원자력 전기 추진 우주선과 화성 이미지. 미국은 2028년 처음으로 원자력 추진 우주선을 화성에 보내겠다고 밝혔다./NASA

<이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다>

미국 항공우주국(NASA·나사)이 처음으로 화성에 원자력 우주선을 발사한다. 심우주 탐사에 원자력 추진선을 쓸 수 있을지 검증하기 위한 차원이다. 원자력 추진선은 헬리콥터 3기를 화성으로 내려보낼 계획이다.

나사는 “2028년 말 이전에 원자력 추진 우주선인 ‘스페이스 리액터-1 프리덤(Space Reactor-1 Freedom)’을 화성으로 발사하겠다”고 24일(현지 시각) 워싱턴 DC 본부에서 발표했다. 지금까지 원자력 추진 우주선이 발사된 적은 한 번도 없었다.

◇핵분열 에너지로 동력용 전기 생산

원자력 추진 우주선은 원자력발전소와 같은 방식으로 작동한다. 원자력 발전은 우라늄의 핵분열 연쇄반응에서 나오는 막대한 열에너지를 이용해 물을 끓여 고온·고압의 증기를 만든다. 이 증기가 터빈을 돌리고 발전기를 구동해 전기를 생산한다.

원자력 추진 우주선은 같은 방식으로 생산한 전기로 전기를 띤 이온을 만든다. 분사구 끝에서 반대편 전기를 걸어주면 이온이 그쪽으로 이동하면서 추진력이 발생한다. 이른바 원자력 전기 추진(Nuclear Electric Propulsion, NEP) 방식이다.

나사는 스페이스 리액터-1 프리덤 임무가 원자력 추진이 우주선에 동력을 공급할 수 있음을 입증하고, 미래 핵분열 동력 시스템을 위한 산업 기반을 활성화할 것이라고 밝혔다. 여기에는 태양계 외곽에 있는 행성이나 천체로 가는 탐사 임무도 포함될 수 있다.

기존 우주선은 그렇게 먼 천체들을 탐사하는 것이 불가능하다. 막대한 양의 액체 연료를 싣고 갈 수 없기 때문이다. 다만 보이저(Voyager)나 주노(Juno) 같이 배터리나 태양광으로 구동될 만큼 작은 우주선만이 태양계 외곽 영역에 도달할 수 있었다.

1977년 나사가 발사한 무인(無人) 탐사선 보이저호는 ‘방사성 동위원소 열전 발전기(RTG)’라는 원자력 배터리로 작동한다. 방사성 동위원소가 핵분열하면서 나오는 열은 열전(熱電) 소자를 거쳐 전기로 바뀐다. 열전 소자는 온도가 변하면 전류를 발생하는 장치다.

보이저는 원자력 배터리 덕분에 태양전지가 소용없는 태양계 끝에서도 작동하고 있다. 목성 탐사선 갈릴레이호, 토성 탐사선 카시니호, 화성 탐사 로버(이동형 탐사 로봇) 큐리오시티에도 같은 배터리가 들어갔다. 이번에 발표한 원자력 추진 우주선은 상용 원전과 같은 방식이라는 점에서 원자력 배터리와는 원리가 다르다.



◇헬기 3기로 유인 탐사지 정보 수집

원자력 추진 우주선은 화성에 도착해 헬리콥터 3기를 실은 ’스카이폴(Skyfall)’ 탑재체를 내려보낼 계획이다. 나사는 지난 2021년 화성에 네 바퀴로 움직이는 로버 퍼서비어런스(Perseverance)와 초소형 무인(無人) 헬리콥터인 인저뉴어티(Ingenuity)를 착륙시켰다. 화성 탐사 로봇은 이전에도 있었지만, 화성 하늘을 난 헬리콥터는 처음이었다. 로버는 여전히 작동하고 있지만, 헬기는 2024년 1월 추락해 임무가 종료됐다.

나사는 원자력 추진선이 보낼 헬리콥터들은 인저뉴어티를 모델로 제작될 것이라고 밝혔다. 인저뉴어티는 2021년 4월부터 2024년 1월까지 72회의 비행을 수행했다. 인저뉴어티는 기술 시연용이었던 반면, 스카이폴 헬리콥터 편대는 구체적인 과학 탐사 임무를 수행할 것으로 전망된다.

앞서 미국 우주 기업 에어로바이론먼트(AeroVironment)는 지난해 7월 24일 성명을 통해 “화성에 정찰 헬리콥터 6기를 배치하는 스카이폴을 설계했다”며 “헬리콥터들은 미국 최초의 화성 우주비행사들을 위한 최우선 착륙 후보지로 선정한 여러 지점을 탐사할 것”이라고 밝혔다. 이날 나사가 발표한 웹캐스트를 보면 스카이폴이 싣고 가는 헬리콥터는 3기로 축소됐다.

에어로바이론먼트는 “화성을 탐사하는 동안 각 헬리콥터는 독립적으로 운용된다”며 “고해상도 표면 영상과 지하 레이더 데이터를 지구로 전송해 분석함으로써, 유인 탐사선이 물·얼음 및 기타 자원이 가장 풍부한 지역에 안전하게 착륙할 수 있도록 지원할 것”이라고 밝혔다.

3단계 달 기지 상상도. 이때 우주비행사들이 장기 체류할 거점이 구축된다./NASA

<이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다>

◇3단계 달 유인 기지 건설안도 발표

재러드 아이작먼 나사 국장은 이날 향후 10년간 계획은 미국인들이 우주 탐사 임무에 대해 다시 믿음을 갖도록 하는 것을 목표로 한다고 밝혔다. 나사는 미국은 1972년 아폴로 17호 이래 중단된 유인(有人) 달 탐사를 아르테미스 프로그램으로 재개했다.

다음 달 1일 발사될 아르테미스 2호는 처음으로 우주비행사 4명을 태우고 달 궤도 시험 비행을 실시한다. 앞서 2022년 아르테미스 1호 임무는 마네킹을 태운 오리온 우주선이 달 궤도를 도는 무인(無人) 시험 비행으로 진행됐다.

우주비행사의 달 착륙은 2028년으로 수정됐다. 당초 우주비행사를 달에 내려보낼 예정이던 아르테미스 3호는 2027년 지구 궤도에서 달 착륙선과의 도킹(결합) 등을 시험하고, 이듬해 아르테미스 4호가 우주비행사를 달에 착륙시킬 계획이다. 나사는 “아르테미스 5호부터는 6개월마다 달에 유인 탐사선을 착륙시킬 계획”이라고 밝혔다.

나사는 달 유인 기지 건설에도 본격적으로 나서겠다고 밝혔다. 아이작먼 국장은 이날 우주 기업들과 각국 우주 기관 관계자, 의원들 앞에서 “지구 밖에서 인류의 첫 영구 표면 전초기지를 건설하기 위한 진화적인 과정이 있을 것”이라고 말했다.

일본우주항공연구개발기구(JAXA)와 도요타는 2029년 발사를 목표로 달 탐사 차량을 개발하고 있다./도요타

<이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다>

나사는 달에 지속적인 인간 거점을 확보하기 위해 단계적 접근 방식을 추진하겠다고 발표했다. 이 전략의 일환으로, 그동안 추진하던 달 정거장 게이트웨이(Gateway) 프로젝트를 일시 중단하고, 달 표면 탐사를 지속적으로 추진할 수 있도록 지원하는 인프라 구축에 중점을 옮길 계획이라고 밝혔다.

나사는 1단계로 민간 기업 주도로 달 탐사선과 탐사차, 계측기 등을 보낸다. 여기에는 원자력 배터리도 포함된다. 2단계는 반거주형 인프라와 정기적인 물자 수송 체계를 구축해 달 표면에서 우주비행사의 탐사 활동을 지원한다.

이때 달 탐사 차량이 개방형에서 밀폐형으로 바뀐다. 일본우주항공연구개발기구(JAXA)의 가압형 로버도 2단계 안에 포함된다. 과거 아폴로 우주비행사들은 바퀴만 있는 로버를 탔지만, 일본 자동차 업체 도요타가 개발 중인 아르테미스 가압식 로버는 지붕이 갖춰져 있어 우주복 없이 탑승할 수 있다.

3단계는 본격적인 장기 체류 기반을 마련하는 과정이다. 착륙선은 우주비행사와 화물을 함께 수송해 달에 지속적인 거점을 확보한다. 이 단계에서는 이탈리아 우주국(ASI)이 개발 중인 다목적 거주 모듈과 캐나다 우주국(CSA)의 다목적 달 탐사차도 포함된다.

NASA(2026), https://www.nasa.gov/news-release/nasa-unveils-initiatives-to-achieve-americas-national-space-policy/

AeroVironment(2025), https://www.avinc.com/resources/press-releases/view/av-reveals-skyfall-future-concept-next-gen-mars-helicopters-for-exploration-and-human-landing-preparation

이영완 기자(ywlee@chosunbiz.com)

<저작권자 ⓒ ChosunBiz.com, 무단전재 및 재배포 금지>