달나라에서 떡방아를 찧을 수 있을까

미국 항공우주국(NASA)은 1987년 ‘달 식민지 건설’과 ‘인류의 화성 탐사’라는 거대한 목표를 세웠다.

그리고 로널드 레이건 미국 대통령의 지시로 1988년에는 우주탐사에 대한 구체적인 계획이 나왔다.

예를 들어 화성과 그 위성까지 탐사확대, 달에 인간이 관리하는 관측소 건립, 유인 화성사절단 파견 등이다.

하지만 커다란 우주비행선을 만든다고 장기간의 우주여행과 탐사활동을 할 수 있는 것은 아니다.

달이나 화성에서 인류가 영구적으로 살아가려면 산소와 식량을 자급자족해야 한다.

즉 달 토양에 식물이 뿌리를 내리고 살아야 비로소 인간도 살아갈 수 있다.

과연 달 토양에서 식물도 살 수 있을까? 1968년 미국 아폴로 11호부터 1972년 17호까지 총 여섯 대의 탐사선이 달의 흙, 즉 달 토양을 갖고 왔다.

이 토양을 분석한 결과, 식물이 먹이로 하는 원소 16가지 가운데 탄소(C)와 산소(O), 수소(H)를 제외한 나머지 양분이 너무나 부족했다.

식물은 광합성을 통해 공기 중의 탄소와 산소를 얻고, 뿌리를 통해 물에 있는 수소를 받을 수 있기 때문에 나머지 양분이 모두 부족한 달토양은 ‘식물이 자랄 수 없는 땅’인 셈이다.

식물은 이렇게 얻은 원소와 광합성을 이용해 최종적으로 탄수화물을 만든다.

그런데 DNA나 세포 같은 몸 속 기관을 만들려면 3가지 원소 이외에 질소(N)와 인(P)이 필수적이다.

하지만 지구의 흙이나 공기 속에 이산화탄소와 물은 풍부하지만 질소와 인은 늘 부족하다.

그래서 식물을 살리기 위해서는 비료를 통해 질소와 인을 계속 공급해야 한다.

그렇지만 계속 질소 비료를 가득 실은 우주선을 달로 보낼 수는 없다.

다행히도 콩과식물을 심으면 질소결핍을 해결할 수 있다.

콩이나 자운영, 아카시나무 같은 식물의 뿌리에는 ‘뿌리혹박테리아’라는 미생물이 기생하면서 대기 중의 질소를 암모늄이나 질산 이온 형태로 바꿔준다.

따라서 별도의 비료를 달까지 운반할 필요가 없다.

또 인은 인회석(apatite) 형태로 존재하는 달 토양을 곱게 갈아 사용하면 될 것으로 추정된다.

더불어 달에는 식물에게 유용한 칼슘(Ca)이나 마그네슘(Mg)이 풍부하게 포함된 광물이 있기 때문이 이들이 풍화만 되면 양분 결핍문제를 어느 정도 풀 수 있다.

다만 지구에서는 양이 매우 적은 알루미늄(Al)이나 비소(As), 카드뮴(Cd), 니켈(Ni) 등의 중금속 농도가 달 토양에서는 너무 높아 식물에게 독이 될 수도 있다.

현재 미항공우주국 등에서는 이런 중금속 농도를 줄이고 달에서 식물을 키울 방법을 연구 중이다.

우주농업은 단순히 달에서 인류가 거주하기 위한 수단만은 아니다.

달 기지는 우주여행을 위한 일종의 ‘고속도로 휴게소’ 개념이다.

지구에서 멀리 떨어진 화성이나 목성까지 우주임무를 수행하는 승무원들에게 신선한 음식과 산소 공급은 사막에서의 오아시스와 같다.

지구에서는 물 1g이 별 것 아니지만 우주에서는 인류의 생존을 지켜낼 희망이 된다.

물과 영양, 그리고 산소까지 주는 식물은 ‘우주인의 구원자’인 셈이다.

어쩌면 인류가 달에 벼이삭을 추수해 떡방아를 찧을 날도 그리 먼 미래만의 이야기는 아닐지 모른다.

달, 화성 기다려!

미 항공우주국(NASA)은 2010년 퇴역하게 될 우주왕복선을 대신해 국제우주정거장 수송뿐 아니라 화성탐사도 가능한 새로운 다목적 유인 우주선 오리온 을 개발하고 있다.

오리온이라는 이름은 그리스 신화에 나오는 거인 사냥꾼이자 가장 밝고 인기가 있어 찾기 쉬운 별 이름에서 따온 것이다.

오리온은 국제우주정거장에 화물과 승무원을 올릴 수 있고 달탐사와 화성탐사에 사용될 예정이다.

오리온의 디자인은 과거 아폴로우주선과 같은 캡슐 모양과 흡사하지만 컴퓨터와 각종기기, 추진력, 단열 등에 21세기 첨단기술이 활용될 예정이다.

오리온은 안전한 단열시스템 뿐만아니라 캡슐의 꼭대기에 있는 발사중지시스템을 이용하여 발사대나 발사 도중 위급상황에서 발사체와 우주선을 분리시켜 우주인이 안전하게 탈출할 수 있도록 돕도록 설계되었다.

하지만 오리온은 지름 5미터로 아폴로우주선보다 2.5배 크며 25톤까지 실을 수 있으며 탑승인원도 아폴로우주선의 3명보다 두배가 많아져 6명까지 태울 수 있으며 달착륙선으로 사용될 때는 4명까지 탑승이 가능하다.

오리온은 2014년까지 우주정거장에 첫번째 미션을 수행하고 2020년까지 달에 첫번째 탐사를 추진하고 있다.

달탐사를 위해 NASA는 전통적인 아폴로 캡슐과 우주왕복선 그리고 상업용발사체의 기술이 이용할 예정이다.

오리온은 재사용이 가능항 우주왕복선이 아니라 한번 발사하면 다시 쓸 수 없는 로켓에 실려 쏘아올려지게 되며 이 로켓의 이름은 아레스 로켓이다.

아레스 로켓은 ‘아레스Ⅰ’과 ‘아레스Ⅴ’의 두 가지로 개발 추진되고 있다.

아레스Ⅰ은 오리온을 지구 궤도에 올려놓는 로켓이고, 아레스Ⅴ는 달 착륙선과 ‘지구 탈출 1단로켓’(Earth departure stage)을 발사하는데 쓰인다.

즉, 달 착륙선과 지구탈출 1단로켓을 아레스 V에 실어 발사하고 몇일 뒤에 우주인이 탄 오리온이 아레스 I에 실려 지구궤도에 도착하게된다.

그 후 오리온은 지구궤도에서 달 착륙선 및 지구 탈출 1단계 로켓과 도킹한 뒤 달로 향하게 된다.

이때 지구 중력권을 벗어나면 1단로켓은 버려지게 되며 달에서 우주인은 오리온에서 착륙선으로 옮겨탄 뒤 표면에 내려 몇일간 탐사를 하게된다.

다시 달 궤도에서 오리온과 만나 지구로 귀환하는 도중 오리온의 서비스모듈을 버리고 캡슐만 지구 대기에 진입해 착륙하게 된다.

이때 우주왕복선처럼 착륙이 불가능하므로 낙하산을 이용하여 오리온이 안전하게 대기권을 통과할 수 있도록 속도를 줄이게 된다.

한편, 러시아도 2015년 소유즈 우주선을 대체할 차세대 우주선인 클리퍼를 개발하고 있다.

이 우주선은 세계 유일의 민간 궤도 기지로 2015년부터 승무원과 보급물자를 수송하게 된다.

6인승 우주선인 클리퍼는 현재 국제우주정거장(ISS)에 한번에 갈 수 있는 소유즈의 3명 탑승인원을 크게 늘릴 수 있을 것으로 예상되며 화물을 500kg가지 수송할 수 있게 된다.