일런 머스크의 화성이주 계획,거의 불가능에 가까운 일을 하려는 이유

일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO) 겸 스페이스 X 설립자는 트위터를 통해 인류가 화성에 처음 발을 디딜 수 있는 시기를 처음에는 2026년이라고 발표했다가 은근슬쩍 2029년이라고 말을 바꿨습니다.

그만큼 화성은 달을 가는 것처럼, 우주왕복선을 타더라도 3일 만에 도달하는 거리가 아닙니다. 화성까지 가는데만 9개월, 왕복 2년이 넘는 기간에 무중력상태의 우주왕복선에서 인간의 몸이 견뎌낼 수 있을지 의문이 듭니다. 그럼에도 불구하고 세계 1위 부자인 일런 머스크가 자선사업가가 아닌 이상, 왜 이런 계획을 했는지 따라가 봅니다.

 

 

 

1. 우주선 안에서 인간이 겪게 되는 몸의 변화

우주왕복선

 

 

◆ 중력장, 지구에서 우주로 나가면 무중력 상태가 되고 화성으로 가면 지구의 1/3 수준의 중력을 받습니다.

 

◆ 우주정거장과 우주선이라는 폐쇄적 환경은 폐쇄공포증이 없는 사람이라도 갇혀 있는 공간에서 장기간 생활을 하면서 오는 폐쇄공포증이 생길 수 있습니다.

◆ 우주 방사선, 지구 주변 궤도를 떠나 달을 넘어가면 태양이나 우주 멀리서 날아오는 우주 방사선에 많이 노출됩니다. 달 탐사를 할 때는 1주 내외로 금방 갔다 왔기 때문에 별문제가 없었습니다. 알파파와 베타 파는 종이와 알루미늄으로 쉽게 막아내지만 감마파는 두꺼운 콘크리트나 물로 우주선을 감싸고 있지 않으면 차폐가 되지 않기에 몇 개월간 우주에 있으면 영향을 끼칩니다.

 

NASA와 여러 연구팀의 광범위한 분석 결과 지상에 있는 쌍둥이 형제 마크 켈리와 비교해서 우주에 1년 가까이 있었던 우주인 스콧 켈리는 

-   신체 내부에 독성 작용을 하는 활성산소가 축적되었고

-   DNA가 지속적인 우주방사선의 피폭으로 극히 일부가 손상되었습니다.

-   세포의 에너지 생산 역할을 하는 미토콘드리아가 장애를 일으켰고

-   신체 노화에 관여하는 염색체의 텔로미어의 길이가 달라졌습니다. 보통 텔로미어의 길이가 짧아지면서 노화가 일어나는데 우주에 있는 동안 오히려 길어졌습니다.

- 마지막으로 몸속, 특히 유산균과 대장균 등이 있는 장내 미생물들 군집이 변화되었습니다. 식단이 달라지고 또 주변 환경에 스트레스를 받으면서 달라진 것으로 보고 있습니다.

-미토콘드리아는 우리 인간의 세포 하나하나에 들어있습니다. 혈관을 타고 들어온 산소로 세포가 살아갈 수 있는 에너지를 만들어 냅니다. 만약 에너지가 제대로 만들어지지 않는다면 그 세포는 금방 죽습니다. 뇌세포의 미토콘드리아가 장애를 일으키면 뇌세포가 죽습니다. 그럼 알츠하이머 같은 치매 질환이 올 수 있습니다.

-지금까지 여러 우주인들이 우주에 있는 동안 근골격계가 감소하고 살이 빠지고 면역력이 갑자기 떨어지거나 심장과 심혈관계에 이상이 생기기도 했지만 왜 그런지 알지 못했습니다. 하지만 미토콘드리아가 장애를 일으키는 현상을 발견함으로써 그 원인을 알게 되었습니다. 심지어 우주에서는 머리카락도 잘 안 자라는데 실제로 미토콘드리아에 이상이 생기면 머리카락이 자라는데도 영향을 준다고 합니다.

-상당한 훈련을 받은 우주인들이야 우주에 장기간 머물다 몸에 이상이 생겨도 지구로 복귀하면 금방 건강을 되찾을 수 있습니다. 실제로도 대부분의 우주인들이 금방 회복되었고요. 하지만 화성으로 일반인들의 이주가 시작되었을 때 또는 우주여행이 본격화되었을 때 일반인들에게 생기는 문제는 또 다른 문제입니다.

과학자들은 미토콘드리아가 문제를 일으키지 않는 약을 만들어야 한다고 합니다. 그리고 이 약은 이미 만들어졌습니다. 그리고 곧 국제우주정거장에서 우주인들에게 테스트할 예정이라고 합니다.

화성여행은 아주 오랫동안 무중력 상태의 좁은 공간에 갇힌 채 각종 우주적 위험들과 사투를 벌이는 고행길입니다.

 

NASA의 연구에 따르면 우주에서 건강을 위협하는 요소는 현재 알려진 것만 34가지나 됩니다.
그중 많은 위험요소가 중력과 관련 있습니다.

 

우리 몸은 지구 중력에 맞게 진화해 왔습니다.
세포에서부터 골격구조까지 1G에 적응해 온 몸이 0G에 장기간 노출되면서 건강에 이상 신호가 오기 시작합니다.

 

◆근육과 골밀도의 감소

우리 몸이 무중력을 만나면 제일 먼저 근육이 약해집니다.
근육을 잡아주던 1G의 힘이 사라지면서 온몸의 근육이 위축돼 탄력을 잃습니다.
다음은 골밀도가 감소합니다.

 

무중력

 

세포에 가해지는 중력이 없어져서 뼈에서는 칼슘이 빠져나가기 시작합니다.
국제우주정거장의 우주인들의 골밀도는 한 달에 최소 1%씩 줄어들었다고 합니다.

 

골밀도 감소는 장기적으로 골다공증이나 신장질환으로 이어질 수 있습니다.
근육과 뼈가 약해지는 것을 최대한 막으려면 열심히 운동을 해야 합니다.
국제우주정거장의 우주인들이 매일 2시간씩 의무적으로 운동을 하는 이유가 바로 이 때문입니다.
그러나 운동이 모든 근육을 단련시키지는 못합니다.
운동효과는 팔다리 근육과 주요 골격근에만 집중됩니다.
그 외 수백 가지 근육들은 운동이 되지 않습니다.
지구에서는 중력이 이 근육들을 운동시켜 주지만 우주에서는 그럴 수 없습니다.
우주에서는 얼굴과 손가락에 있는 모든 미세 근육들이 약해집니다.

 

힘줄과 인대도 약해집니다.
덕분에 척추가 늘어나고 키가 3에서 5센티미터 정도 커집니다.
그만큼 허리통증으로 고생해야 합니다.

 

요통은 우주인들의 만성질환입니다.
중력이 없으면 눈도 침침해집니다.
우리 몸의 순환계는 1G에 맞는 힘으로 혈액을 뇌까지 올려 보내도록 진화해 왔습니다.
그런데 같은 힘으로 0G에서 펌프질을 하면 혈액이 거칠게 솟구치게 됩니다.
온몸에 유체가 과도하게 흐르고 눈에 많은 유체 압력이 가해집니다.
시신경에 염증이 생기고 미세혈관이 손상됩니다.

 

실제로 우주인의 3분의 2 이상이 궤도에서 몇 달을 보낸 뒤 시력 감퇴를 호소합니다.
1.0이던 시력이 0.2까지 떨어진 경우도 있습니다.
감퇴된 시력은 지구에 귀환한 뒤 회복되기도 하지만 영구적으로 손상되기도 합니다.
이외에도 많은 문제들이 무중력 때문에 발생합니다.

 

그럼, 이 처럼 무중력으로 인한 피해를 막는 방법은 없을까?
가장 확실한 방법은 인공중력을 만드는 것입니다.

 

먼 미래의 우주선이나 외계인들의 우주선에는 중력장 생성장치 같은 게 있어서 탑승자들이 둥둥 떠다니지 않습니다.

발사체의 상단부가 균형추로 사용되고 균형추는 캡슐과 연결됩니다.
캡슐과 균형추의 거리가 1500m일 때, 분당 2회전이면 지구의 중력과 비슷한 중력이 만들어집니다.
분당 1회전이면 화성의 중력과 비슷한 중력이 만들어집니다.

 

2회전에서 1회전으로 점점 줄이면서 운항한다면 화성 착륙 후 곧바로 화성 중력에 적응할 수 있습니다.
하지만, 현재 NASA의 화성 프로젝트에는 인공중력이 포함되어 있지 않습니다.

 

아직까지도 인공중력에 대한 확신이 없어서 그렇다고 합니다.

인공중력 기술은 일본 과학자들이 딱 한 차례 실험한 적이 있습니다.
국제우주정거장의 일본 모듈에 회전 장치를 설치하고 쥐를 집어넣은 실험입니다.
쥐들은 인공중력으로 만들어진 1G 상태에서 35일 동안 잘 살아남았습니다.
나름 성공적이라 할 수 있지만 후속 실험이나 연구계획은 없습니다.

현재의 기술로는 열심히 운동하면서 화성까지 가는 수밖에 없습니다.

 

◆ 방사선의 위험

 

우주에서 중력보다 더 직접적이고 치명적인 위험은 방사선입니다.

 

우주는 고요하지 않습니다.

 

우주는 태양에서 방출된 입자들이 수시로 불어닥치는 사나운 공간입니다.
만약 여행 중에 태양폭풍을 만난다면 탑승객들은 거의 40렘의 방사선에 노출될 수 있습니다.
40렘은 전신 CT촬영을 40회 했을 때 노출되는 방사선 양과 같습니다.
비록 치사량 수준은 아니지만 장기적으로 암 관련 질환을 유발할 수 있습니다.
다행히 태양폭풍은 도착 하루이틀 전에 감지 가능합니다.
태양폭풍의 속도가 빛보다 빠르지 않기 때문입니다.

 

폭풍 경보가 울리면 하던 운동을 멈추고 차폐시설로 피하면 됩니다.
차폐시설은 두꺼운 금속이나 물로 둘러싸인 구조물이 좋습니다.
특히 물은 태양 방사선을 잘 흡수합니다.
현실적으로 무거운 차폐시설을 설치할 여력이 안된다면 물탱크 뒤 식료품 저장실이나 주방을 임시 대피소로 활용할 수 있습니다.

 

임시 대피소만 잘 활용해도 방사선 노출량이 5렘 정도로 줄어들 겁니다.
5렘이면 좋지는 않지만 끔찍한 정도는 아닙니다.
참고로 5렘은 미국 노동자의 방사선 노출 한계치이기도 합니다.

 

이 때문에 사실 미국에서는 화성에 사람을 보내는 게 현행법으로는 아직까지 불법입니다.

 

중국이나 러시아는 가능합니다.

 

무중력과 방사선 외에도 우주여행의 위험요소는 많습니다.

인공중력, 차폐시설, 의료지원 등이 없어도 건강을 유지하는 방법은 없을까요?
가장 좋은 방법은 최대한 빨리 화성에 가는 겁니다.

 

여행기간이 짧을수록 위험에 노출될 확률도 줄어드니까요.
화성까지 9개월 이상이 걸린다고 했지만 이론상으로는 40일 만에도 갈 수 있습니다.

 

실제로 2006년에 발사된 명왕성 탐사선 뉴호라이즌스 호는 단 41일 만에 화성의 공전 궤도를 지나쳤습니다.
문제는 감속입니다.

 

멈추지 않는다면 얼마든지 빨리 갈 수 있습니다.
혹시 뉴호라이즌스 호처럼 빠르게 날아가다가 화성에 다 와서 급감 속을 하면 어떨까요?

 

이 방법에는 두 가지 문제가 있습니다.

 

첫째, 그 정도 급감속을 하려면 지구 대기권을 벗어나기 불가능할 정도로 많은 양의 연료가 필요합니다.

 

둘째, 거대한 중력가속도로 인해 탑승객들의 몸이 찌그러 듭니다.

 

빠르게 날아갈수록 감속은 몇 달에 걸쳐 천천히 해야 합니다.

 

NASA를 비롯한 연구기관들은 화성여행 기간을 6개월 미만으로 줄이는 아이디어들을 검토하고 있습니다.
그중 하나는 지구-화성 간 순환선입니다.

 

순환선은 지구와 화성을 주기적으로 공전하는 우주선입니다.
두 행성의 중력을 이용해 추진력을 얻기 때문에 연료가 거의 필요 없습니다.
가속이나 감속을 할 필요도 없습니다.

 

지구에서 발사된 유인 우주선은 지구 근처에서 순환선과 도킹을 하고, 화성 근처에서 분리해서 착륙합니다.
순환선을 구현하려면 궤도를 따라 움직이는 기술과 고속 순환선에 정확히 올라타는 도킹 기술이 필요합니다.
둘 다 아직까지 구현할 수 없는 기술들입니다.

 

하지만 우리가 화성에 주기적으로 가게 된다면 순환선은 뛰어난 시스템이 될 것입니다.
유인화성탐사는 아직 많은 부분이 완성되지 않은 단계입니다.
위험 수준이 높고 비용도 많이 듭니다.

 

달탐험과 지구 저궤도 사업이 관광, 자원채굴로 수익이 가능한데 비해 화성은 아직까지 수익성이 거의 없습니다.

 

그러나 화성 접근 비용이 낮아질수록 화성의 투자 가치도 높아질 것입니다.
화성은 달보다 거주 가능성이 높은 곳입니다.

 

미래의 화성은 본격적인 태양계 탐사를 위한 전초기지가 될 수 있으며,
소행성들의 자원을 유통하는 무역기지가 될 수 있습니다.

 

만약 유인화성탐사가 많은 시도 끝에 실패로 끝난다 해도 그 과정에서 얻는 이득은 클 것입니다.
우주개발은 직접적인 이득보다 파생기술로 얻는 이득이 더 큰 사업입니다.

 

실제로 우리가 접하는 많은 첨단 기술들이 20세기 우주개발의 산물입니다.
탄소섬유나 수많은 신소재는 우주복과 장비를 개발하는 과정에서 탄생했습니다.
내비게이션, 에어백 같은 자동차 안전과 관련된 기술도 우주개발과정에서 왔습니다.

 

이처럼 우주선의 개발은 우리의 실생활에도 많은 실용적인 발전을 가져온 것이 사실입니다.

우주기술이 크게 기여한 분야는 무엇보다 의료 산업입니다.
MRI, CT 장치의 핵심 기술은 아폴로 우주선의 디지털 영상처리를 위해 개발된 기술입니다.
라식 수술 장비, 심장박동 조절장치, 비접촉 체온계 등도 우주개발 과정에서 탄생한 기술입니다.
장거리 화성여행은 달탐험보다 훨씬 높은 수준의 기술을 요구할 겁니다.
덕분에 생명연장기술이 비약적으로 발전하고, 완전히 새로운 산업이 창출될 수도 있습니다.
모든 결과가 낙관적이지는 않겠지만 파급효과는 확실히 있을 겁니다.

 

2. 달 탐사 및 자원

 

달탐사

 

 

◆달의 자원

달에는 70억 인류가 1만 년 동안 에너지원으로 활용할 수 있는 ‘헬륨-3’를 비롯한 많은 자원들이 매장돼 있다."
고 합니다.

 

컴퓨터와 인터넷, 배터리, 우주 개발 등 첨단 산업이 발전할수록 희귀 자원은 국가의 최대 자산이 되고 있습니다. 세계 최강대국 미국에 맞서 패권 경쟁에 나선 중국의 가장 치명적인 무기가 전 세계 매장량의 80%를 차지하고 있는 희토류일 것이라는 얘기가 괜히 나오는 것이 아닙니다. 우리나라도 최근 대(對) 중국 무역수지가 적자 기조로 전환한 것엔 배터리 등의 소재인 희토류 수입 때문이라는 지적이 나옵니다. 석유와 석탄 등 주요 에너지ㆍ연료 자원들도 마찬가지입니다.

지구에서 가장 가까운 달의 자원에 관심이 쏠리고 있는 이유다. 달에는 인류의 생명 자원인 산소가 충분히 매장돼 있습니다. 달 표토의 45%가 산소로 구성돼 있을 정도입니다. 이론적으로 이를 100% 전환할 수 있다고 치면 달 표토 1㎥당 약 630kg의 산소를 얻을 수 있으며, 이는 성인 1명이 2.16년간 사용할 수 있는 양입니다.


특히 달 표토층에 약 110만 t(추정 채굴 가능량)이 매장돼 있을 것으로 추정되는 헬륨-3가 관심을 끌고 있습니다. 헬륨-3는 방사선 오염 물질이 발생하지 않는 핵융합 청정에너지원입니다. 인류의 안전한 미래를 위해 가치가 매우 높은 에너지 자원으로 꼽힙니다. 달의 헬륨-3 매장량은 110만 t으로 추첮됩니다.

 

70억 지구인들이 약 1만 년 동안 쓸 수 있는 에너지를 제공해 줄 수 있을 것으로 분석되고 있습니다. 1t의 헬륨-3의 경제적 가치는 약 30억 달러로 예측된다. 미국 항공우주국(NASA)은 달의 헬륨-3을 채굴해 지구로 가져와서 발전소를 만들어 전력을 생산하게 되면 모든 비용을 감안해도 경제성이 82배 이상일 것으로 판단하고 있습니다.

또 달의 표토층에 포함된 희토류들은 지구보다 상대적으로 농도가 높아 특정 희토류의 경우 지구에 가져와 사용할 수도 있습니다. 달의 바다에 집중적으로 분포돼 있는 것으로 알려진 티타늄이나 지구만큼이나 흔한 철광석 등은 달 현지에서 기지 구축 등을 위한 구조물 제작에 사용할 수 있을 전망입니다.

◇ 채굴은 어떻게?

달 표면 광물 채굴은 먼저 어떤 성분이 있는지 조사하는 것이 가장 중요합니다. 채굴 장비는 현재로선 샘플 채취를 위한 용도로 개발되고 있습니다. 채취하기 전에 자원을 조사하는 분광기, 땅 속의 자원을 채취하는 드릴로 구성됩니다. 대량의 자원을 채굴하기 위해서는 채굴 목적의 차량 등 지구에서 광산 개발하는 경우와 유사한 장비들이 필요합니다. 다만 달의 경우 지구처럼 암석을 부수기보다는 표토층의 자원을 활용하기 때문에 광산 개발의 양상이 다를 것으로 예상됩니다. 특히 달 극지방의 경우는 영구동토로 극저온에서 물과 휘발성 물질과 희귀 금속자원이 많은 곳이라 채굴하고 그것을 활용하기 위한 기술개발은 중위도 지역과 다를 수 있습니다. 현재 NASA 등에서 이 같은 달에서의 대규모 자원 개발을 준비하기 위한 첫 지상 실험 단계가 진행되고 있는 것으로 알려져 있습니다.

◇달 자원 활용, 경제성이 있나?

달 현지에서 활용될 물, 산소, 수소 등은 당연히 경제성이 매우 높습니다. 지구 대기권을 벗어나 달까지 실어 나르는 것보다 비용ㆍ효율을 비교할 수 없습니다. 예컨대 산소 하나만 따지더라도 달 표토 1㎥에서 뽑을 수 있는 산소 687kg을 현재의 경제적 가치로 따지면 약 1조 2600억 원에 달한다고 합니다.

한때 소행성 희귀 광물 채취 등 외계 광물 채굴 스타트업들이 속속 세워졌다가 비용ㆍ현실성 때문에 문을 닫기도 했었다. 그러나 최근 연구 개발되고 있는 행성 자원 개발은 ‘차원’이 다르다. 현지에서 필요한 자원을 채취해 활용하자는 목적입니다. 특히 미국이 추진 중인 국제 우주 개발 협력 프로젝트인 아르테미스 프로그램은 달에서 자원을 개발해 기지를 구축한 후 화성에 진출하는 구도로 짜이고 있습니다. 생명유지 및 연료로 활용할 수 있는 기체 종류(휘발성물질) 외의 자원뿐만 아니라 고체(금속, 비금속)를 포함한 광물의 현지 활용이 첫 번째 과제입니다. 물론 값 비싼 희귀 광물은 지구에서도 사용할 수 있습니다.

2. 화성탐사 및 자원

 

태양의 생명가능지대는 금성을 넘은 곳부터 시작하여 화성 부근까지 존재한다고 합니다. 화성은 근일점에 도착하였을 때, 이 지대 안으로 들어가게 됩니다. 하지만 화성의 옅은 대기가 액체상태의 물이 화성의 표면에 존재하는 것을 막는다고 합니다. 화성의 과거 물의 흐름은 생명거주의 가능성을 보여줍니다. 최근 연구는 화성에 존재하는 물은 너무 염도가 높거나 산도가 높아 생명체가 존재할 수 없다는 것을 보여주었습니다.

화성에는 자기권이 없기 때문에 강렬한 태양풍을 막을 수 없습니다. 또한 화성의 옅은 대기로 인한 낮은 대기압으로 화성의 표면에 액체상태의 물의 형태가 유지될 수 없다고 합니다. 지질학적으로 화성의 화산 활동은 종결되어 화성의 내부 화학물질이 화성의 표면으로 순환이 되지 않습니다. 이러한 이유로 인하여 화성의 생명체의 존재 가능성은 희박하다고 할 수 있습니다.

여러 증거로부터 미루어 볼 때 화성이 과거에는 지금보다 더 생명이 살기에 적합한 환경이었던 것으로 추정되었으나, 지금까지는, 실제 화성에 생명이 존재한 적이 있는가 하는 질문에 대해서는 아직 확실한 답을 얻지 못하고 있습니다.

물론 과거에 물이 흘렀던 적이 있기는 합니다. 화성에는 또한 자기권이 없으며 대기가 희박하며, 지각 열류량은 매우 적으며, 외부의 운석 또는 소행성들과의 충돌~ 또는 태양풍으로부터 보호받지 못한다고 합니다. 낮은 대기압 때문에 얼음은 액체상태를 거치지 않고 곧바로 기화해 버리며, 지질학적으로 사실상 완전히 죽은 행성으로 봅니다. {화산 활동이 없기 때문에 표면과 행성 내부 사이의 화학 물질과 광물의 순환이 일어나지 않는다.}

3. 소감

달에는 유인 우주선도 갔다 왔을 만큼, 친숙하고, 지구에 유한한 자원을 대체할 희귀 광물인 희토류부터 시작해서 경제적 가치를 계산하기 어려울 정도의 천연광물이 있음을 이미 확인하였습니다.

 

하지만, 화성은 가고 오는 데에만 2년이라는 긴 시간을 우주왕복선에서 보내야 하고, 이를 견딜만한 인간의 신체조건을 감당할 만한 과제가 남아 있는 듯합니다.

 

하지만, 화성이주계획은 위에서 열거한 사례들로 봤을 때, 현재로서 실현 가능성을 판단하기 너무 어려움이 많이 있어 보입니다. 하지만 달 탐사는 얘기가 달라집니다. 우리나라도 본격적인 달 탐사로의 계획을 추진하면서, 향후 2030년대부터 본격적으로 추진될 달 탐사에 따른 선점효과를 가지려면, 이제 보다 더 많은 투자와 관심이 필요해 보입니다.

 

일런머스크의 화성이주계획의 내용을 보면, 지구에서 곧장 화성으로의 여정은 쉽지 않아 보입니다.

그전에 달 탐사로서의 각종 광물자원에 대한 투자로 막대한 이익을 선점하려는 모습으로 보입니다.

아무튼, 전 세계 부호 1위 답게, 또 천재다운 기발한 발상임에는 틀림없어 보입니다.

 

2023.06.16. 작성