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미 항공우주국(NASA·나사)은 2024년 7월 달 탐사 로버(이동형 로봇) ‘바이퍼(VIPER)’ 임무를 취소했다. 애초 그해 11월 미국 우주기업 아스트로보틱(Astrobotic)의 그리핀(Griffin) 착륙선과 함께 발사돼 달 남극에서 햇빛이 들이 않는 곳에 있는 얼음을 찾을 예정이었지만, 예산 문제로 진행되지 못했다.
어쩌면 그때 취소 결정이 천운이었을지 모른다. 미국 과학자들이 바이퍼 지상 시험 결과를 재분석한 결과 그대로 농협 택배시장 달에 갔으면 모래에 빠져 움직이지 못했을 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 지상 실험에서 달 중력에 맞춰 바이퍼의 무게를 줄였지만, 모래는 달 환경을 제대로 구현하지 못했다는 것이다.
달 탐사 로버 바이퍼 상상도. 2024년 11월 발사돼 남극에서 얼음을 찾을 예정이었지만, 그해 대학학자금대출이자 7월 임무가 취소됐다. 하지만 지상 시험에 문제가 있어 발사했다면 위험에 빠질 수 있었다는 지적이 나왔다./NASA
◇달 중력 조건, 모래는 빠뜨려
미국 위스콘신대 기계공학과의 댄 네그룻(Dan Negrut) 교수 연구 우체국제2금융권 진은 “컴퓨터 시뮬레이션(모의실험)을 통해 지구에서 우주 탐사용 로버를 시험하는 방식에 결함이 있음을 발견했다”고 지난 25일(현지 시각) 국제 학술지 ‘이동형 로봇 저널(Journal of Field Robotics)’에 발표했다. 연구진은 바이퍼가 그대로 달에 갔다가는 모래에서 제대로 움직이기 힘들었다고 예측했다.
나사는 로버를 발사하 행정통합 기 전에 달이나 화성 같은 조건에서 시험한다. 달의 중력은 지구의 6분의 1, 17%에 불과하다. 화성의 중력은 지구의 38%이다. 나사 과학자들은 로버의 무게를 줄인 시제품으로 시험해 이런 중력 차이를 반영했다. 사막에서 실제보다 무게를 줄인 경량 로버를 가동하면서 달이나 화성에서 어떤 성능을 보일지 예측했다.
위스콘신대 연구진은 지금까 현대캐피탈대출상품 지 해온 표준 시험 방법은 사막 모래에 작용하는 지구의 중력이라는 사소한 사항을 간과했다고 밝혔다. 로버는 달이나 화성 중력에 맞췄는데 그 아래 토양은 여전히 지구 중력이 미치는 상황이라는 말이다.
연구진은 자체 개발한 물리 시뮬레이션 엔진인 ‘프로젝트 크로노(Project Chrono)’로 시험했다. 이 엔진은 바이퍼 로버의 시뮬레이션을 위해 개발됐다. 연구진은 “지구 토양은 단단하고 지지력이 강해 로버 바퀴 아래에서 따로 움직일 가능성이 작다”며 “반면 월면토(月面土)는 중력이 약하게 미쳐 잘 움직이고 그에 따라 로버의 접지력이 감소한다”고 밝혔다.
바닥이 단단한 인도를 걸으면 아무 문제가 없지만 잘 미끄러지는 판 위에서 걸으면 앞으로 가기 힘든 것처럼, 바이퍼도 달에서 움직이기 힘들었을 것이란 말이다. 로버의 바퀴가 모래에 빠졌다면 접지력이 약해 빠져나오지 못할 수 있다. 실제로 미국이 화성에 보낸 로버 오퍼튜니티는 2006년 바퀴가 모래에 빠져 5주간 움직이지 못했다. 2009년엔 오퍼튜니티의 쌍둥이인 스피릿이 모래에서 빠져나오지 못해 아예 임무가 끝났다.
◇달의 진공, 온도 조건도 반영해야
국내에는 달 탐사 로버를 시험할 수 있는 실내 장비가 있다. 한국건설기술연구원이 구축한 ‘지반열진공챔버’다. 높이와 지름이 4.7m에 무게는 100t에 달하는 거대한 챔버에 월면토를 모방한 흙을 채우고 진공에 가까운 상태에서 달 탐사 장비를 시험한다.
달은 지구와 중력만 다른 게 아니다. 달은 중력이 약해 기체도 붙잡지 못한다. 진공에 가깝다는 말이다. 온도 변화도 하루에 섭씨 200도에 이른다. 건설기술연구원 신휴성 박사는 “월면 모사토를 가지고 챔버에서 실험하면서 중력 외에 진공과 온도 조건도 지구와 달 토양의 역학적 차이를 유발한다는 것을 확인했다”고 말했다.
예를 들어 월면토 입자 사이에 빈 곳이 많다. 지구라면 빈 곳을 공기가 채우겠지만 달은 진공이라 토양 입자 간 움직임에 큰 영향을 줄 수 있다. 월면토 입자는 강력한 정전기도 띤다. 달에는 태양에서 날아오는 고에너지 입자들이 아무런 방해 없이 쏟아지기 때문이다. 달의 토양 입자는 강력한 정전기를 띠고 서로 밀어내거나 잡아당긴다.
신 박사는 지구에서 시추하면 무너질 만한 크기의 구멍도 달에서는 멀쩡할 수 있다고 했다. 입자들이 서로 잡아당겨 구조를 유지하기 때문이다. 신 박사는 “진공이나 온도, 정전기 등을 고려하지 않고 로버 무게만 중력에 맞게 보정하는 것만으론 중장기 탐사 임무를 위한 장비 검증에서는 불충분할 것”이라고 말했다.
한국건설기술연구원의 지반열진공챔버. 달 복제토가 채워져 있고 표면에 달 탐사 로버가 있다. 달처럼 진공 상태에서 복제토에 정전기를 유발해 로버가 달 먼지에 견딜 수 있는지 실험할 수 있다./조선DB
장비 보호도 각별해야 한다. 지구의 흙은 대기와 마찰로 둥글게 닳지만, 달은 대기가 없어 토양 입자가 사방이 뾰족한 형태다. 게다가 정전기를 띠고 있어 탐사 장비나 우주복에 달라붙어 손상을 준다. 미세한 면도칼들이 달라붙는 셈이다. 1972년 달에 간 아폴로 17호 우주인들은 고장 난 로버의 바퀴보호대를 지도와 덕트 테이프로 수리했다. 달의 모래가 달라붙어 로버가 고장 나는 것을 막기 위해서였다.
미국은 아폴로 17호 이래 중단됐던 유인(有人) 달 탐사를 반세기 만에 아르테미스 프로그램으로 재개했다. 2027년 달 남극 근처에 우주비행사를 보낼 계획이다. 워싱턴 주립대 연구진은 2023년 아르테미스 달 탐사를 성공시킬 핵심 기술을 개발했다. 바로 우주복과 장비를 손상한 날카로운 모래 입자, 즉 달 먼지(moon dust)를 제거하는 기술을 개발한 것이다.
워싱턴 주립대 연구진은 국제 학술지인 ‘악타 아스트로노티카(Acta Astronautica)’에 “달처럼 진공 환경에서 진행한 실험에서 새로 개발한 액체질소 스프레이가 우주복에 달라붙은 월면토(月面土) 모사체를 98% 제거했다”고 밝혔다. 로버도 갖춰야 할 장비인 셈이다.
참고 자료
Journal of Field Robotics(2025), DOI: https://doi.org/10.1002/rob.22597
Acta Astronautica(2023), DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.02.016
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