래의 과학적 조사와 윤리적 이유로 태양계의 특정 지역을 원형 그대로 보존하기 위해 '행성 공원' 개념이 제안되었다.^[81]

크리스토퍼 맥케이는 화성에 대한 이해가 더 높아질 때까지 탐사는 생물학적으로 가역적이어야 한다고 주장했다.^[82][83] 예를 들어 화성에 유입된 모든 미생물이 휴면 상태로 남아 있다면, 미래에 제거하여 화성을 지구 생명체의 오염으로부터 완전히 자유롭게 할 수 있다. 2010년 워크숍에서는 행성에 유입된 휴면 미생물의 최대 생존 가능 기간까지 오염 방지를 연장해야 한다는 제안이 나왔다.^[80]

유로파의 경우, 현재 탐사 기간 동안 오염을 방지하는 것만으로는 충분하지 않다는 의견이 있었다. 2000년 유로파를 조사한 태스크포스에서는 유로파는 과학적으로 중요하기 때문에 인류는 미래 세대가 연구할 수 있도록 원형을 보존할 의무가 있다는 다수 의견이 있었다.^[84]

클라우디우스 그로스(Claudius Gros)는 스타샷(Breakthrough Starshot) 프로젝트 기술을 이용하여 일시적으로만 거주 가능한 외계 행성에 단세포 생물의 생물권을 확립할 수 있다고 주장했다.^[87] 이는 행성 보호를 외계 행성으로 확대해야 하는지에 대한 논의를 촉발시켰다.^[88][89][90]

10. 1. 비생물학적 오염

10. 2. 제안된 확장

10. 3. 태양계 외부 천체 보호

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