이 글은 연재의 두 번째 글이다. 1부는 여기에서 읽을 수 있다.

“수학과 궤도라는 관점에서, 그리고 특정한 기술을 전제하면 화성에 가는 방법은 그리 다양하지 않다. 이미 거의 다 파악되어 있다. 소수점 이하를 조금 조정할 수는 있지만, 기본적으로 화학 로켓으로 간다면 화성에 가는 방법은 정해져 있다.” - 존 에런^[1]

하늘에 외로운 조부모처럼 매달려 누군가 찾아오기만을 기다리는 달과 달리, 화성은 제 궤도 안에서 나름 바쁜 삶을 살며 떠돌이 우주비행사를 언제든 맞아줄 만큼 한가하지 않다. 두 행성 사이를 이동할 수 있는 짧은 창은 26개월마다 단 한 번 열리며, 이 궤도 역학의 제약은 너무나 근본적이어서 린드버그가 대서양을 횡단하던 때부터 화성 임무가 어떤 모습이어야 하는지는 이미 알려져 있었다.^[2]

화학 로켓을 쓸 경우 선택할 수 있는 임무 유형은 단 두 가지뿐이다. (여기서 제시하는 기간은 달라질 수 있지만 대표적인 수치다.)

• 장기 체류: 화성까지 비행에 6개월, 화성에 17개월 체류, 귀환 비행에 6개월(약 1000일 총합). 이를 흔히 합(conjunction)급 임무라 부른다. 이 방식은 단순한 왕복 궤도 대신 화성에서의 긴 체류 기간을 택한다.
• 단기 체류: 화성까지 비행에 6개월, 화성에 30~90일 체류, 귀환 비행에 400일(약 650일 총합). 이를 충(opposition)급 임무라고도 한다. 이 방식은 짧은 화성 체류 기간 대신 태양계 안쪽을 통과하는 길고 솔직히 말해 끔찍한 귀환 여정을 감수한다.

각 방식의 장단점을 비교하기 전에, 두 방식이 공유하는 점을 강조할 필요가 있다. 두 경우 모두 길다. 우주 비행 절대 기록(438일)의 두 배가 넘고, 재보급 없이 우주에 머문 최장 기록(128일)의 다섯 배이며, 인류가 지구 저궤도를 벗어나 누적한 체류 시간(82일)의 열 배에 가깝다.^[3] 1960년대에 화성에 갈 수 있는 로켓이 처음 등장한 이래 우리가 화성에 가지 못한 이유는 어떤 기술적 장애물보다도 바로 이 불편한 기간 때문이다.^[4]

그리고 이 기간은 행성들의 상대 운동에 의해 결정되므로 기술로 쉽게 극복할 수 없다. 더 빠른 로켓을 만들 수는 있지만, 화성 자체를 더 빨리 움직이지 않는 한 비행 시간을 줄이는 만큼 체류 기간이 늘어나는 식의 교환이 될 뿐이다. 왕복 기간을 500일 이하로 줄이려면 추진 방식이나 궤도상 재급유에서 근본적인 돌파구가 필요하다.^[5]

기간이 다른 단기 체류 임무(왼쪽)와 장기 체류 임무(오른쪽 주황선)의 필요 속도 증분(delta-v) 비교. 500일 부근에서 급격한 증가에 주목하라. 출처.

이게 나쁜 소식이다. 좋은 소식은 이런 제약이 너무나 강력해서 특정한 우주선이나 임무 설계를 정하지 않고도 화성에 가는 것에 대해 많은 것을 말할 수 있다는 점이다. 바다에 사는 동물이 대체로 청력이 좋고 유선형의 몸을 가질 가능성이 높은 것처럼, 문제의 본질만으로도 화성행 우주선에 반드시 해당되는 특성들이 있다.

I. 탈출도 구조도 없다

화성 여행은 지금까지 인류의 우주 비행에서 전례가 없는 방식으로 확약적일 것이다. 달 착륙은 승무원이 언제든 빨간 버튼을 눌러 신속히 지구로 귀환할 수 있도록 설계되었고, 중단이 불가능한 짧은 시간 동안 엔지니어들은 연쇄적으로 담배를 피우고 계산자를 씹으며 보냈다.^[6]

하지만 화성으로 향하는 승무원은 발사 후 며칠 안에 재보급이나 구조의 희망 없이 수년을 우주에서 보내기로 확정하게 된다. 문제가 생기더라도 임무를 완수하는 것 외의 유일한 대안은 발사 약 2년 후에 지구로 돌아오는 길고 큰 루프 궤도로 이탈하는 것이다.^[7] 그리고 화성에 발이 묶이면 우주비행사들은 초기 남극 탐험대와 비슷한 처지가 된다. 무전으로 교신은 할 수 있지만, 자연의 바꿀 수 없는 주기 때문에 구조선이 올 때까지 수개월 혹은 수년을 기다려야 한다.

장기 체류 화성 임무의 여러 시점에서 50일, 70일, 90일 안에 지구로 귀환하는 데 필요한 속도 증분(delta-v, km/초). 10km/초 이상은 현재 기술 수준에서 현실적이지 않다. 출처

이런 중단 불가 조건의 효과는 화성 임무 설계를 극도로 위험 회피적으로 만든다는 것이다. 화성에 가는 것을 감독이 한 번에 끝까지 찍어야 하는 예술 영화에 비유할 수 있다. 개별 장면이 특별히 어렵지 않더라도, 멈추거나 재촬영할 방법 없이 모든 것이 차례로 성공해야 한다는 요구 때문에 사소한 위험도 누적되면 감당할 수 없게 된다.

이 효과를 감 잡기 위해 30개월짜리 화성 비행이라는 단순 모델을 생각해 보자. 매달 우주선의 핵심 시스템이 고장 날 확률이 3%이고, 한 번 고장이 나면 우주선은 성능 저하 상태에 들어가 매달 후속 고장으로 승무원이 사망할 확률이 5%라고 하자.

이 모델에서 승무원이 무사히 귀환할 확률은 68%로 계산된다. 하지만 6개월 안에 귀환할 수 있는 중단 옵션을 추가하면 그 확률은 85%로 뛴다. 그리고 3개월짜리 중단 궤적이 있으면 무사 귀환 확률은 92%까지 올라간다.

이 수치는 가정치이지만, 중단 옵션이 없다는 것이 안전에 얼마나 큰 영향을 미치는지 보여준다.^[8]

이런 필연적인 위험 회피는 모든 화성 계획에 긴장을 불러일으킨다. 1조 달러를 들여 승무원을 보내놓고 우주선 안에 웅크리고만 있게 할 거면 뭐 하러 보내는가? 그런데도 밖에 나가는 것이 화성에서 할 수 있는 가장 위험한 일 중 하나이므로 초기 임무에서는 이를 최소화해야 한다. 화성의 첫 방문자들은 가능한 한 가장 안전한 곳에 착륙해 거의 아무것도 하지 않아야 할 것이다.

위험은 다음 문제인 신뢰성과 밀접하게 연결되어 있다.

II. 신뢰성

인류가 만든 것 중 화성행 우주선에 가장 가까운 것은 국제우주정거장이다. 하지만 ISS 엔지니어들이 자신들의 창조물에 대해 입에 올리는 첫마디가 ‘신뢰성’이지는 않다. 입에 담을 만한 첫마디조차 아니다. 20년간의 노력에도 불구하고 정거장의 장비는 끊임없이 고장 나고 지구에서 올라오는 교체 부품의 흐름에 의존한다.^[9]

2023년 ISS에서 지구로 반환하기 위해 포장된 결함 있는 열교환기

화성에 가려면 현상보다 한 차원 높은 신뢰성 향상이 필요하다. 우주선의 시스템은 고장 없이 작동해야 하고, 적어도 승무원이 수리할 수 있는 방식으로 고장 나야 한다. 화학 물질 누출이나 화재 같은 비상사태가 발생하면 승무원은 남은 선체에서 수년을 버텨야 한다. 그리고 지구 저궤도에서는 웃픈 일화로 끝났을 고장(예컨대 우주왕복선 화장실을 막은 소변 고드름)이 화성행 승무원에게는 치명적일 수 있다.

문제를 더 복잡하게 만드는 것은 전통적인 신뢰성 공학 기법이 생명 유지 분야에서는 통하지 않는다는 점이다. 생명 유지에서는 모든 것이 승무원의 몸을 통해 종종 서로 연결되어 있다. 생명 유지 공학은 로켓을 만드는 일보다 해수 어항을 유지하는 일에 훨씬 가깝다. 원인과 결과를 분리하기 쉽지 않고, 전체 시스템은 시간에 따라 진화하며, 무관해야 할 하위 시스템 사이에는 ‘유령 같은 원격 작용’이 많다.^[10] 실제로 생명 유지 장치의 고장은 우주선을 떠돌다 가장 대체 불가능한 부분을 골라 고장 내는 경향이 있다.

우주선을 예비 부품으로 가득 채워 때우는 것도 불가능하다. 한 부품을 망가뜨리는 동일한 시스템적 상호작용이 교체품도 모조리 갉아먹을 수 있다. 복잡한 설계는 고장률이 독립적인 격리된 하위 시스템으로 나눌 수 있다는 신뢰성 공학의 근본 공리는 재생형 생명 유지 장치에서는 성립하지 않는다.

생명 유지를 검증하기 위해 길고 비싼 시험 비행이 필요하다는 점은 설계 단계에서 또 다른 종류의 위험 회피를 낳는다. 시제품을 수년간 우주에서 비행시켜야 하므로, 생명 유지 설계가 간신히 쓸 만한 수준에 도달한 시점에서 동결하라는 압력이 생기고, 이후 아무리 혁신이 있어도 우주선에는 반영되지 않는다.

이는 우주왕복선을 괴롭혔던 역학과 유사하다. 획기적인 초기 설계가 너무 비싸서 수정할 수 없게 되자 기반 기술이 30년간 시제품 단계에 얼어붙었다. 그 기간 동안 우리는 더 나은 우주비행기를 만드는 법을 배우지 못한 채 첫 번째로 작동한 시제품을 땜질하는 데 수십 년과 수십억 달러를 태웠다.

이런 소심함은 최근 몇 년간 SpaceX가 눈부시게 성공한 개발 전략, 즉 “자주 날리고 모든 것을 시도한다”는 접근법과 정면으로 배치된다. 쓸 하드웨어가 충분한 SpaceX는 Starship 로켓 시험 사이에 전면적인 변경을 마다하지 않으며, 빠른 반복으로 기술 수준을 신나는 속도로 끌어올린다.

하지만 이런 요세미티 샘식 시험법은 화성에서는 통하지 않는다. Starship 발사 후에는 엔지니어들이 필요한 데이터를 모으는 데 몇 시간이면 충분하지만, 화성행 시스템의 시험 운행은 수년이 걸린다. 필연적인 결과는 NASA를 쏙 빼닮은 개발 프로그램이 된다. 길게 이어지는 고심과 분석, 그리고 드물고 끔찍하게 비싼 시험 비행이 번갈아 나타나는 것이다.

III. 자율성

자율성은 NASA에게는 낯선 개념이다. NASA는 최초의 머큐리 우주비행사가 소변을 보기 위해 관제사의 허락을 구해야 했을 때(그 요청은 보고 체계를 따라 베르너 폰 브라운까지 올라갔다)부터 지금까지 우주비행사를 지상에서 일일이 관리해 왔다.

지금까지도 임무는 승무원이 수개월 혹은 수년 전에 준비된 상세 체크리스트에 따라 일하는 시험 비행사 패러다임을 따른다. 우주정거장에서는 이것이 노트북 화면에서 빨간 세로선을 지나 서서히 움직이는 그래픽 일정표 형태로 나타나며, 우주비행사는 움직이는 색깔 박스에 맞춰 일해야 한다. 정거장에서의 대부분의 일상 업무(물 펌핑이나 폐열 관리 같은)는 지상의 전문 팀에 맡겨져 승무원의 눈에조차 보이지 않는다.

프리덤 7호에 탑승한 앨런 셰퍼드, 정말 화장실이 급하다고 설명하는 중.

하지만 화성행 우주선이 지구에서 멀어질수록 지상 관제와의 왕복 통신 지연은 최대 43분까지 늘어나고, 태양이 두 행성 사이에 정확히 들어서는 시기에는 일주일 이상 통신이 두절된다. 이 물리적 제약 때문에 승무원은 지상의 도움 없이 우주선의 모든 시스템을 완전히 통제할 수 있어야 한다.

자율성이라니 좋은 말처럼 들린다! 누가 정부가 고용한 탁상행정가들이 우주비행사들의 우주 시간을 어떻게 쓰는지 결정하게 하고 싶겠는가? 하지만 지상 주도 패러다임에도 장점이 있는데, 특히 업무 부담을 제한한다는 점이다. ISS는 수백 명의 직원이 함께 하루에 약 5만 개의 명령을 정거장으로 보내는 방식으로 운영된다. 탑승한 7명의 우주비행사는 최후의 수단으로만 투입되며, 그럼에도 시간적 요구가 너무 커서 정거장은 과학 임무 수행에 어려움을 겪어 왔다.^[11]

NASA가 뒤에서 운전하는 방식의 한 가지 이점은 비상시에 승무원이 지구의 무제한적인 실시간 전문가 도움을 받을 수 있다는 점이었다. 가장 극적인 사례는 아폴로 13호에서 서비스 모듈의 산소 탱크가 비행 56시간 만에 폭발했을 때였다. 승무원과 관제사가 상황을 파악하는 데 거의 한 시간이 걸렸고, 그때 지구로 돌아갈 능력을 보존하는 방식으로 우주선의 전원을 차단할 수 있는 시간은 얼마 남지 않았다.

그 첫 한 시간의 교신 기록은 승무원과 지상이 무슨 일이 일어나고 있는지 파악하고 대응의 우선순위를 정하는 것이 얼마나 어려웠는지 보여준다. 아폴로 13호 승무원을 깎아내리는 것이 아니지만, 그들이 화성 같은 통신 지연을 겪었다면 살아남지 못했을 것이라고 말해도 무방하다.

그리고 이 임무가 지상 관제사가 아폴로 승무원을 지원한 가장 유명한 사례이긴 하지만, 아폴로 계획에서는 지상의 적시 도움이 심각한 문제를 막은 경우가 적어도 다섯 번 더 있었다.

• 아폴로 12호는 발사 직후 벼락을 두 번 맞고 전기 시스템이 뒤엉키며 사령선에 경고등이 가득 켜졌다. 관제사 존 에런은 당황스러운 오류 패턴을 알아보고, 승무원의 디스플레이를 정상으로 되돌린 전설적인 한마디, 즉 잘 알려지지 않은 스위치를 뒤집으라는 지시를 전달했다.
• 아폴로 14호에서는 달 착륙선의 하강 레이더가 제대로 고정되지 않아 엉뚱한 거리 데이터를 반환했다. 지상 관제(조종사에게 차단기를 리셋하라고 한)의 적시 호출이 없었다면 문제는 착륙 포기로 이어졌을 가능성이 크다.
• 아폴로 15호에서는 승무원이 심각해질 수 있는 누수를 막기 위해 애썼다. 15분 후 지상의 엔지니어들은 발사 전 염소 소독 밸브 사고에서 문제를 추적해냈고 해결책이 담긴 절차를 올려보냈다.
• 역시 아폴로 15호에서 스위치 안에 떠다니던 작은 금속 파편이 간헐적으로 달 착륙선 엔진에 중단 신호를 보냈다. 달 착륙선이 안전하게 하강할 수 있도록 그 신호를 억제하려면 현대 소프트웨어 개발자라면 머리가 쭈뼛 설 정도로 위험한 방식으로 탑재 컴퓨터를 재프로그래밍해야 했다.
• 아폴로 16호에서는 서비스 모듈의 서보 모터 한 쌍이 달 궤도에서 고장 났다. 임무 규칙상 중단해야 했지만, 사령선 조종사와의 쌍방향 디버깅 끝에 지상 관제사는 착륙을 강행해도 안전하다고 판단한 우회 방법을 찾아냈다.

이런 사건들이 두드러지긴 하지만, 아폴로 교신 기록은 승무원과 지상이 긴밀히 협력해 문제를 해결한 셀 수 없이 많은 다른 사례를 보여준다. 이런 실시간 도움의 상실은 화성으로 가는 우주비행사들에게 진짜 위험 증폭 요인이다.

IV. 분석

ISS가 지구에 의존하는 또 다른 방식은 정기적으로 채취해 귀환 캡슐마다 내려보내는 공기와 물 시료의 실험실 분석이다. 정거장 자체에서 수행할 수 있는 검사는 기초적이어서 미생물이나 오염 물질의 존재를 알릴 수는 있지만 근본 원인을 추적하는 데 필요한 세부 정보를 제공하지는 못한다.

화성에서는 이런 분석 능력이 우주선 안으로 들어가야 한다. 본질적으로 이는 일종의 우주판 테라노스를 만드는 것을 의미한다. 즉, 수리나 보정 없이 우주에서 생화학 분석을 수행할 수 있는 자동화된 블랙박스다. 그런 장비는 지구 어디에도 존재하지 않지만, 화성 임무에는 두 가지 버전이 필요하다. 하나는 무중력용, 다른 하나는 화성 중력용이다.^[12]

이 블랙박스는 화성 계획에 자주 등장하는 하드웨어 범주에 속한다. 즉, 지구에 존재한다면 수십억 달러짜리 산업이 될 기술이지만 화성행 우주선에 탑재할 때가 되면 쉽게 발명할 수 있을 것으로 가정되는 기술이다.^[13]

일부 화성 지지자들은 이런 기술들을 화성에 가면 인류에게 돌아올 혜택의 예로 들기까지 한다. 하지만 이는 완전히 전도된 것이다. 지구에서 어려운 문제는 우주로 쏘아 올린다고 쉬워지지 않으며, 존재하지 않는 기술이 화성의 핵심 경로에 있다는 사실은 화성에 가야 할 논거가 되지 못한다.

V. 자동화

승무원 중 일부가 활동 불능이고 지구와의 통신이 두절된 상태에서도 승무원이 우주선을 다룰 수 있어야 한다는 요구 때문에 ISS 규모의 업무량을 2~3명의 우주비행사가 운영할 수 있는 수준으로 자동화해야 한다.

600만 달러짜리 NASA 인공지능 챗봇 CIMON과 상호작용하는 우주비행사 알렉산더 게르스트(오른쪽)

자동화는 곧 소프트웨어이며, 그것도 엄청난 양이다. 화성행 우주선의 시스템을 자동화하는 일은 여객기의 자동조종장치를 확장해 공항 매점, 수하물 찾는 곳, 항공사 연금 제도까지 운영하게 하려는 것과 같은 기념비적인 작업이 될 것이다. 그 결과는 ISS처럼 서로 다른 수준으로 검증된 소프트웨어가 수백 개의 프로세서에 걸쳐 뒤섞인 잡탕이 될 가능성이 크다. 하지만 이 하드웨어는 ISS의 시스템보다 훨씬 가혹한 방사선 환경에 노출되므로 소프트웨어 설계와 통합이 특히 까다롭다.

자동화 문제의 특수한 사례는 장기 체류 임무에서 승무원이 화성 표면에 있는 1년 반 동안 궤도선이 곰팡이나 균류, 우주 너구리로부터 스스로를 깨끗하게 유지해야 할 때 발생한다. 별장을 가진 사람이라면 누구나 알겠지만, 화성 문헌에서 ‘휴면(quiescence)’이라 불리는 이 문제는 지구에서도 이미 해결하기 어렵다.

세심하게 관리하지 않으면 자동화와 복잡성, 신뢰성 사이의 상호작용은 병적인 나선에 빠질 수 있다. 시스템에 소프트웨어를 추가하면 더 복잡해진다. 신뢰성을 유지하려면 복잡한 시스템은 개별 부품이 고장 나도 전체가 계속 기능하도록 우아하게 성능이 저하되어야 한다. 하지만 이런 저하 모드와 그 사이의 예상치 못한 상호작용은 그 자체로 복잡성을 더하고, 이는 다시 소프트웨어로 관리해야 하며, 이런 식으로 계속된다.

결론적으로 자동화는 실제로 화성에 가기 전에 전체 기간 모의 임무를 수행해야 하는 별개의 이유를 하나 더 만든다. 이토록 복잡한 시스템에는 첫 화성행 승무원이 발견하도록 남겨둘 수 없을 만큼 너무 많은 버그가 있을 것이다.

시사점

내가 개괄한 자율성, 신뢰성, 자동화에 대한 극단적인 요구는 심우주 탐사선 설계자들에게는 이미 익숙한 이야기다. 태양계는 발사 수십 년이 지나도 고요히 신호를 보내며 작동하는 하드웨어로 가득하며, 가장 극적인 예는 46년 된 보이저 탐사선이다.

하지만 아무도 심우주 탐사선에 큰 영장류 한 상자를 붙여 그들을 살아 있고 행복하게 유지하면서 NASA가 그들을 죽으라고 드넓은 빈 공간으로 보냈다고 트윗하지 않게 하는 시도를 해본 적은 없다. 화성행 우주선은 인류가 만든 가장 복잡한 인공물이 될 것이며, 이전의 어떤 우주 탐사선보다 약 100배 크고, 그 안에는 소프트웨어와 하드웨어, 박테리아, 곰팡이, 우주비행사, 그리고 (임무의 절반 동안은) 승무원이 우주선으로 다시 가지고 들어오는 온갖 물질이 긴밀하게 결합된 시스템이 들어 있을 것이다.

그런 기계를 설계한다는 것은 인간 능력의 한계에 있는 것(행성간 탐사선 만들기)과 지구에서도 아직 할 수 없는 것(재생형 생명 유지 장치로 6~8명의 인간을 수년간 살려두기)을 결합하는 것을 의미한다.^[14]

내 주장은 이것을 하는 것이 불가능하다는 것이 아니라, 빨리 할 수 없다는 것이다. 화성을 준비하는 과정은 반복적이고 끝이 열려 있으며, 매번 시험할 때마다 수년의 시간과 우주 예산 대부분을 잡아먹는 일이 될 것이다. 이는 아르테미스나 ISS 이전의 경우와 마찬가지다. 화성 프로그램의 첫 10년은 지난 40년간의 우주 비행과 구분할 수 없을 것이다. 반복되는 장기 궤도 임무의 연속일 뿐이다. NASA가 바꿔야 할 것은 프로그램 이름뿐이다.

이는 억만장자 취미 활동가에게 위임할 수 있는 문제도 아니다. 로켓에 누구 로고가 붙든 생명 유지는 어차피 지난한 일이 될 것이다. 하늘이 Starship으로 가득 찬다 해도 우리는 여전히 이 몇 년짜리 어디로도 가지 않는 임무에서 하드웨어와 소프트웨어의 종합 시험을 해야 하는 처지에 갇혀 있을 것이다.

우리 생애에 화성을 탐사하는 유일한 방법은 사람이 기계를 따라가야 한다는 요구를 버리는 것이다.

임무 형태 고르기

하지만 우리가 화성에 가기로 결심했고 두 가지 형태 중 하나를 골라야 한다면 어느 쪽이 더 나을까?

탐사를 위해서는 장기 체류 형태만이 말이 된다는 데는 모두가 동의한다. 이동 시간의 95%를 비행에 쓰고 목적지에서 서둘러 2주를 보내는 것은 의미가 없다.

하지만 승무원을 무사히 귀환시키는 것이 목표인 초기 임무에서는 선택이 까다롭다.

장기 체류

장기 체류 형태의 장점은 단순함에 있다. 로켓을 타고 화성까지 날아가 행성들이 정렬될 때까지 17개월을 기다린 뒤 같은 궤도로 귀환하면 된다. 이 전이 여정의 각 구간은 ISS 파견 기간 정도이며, 더 많은 연료를 태워 전이 시간을 조정하는 것도 가능하다(다만 그 경우 승무원은 그만큼 화성에 더 오래 머물러야 한다).

임무의 모든 시점에서 우주선은 태양으로부터 1AU와 1.5AU 사이에 머문다. 이는 열 설계와 태양 전지판 설계를 단순화하고 태양 폭풍으로부터 승무원에 대한 위험을 크게 줄인다.

하지만 그 긴 화성 체류 기간을 어떻게 보낼 것인가 하는 문제는 까다롭다. 500일은 밤문화와 대기가 있는 곳에서도 첫 체류로는 긴 시간이다. 그리고 뒤에서 보겠지만 궤도 임무는 아마도 불가능할 것이다. 첫 방문에 승무원이 화성에서 살아야 한다는 요구는 위험 수준을 엄청나게 높인다.

단기 체류

단기 체류 형태의 매력은 이름 그대로다. 화성에 너무 오래 머물러 세금 신고까지 해야 하는 대신, 첫 도착자들은 깃발을 꽂고 사다리에서 가장 가까운 돌을 집어 들고는 서둘러 빠져나올 수 있다. 혹은 착륙을 건너뛰고 첫 비행을 엄격히 궤도 비행으로 만들어, 불가능한 일을 한꺼번에가 아니라 차례로 시도한다는 항공우주 공학의 전통을 따를 수도 있다.

하지만 단기 체류 형태의 문제는 그 귀환 여정에 있다. 귀환 궤적은 금성 궤도 안쪽 깊숙이 들어가 우주선 설계를 복잡하게 만들고 근일점 부근의 몇 주 동안 승무원이 죽을 수 있는 화려한 방법을 추가한다. 그 여정의 대부분 동안 우주선은 태양의 반대편에 있어 지구와의 통신을 방해하고 승무원에게는 태양 폭풍에 대한 사전 경고도 주지 못한다.

그리고 그 승무원은 심우주에서 연속으로 2년을 보내야 하므로 방사선과 미세중력이라는 우주비행사 건강에 대한 가장 큰 알려진 위험에 대한 노출이 극대화된다.

단기 체류 형태는 또한 더 많은 추진제를 필요로 하며, 어떤 해에는 감당할 수 없을 정도다. 화성에서의 위험을 완화하기 위한 전략으로 매 회합 주기마다 승무원을 발사해 언제나 잠재적 구조자가 화성으로 향하도록 하려면 이는 문제가 된다.

미래 발사일에 따른 단기 체류와 장기 체류 임무의 필요 속도 증분(delta-v) 비교. 추진제 요구량은 delta-v에 지수적으로 증가하므로 2041년의 임무는 2033년의 임무보다 5배 많은 추진제가 필요하다. 출처

궤도에 머무를까, 착륙할까?

형태를 정했다면 내려야 할 또 다른 결정은 우주선을 착륙시킬지 여부다.

당연히 어느 시점에서는 승무원을 착륙시켜야 한다. 그렇지 않으면 다른 나라 우주 프로그램들이 비웃을 것이고 의회 청문회에서 날카로운 질타가 쏟아질 것이다.

하지만 화성까지 가는 것이 일련의 무관한 문제들(도착, 진입, 착륙, 표면 활동, 상승, 랑데부)을 차례로 해결해야 하는 일인 만큼, 첫 임무를 궤도 비행으로 만들어 문제를 절반으로 나누는 논거가 있다. 이는 작동하는 달 착륙선이 존재하기 전에 첫 승무원을 달 궤도 주변으로 보냈던 아폴로 계획이 취한 접근법이었다.

첫 임무에 착륙선을 싣지 않아도 된다는 것은 예비 부품과 소모품을 위한 공간이 더 많아져 승무원의 안전 마진이 개선된다는 뜻이다. 또한 엔지니어들에게 진입과 착륙, 휴면, 상승이라는 어려운 문제를 해결할 시간을 벌어 전체 프로그램이 지연되는 것을 막는다.

하지만 궤도 임무에 반대하는 강력한 논거도 있다. 화성에 가는 위험 중 많은 부분이 단순히 시간의 함수라면 왜 필요 이상으로 주사위를 굴려야 하는가? 그리고 비용과 승무원에 대한 신체적 부담을 고려할 때 착륙을 시도하지 않는 것을 어떻게 정당화할 수 있는가? 차를 몰고 디즈니랜드까지 가서 주차장에서 차를 돌려 이제 내년의 진짜 여행을 준비하자고 가족에게 선언하는 모습을 상상해 보라. 뒷좌석에서는 화난 발길질이 이어지고 반란이 일어날 것이다.

NASA는 수년간 어느 쪽을 선택할지 고민해 왔다. 2009년 설계 기준 아키텍처에서는 4명의 승무원을 장기 체류 궤적으로 보내자는 쪽을 선호했다. 보다 최근 계획에서는 4명의 승무원 중 2명이 착륙을 시도하는 단기 체류 형태의 초긴축 임무를 구상하고 있다.

일론 머스크는 이 문제를 단계적으로 해결하자고 제안했다. 자원자들을 먼저 화성에 정착시킨 뒤 나중에 어떻게 귀환시킬지 고민하자는 것이다.^[15]

선택을 진정으로 어렵게 만드는 것은 두 가지 핵심 질문에 대한 답이 없다는 점이다.

1. 인체는 부분 중력에 어떻게 반응하는가?

수십 년간의 우주 생활로 우리는 장기간 무중력 상태가 우주비행사에 어떤 영향을 미치고 지구 귀환 후 어떻게 회복되는지에 대해 잘 알게 되었다. 하지만 달(0.16g)이나 화성(0.38g)에서의 부분 중력에서 무슨 일이 일어나는지는 전혀 모른다. 특히 우리가 무중력에서 관찰하는 퇴화 과정이 화성 중력에서 멈추거나 늦춰지는지 알지 못한다.^[16]

이 질문에 대한 답은 핵심 결정을 좌우할 것이다. 즉, 우주선을 회전시킬지 여부다. 뒤에서 보겠지만 인공 중력을 만들기 위해 우주선을 회전시키는 것은 엄청나게 번거로운 일이지만, 그것이 피할 수 있는지 여부는 부분 중력의 연구되지 않은 효과에 달려 있다.^[17]

2. 은하 우주선(GCR)의 중이온 성분이 승무원에게 미치는 위험은 어느 정도인가?

우주 방사선은 여러 종류가 있으며, 대부분은 지구에서의 유사 사례를 통해 잘 이해되어 있다.

그러나 저선량 중이온 방사선은 다르다. 지구에서는 입자 가속기 밖에서는 존재하지 않으며, 저궤도에서는 자기권과 지구 본체가 자유 우주에서 경험할 플럭스의 대부분을 차단하므로 연구하기 어렵다.

중이온 방사선은 조직의 방사선 손상에 대한 표준 모델로는 포착되지 않는 생물학적 효과를 갖는다. 특히 비표적 효과(NTE)라 불리는 현상군이 방사선 궤적에서 멀리 떨어진 세포까지 손상시키는 것으로 알려져 있다. 이는 마치 이웃이 차에 치였는데 내가 입원하는 것과 같은 기묘한 효과다. NTE가 세포 내 후성유전학적 신호 체계를 교란한다고 여겨지지만 현상은 제대로 이해되지 않고 있다.

저선량 중이온 방사선의 효과에 대한 불확실성은 방사선 위험에 대한 우리의 최선의 추정을 최소 두 배 이상 넓힌다.^[18] 범위의 하한에서는 이런 효과가 단순한 호기심에 불과하고 화성 임무는 전통적인 방사선 노출 모델을 이용해 계획할 수 있다. 상한에서는 장기 궤도 임무가 생존 불가능할 수도 있으며, 화성 표면의 우주비행사들은 동굴에서 살거나 거주지를 수 미터 두께의 흙으로 덮어야 할 것이다.

1년간 은하 우주선 노출 후 종양 발생 예측. 아래 실선은 표준 방사선 모델(TE)을 보여준다. 점선은 서로 다른 가정 하의 비표적 효과(NTE)의 영향을 보여준다. 차폐되지 않은 경우 예측된 종양 발생률의 거의 3배에 달하는 불확실성에 주목하라. 출처

이런 생물학적 효과에 대한 불확실성은 방사선을 화성행 승무원이 직면한 가장 큰 미규명 기지 위험으로 만들며, 임무 설계의 모든 측면에 영향을 미친다.

화성에 가는 세 가지 주요 위험 요소를 하나의 큰 표로 합쳐보면 도움이 된다.

이 표들의 회색 영역은 화성에 어떻게 갈지 결정하기 전에 메워야 할 지식 공백을 나타낸다.

이 예비 의학 연구가 얼마나 오래 걸릴지는 아무도 모르지만, 총 임무 시간의 몇 배는 되어야 할 것이다. 특히 부분 중력을 연구하는 것은 까다롭다. 달(화성 중력의 42%)에서 수행하고 그 결과가 화성에도 적용되기를 바라거나, 우주에서 회전 구조물을 만들어 더 정밀한 시험을 수행해야 한다.

방사선 효과를 연구한다는 것은 자기권 밖에서 동물을 몇 년간 비행시킨 뒤 종양을 관찰하는 것을 의미하며, (방사선 소식이 정말 나쁘지 않다면) 이 역시 시간이 좀 걸릴 것이다.

소프트웨어 공학에는 “야크 털 깎기(yak shaving)”라는 유용한 개념이 있다. 프로젝트를 시작하려면 먼저 도구를 준비해야 하는데, 종종 프로그래밍 환경을 재설정해야 하고, 그러려면 소프트웨어를 업데이트해야 하며, 그러려면 오랫동안 쓰지 않은 비밀번호를 찾아야 하고, 어느새 육각 렌치를 들고 책상 아래에 들어가 있는 자신을 발견하게 된다. (TV 쇼 말콤네 좀 말려줘에는 집수리 맥락에서 야크 털 깎기를 아름답게 보여주는 장면이 있다.)

화성에 가려 할 때도 같은 현상이 우리를 괴롭힌다. 로켓과 돈만 충분하면 탐험가가 우주선에 올라타 떠날 수 있을 것 같지만, 언제나 필수 전제 조건의 사슬이 있다. 우리는 우주선 옆면에 목적지: 화성!이라고 칠해 놓고는 10년 뒤에도 여전히 지구 저궤도에서 쥐를 원심분리하고 있는 자신을 발견한다. 참담한 일이다.

“그냥 만들면 된다”고 말하며 이런 연구와 시험을 모두 소심하고 불필요한 것으로 치부하고 싶은 유혹이 든다. 하지만 이는 화성에서 가장 큰 위험 요소, 즉 완전성을 위해 여기에 포함하는 요소를 무시하는 것이 된다.

화성 여행은 너무나 어려워서 알려진 위험을 무시할 여유가 없다. 우리가 아직 걱정해야 할지도 모르는 것들을 위해 위험 예산에 가능한 한 많은 여유를 남겨둬야 한다.

이 모든 글에서 나의 목표는 소중한 꿈을 꺾는 것이 아니라, 화성 착륙에 전념한다는 것이 무엇을 의미하는지에 대해 사람들이 보다 현실적인 관점을 갖도록 하고, 특히 화성에 가는 것을 기회비용의 관점에서 생각하도록 하는 것이다.

최근 몇 년간 우주 탐사에는 현저한 분열이 있었다. 한쪽에는 큐리오시티, 제임스 웹, 가이아, 유클리드처럼 날마다 새로운 발견을 내놓는 임무들이 있다. 이들 프로젝트는 명확한 목표를 가지고 있으며 formidable한 발견 실적을 가지고 있다.

다른 한쪽에는 국제우주정거장과 이제 20년째 이어진 미국인의 달 귀환 노력이 있다. 이들 프로젝트는 우주에 인간의 존재를 유지한다는 것 외에는 목적이 없으며, 국가 우주 예산의 절반을 성과 없이 소진한다. 화성은커녕 우리는 오늘날 1965년보다 달 착륙에서 더 멀어져 있다.

화성에 가는 데 있어 우리는 이 장부의 어느 쪽에 설지 선택해야 한다. 자동화와 소프트웨어의 지속적인 혁명을 활용해 생명체가 존재할 가능성이 가장 높은 곳에 점점 더 유능한 임무를 보내며 로봇으로 화성을 적극 탐사할 수 있다.

혹은 지난 40년간 해온 트레드밀 위에 그대로 머물며, 가장 안전한 화성 땅에 인간을 착륙시킬 역량을 천천히 구축할 수 있다. 그곳에서 그들은 명판과 깃발을 남기고 올 것이다. 하지만 두 가지를 동시에 할 수는 없다.

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각주

[1] 인용은 2000년 에런과의 구술 역사에서 가져왔다.

[2] 초기 사례로는 1928년 Scientific American 기사 “Can we go to Mars?”를 보라. 추진 수단에 대해서는 이해할 만하게 모호하지만, NASA의 2009년 설계 기준 아키텍처와 크게 다르지 않은 합급 궤도 임무를 묘사한다.

[3] 437일 기록은 1995년에 착륙한 우주 비행에서 발레리 폴랴코프가 세웠다. 국제우주정거장은 2002년 11월 25일부터 2003년 4월 2일까지 재보급 없이 운영되었다. 아홉 차례의 아폴로 임무가 지구 저궤도를 벗어났으며, 그중 가장 길었던 아폴로 17호는 12.4일간 지속되었다.

[4] 새턴 V는 화성 플라이바이 궤도에 약 20톤을 발사할 수 있었다. NASA는 1967년 그런 임무(새턴 V 4회 발사가 필요)에 대한 예비 계획을 수립했다.

[5] 1987년 샐리 라이드가 이끈 팀은 아마도 화성에 가는 가장 좋은 방법인 ‘분리/질주(split/sprint)’ 임무 아키텍처를 제안했다. 이 아키텍처에서는 느리게 움직이는 탱커선이 화성 궤도에 극저온 추진제 저장소를 미리 배치하고, 다음 회합 주기에 인간 임무(“질주” 부분)가 화성에 잠시 착륙한 뒤 궤도의 저장소에서 재급유하고 400일 안에 귀환한다. 그런 임무에는 약 15회의 대형 발사와 두 가지 존재하지 않는 기술, 즉 우주에서 액체 수소의 장기 저장과 우주에서 우주선 간 액체 수소 펌핑 능력이 필요하다. (흥미롭게도 이 두 기술은 모두 Blue Origin의 달 착륙선 계획의 일부다.)

화성에 빨리 가는 또 다른 방법은 핵 열 로켓을 쓰는 것이다. 핵 열 로켓은 한쪽 끝으로 뜨거운 수소를 분사하는 원자로일 뿐이다. 핵 열 로켓 설계는 화학 로켓보다 약 두 배 효율적이어서 더 높은 delta-V 요구량을 가진 임무 비행이 가능해진다.

[6] 아폴로 중단 모드에 대한 포괄적인 논의는 1972 Apollo Experience Report - Abort Planning을 보라.

[7] 가능한 화성 중단 모드에 대해서는 Earth to mars Abort Analysis for Human Mars Missions에서 읽을 수 있다. 어떤 종류의 고장 시나리오가 2년짜리 중단 옵션의 혜택을 받을 수 있는지는 흥미로운 철학적 질문이다.

[8] 이 시나리오들을 직접 실험해 보고 싶다면 내가 작성한 작은 파이썬 스크립트를 보라.

[9] ISS의 생명 유지 장비는 ‘궤도 교체 유닛(ORU)’이라 불리는 구성 요소로 포장되어 있다. 어떤 경우에는 그 안의 작은 센서 하나가 고장 났을 뿐인데 수백 킬로그램짜리 조립체를 올려 보내야 한다.

다음은 2023년 한 해 동안 교체된 ORU의 부분 목록이다(출처):

• Node 3의 열교환기
• 공용 객실 공기 조립체의 수분리기
• Node 3 수분리기
• 공용 객실 공기 조립체 수분리기의 액체 체크 밸브
• 정거장 전역의 숯 필터 21개
• Node 3의 HEPA 필터
• 이산화탄소 제거 조립체의 송풍기(두 번, 첫 교체품이 고장 났다)
• Node 3의 시료 분배 조립체
• 질량 분석기 조립체
• 다중 여과 베드
• 산소 발생 조립체의 펌프

[10] 우주정거장의 초기 소변 재처리 장치는 우주비행사의 녹아내린 뼈에서 나온 칼슘 결정에 막혀 고장 났는데, 이는 설계에서 제대로 고려되지 않은 무중력의 영향이었다.

[11] 5만 개 명령이라는 수치는 The ISS: Operating an Outpost in the New Frontier라는 우주정거장 운영에 대한 상세한 입문서에서 가져온 것이다. ISS 활용도는 최근 몇 년간 올라갔지만 여전히 주당 80시간 미만, 즉 전일제 2명분에 머문다. 7명의 승무원은 깨어 있는 시간 대부분을 의무 운동과 하우스키핑, 정거장 수리에 쓴다.

[12] 우주에 있는 기존 장비들은 보통 10~20개 물질의 목표 목록에 있는 화학 물질을 식별하도록 설정되어 있는데, 이는 임의의 화합물을 식별하는 것보다 훨씬 쉬운 과제다.

후자에 대한 최신 기술 수준은 Progress on the Organic and Inorganic Modules of the Spacecraft Water Impurity Monitor, a Next Generation Complete Water Analysis System for Crewed Vehicles (ICES-2023-110)를 보라.

[13] 마법 같은 화성 기술의 다른 예로는 우주복용 누출 없는 밀봉, 물 없는 세탁기, 생물막 방지 코팅, 상온에서 수년간 보관할 수 있는 영양학적으로 완전한 식사, CO2를 수백 톤의 메탄으로 바꾸는 자율 태양광 공장 등이 있다.

[14] 폐쇄형 생명 유지 장치의 지구 지속 기록은 바이오스피어 2에 속하며, 건물 자재와의 예상치 못한 상호작용 때문에 산소가 위험 수준으로 떨어지기 전까지 17개월 동안 승무원을 생존시켰다.

[15] Starship과 화성에 의존하는 계획은 로켓이 다시 발사될 수 있도록 화성 표면에서 수백 톤의 추진제를 생산할 수 있는 능력에 달려 있다. Musk나 SpaceX로부터 나온 세부사항이 없는 상황에서 우리가 가진 가장 상세한 계획에 가까운 것은 Nature에 실린 이 분석이다.

[16] 우리가 아는 한, 통칭 “탈조절”이라 불리는 문제군은 부분 중력에서 더 악화될 수도 있다. 이는 우리의 직관에 반하지만 우주에서는 더 큰 놀라움이 있어 왔다.

[17] 부분 중력의 효과에 달린 또 다른 결정은 화성 표면 거주지에 무거운 운동 장비를 포함할지 여부이며, 그곳에서는 공간과 질량이 모두 귀하다.