mecㆍviewer v1.4 :: [정책]161013_우주자원활용(ISRU)을 위한 미국 소행성궤도변경임무(ARM)

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우주자원활용

을 위한

(ISRU)

미국 소행성궤도변경임무(ARM)

작성

한국항공우주연구원 김은정 선임연구원

(

)

개요

우주에서 유인탐사 임무를 수행할 때 탐사지역 현장에 있는 자원을 활용하는 기술

이하

은 특히 화성같이 지구로부터 멀리 떨어진 행성

(In-Situ Resource Utilization(

ISRU))

의 경우에 핵심적인 역할을 한다 일찍부터 우주 선진국에서는 유인탐사 목적지의 자원을

활용하는

연구가 진행되어 오긴 했으나 아직까지는 지구에서의 실험적인 단계 수준

ISRU

에 머물러 있고 이동하는 데만 장시간이 걸리는 행성에서 바로

를 구현하는 것은 많

ISRU

은 위험을 내포할 수밖에 없다 오바마 정부 출범 이후

년에 착수된

의 소행성

2010

NASA

궤도변경임무

이하

는 지구 근거리에 있는 자원이 풍부

(Asteroid Redirect Mission(

ARM))

한 소행성의 일부 암석에서

를 실험함으로써 원거리에 따른 위험을 줄이고 화성 달

ISRU

보다 낮은 중력의 이점을 이용하여

를 효과적으로 수행하는 것을 목표로 하고 있다

ISRU

는

수행 목적을 다음과 같이 제시하고 있다

NASA

ARM

소행성 유인탐사를 통해 화성 유인탐사에 필요한 시스템 기술과 운영 경험 축적

미래 심우주 유인탐사의 가능성을 넓히는 새로운 태양전기추진 시스템과 로봇 시스

템 기술 검증

근지구 소행성의 탐지 추적 연구를 발전시켜 지구 방위 전략을 공고히 함

지구 방위를 위한 영향감소 전략을 위한 기본적인 행성 방위 기술을 검증

작은 천체들에 대한 지식을 넓히고 상업적 또는 탐사를 위한 소행성 자원 채굴을 가

능하게 함으로써 과학적 협력적 이점을 제공할 수 있는 기회 창출

임무

2. ARM

는

개념연구 결과 소행성 탐사에 대한 두 가지 방안을 제시하였다 첫 번째

NASA

ARM

안은 크기가 작은 근지구 소행성

전체를 지구 태양 사이 공

(Near-Earth Asteroid: NEA)

간

으로 이동시켜 소행성에서 직접

를 수행 것이며 두 번째 안은 지름이

(Cislunar)

ISRU

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미터 이상이 되는 소행성에서 로봇을 이용하여 암석을 채굴한 후

공간으로

100

Cislunar

이동시키는 것이다.1) 이동하려는 위치는 달에서 만 킬로미터 떨어져 있는 달 궤도

(Lunar

이며 이 안정적인 궤도를 도는 소행성 암석으로부터 자원을 지

Distant Retrograde Orbit)

구로 가져오거나 자원 채굴과 처리 방법을 현장에서 실험 검증하면서 기술을 발전시키는

등

실질적인 운영을 수행한다

은

에서 개발 중인 특정 임펄스를 가진

ISRU

. ARM

NASA

고추력 태양전기추력

을 핵심적 기술로 사용할 계획이다

(Solar Electric Propulsion: SEP)

두 가지 안 개념도

소행성 포획 안 좌

소행성 암석 포획 안 우

<ARM

1 ( ),

2 ( )>

자료

논문

: Asteroid Redirect Mission Concept: A Bold Approach For Utilizing Space Resources, Daniel Mananek (2014 IAC

은 탐색 선정

궤도변경

탐사

라는 세 가지 분야로 구분

ARM

(identify),

(redirect),

(explore)

할 수 있다

탐색 선정 단계에서는 소행성 후보를 탐색하고 각 특성을 분석하며 주로 지

. ‘

’

상에 있는 관측시스템을 이용한다 소행성의 암석을 달 궤도로 옮기는 두 번째 안을 구현

하기 위해

라는 소행성이 후보로 선정되었다

는

101955 Bennu, 1999 JU3

. Bennu

NASA

의

탐사선이 사전 탐사 및 샘플 리턴을 위해 지난

년 월 일에 발사

OSIRIS-REx

2016

되었고

샘플을 채취하여 지구 귀환 예정

은 일본

의

탐

(Bennu

), JU3

JAXA

Hayabusa 2

사선이 임무를 맡을 예정으로서 소행성 암석의 특성을 파악하는 것이 주요 임무이다

궤도변경 은 소행성이나 암석을 달 지구 사이 공간으로 이동하는 단계로서 로봇이 수

‘

’

행하는 부분이기 때문에

이라고도 한다 첫

Asteroid Redirect Robotic Mission(ARRM)

번째 안의 경우 크기가

무게는

톤의 소행성까지 가능다고 보고 있으며

4~10m,

1,000

두 번째 안은

크기에

톤의 암석을 포획하는 시스템을 설계하고 있다 점차 기

, 2~4m

술적 발전과 운영 경험의 누적을 통해 이동 가능한 무게의 한도를 더욱 넓힐 수 있을 것

으로 보고 있다.

탐사 단계는

이라고 하여

‘

’

Asteroid Redirect Crewed Mission(ARCM)

Space Launch

년 월

는 소행성 암석을 이동시키는 두 번째 안을 채택하였다

2015

NASA

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발사체와

유인캡슐을 통해 유인 임무를 수행하는 것이다 우주비행사

system(SLS)

Orion

는 소행성 또는 암석과 랑데부하여 샘플을 채취한 후 지구로 귀환하게 된다

임

. ARCM

무는

년 후반 경에 추진하는 것으로 목표를 세우고 있다

2020

소행성 자원의 활용

로 사용될 수 있는 소행성 자원은 다음과 같다

ISRU

토양

산화광물에서 채취 가능한 산소

철 니켈 플래티늄

(1)

(regolith) : (a)

, (b)

물과 휘발성 물질

(2)

(volatiles)

방사선 보호 및 구조물 제조를 위한 대량의 재료

(3)

이 물질들이 모든 소행성들에 존재하는 것이 아니기 때문에 어느 소행성이

목적

ISRU

에 적합한지 물질에 대한 분석이 필요하다 이를 위해 현재도 반사율이나 분광 데이터를

사용하여 소행성 구성 물질을 연구하고 있다 소행성 유형 분류를 위해 지구로 떨어진 운

석으로부터 수집한 물질들을 연구하여 기본적인 소행성 유형 분류를 한 결과 다음과 같

이 나타낼 수 있다

운석 채취물을 기준으로 하였기 때문에 정확성이 떨어질 수 있음

. (

)

소행성 유형별 확보 가능한 자원

소행성 유형

주요 표면 광물

확보가능한 예상 자원

석질

S (

)

감람석 휘석 금속들

산화물 산소 금속

금속

M (

)

금속 안화휘석

철 니켈 백금 유형의 금속

탄소

C (

)

진흙 유기물

물 탄화수소 금속

D, P

유기물 무수 규산염

휘발성 물질 물

유형에 속한 소행성은 규산염

이 많아 산소를 추출하기에 좋은 후보가 된다 소

(silicate)

행성으로부터 떨어진 운석의

가 이 유형에 속한다 운석의 나머지

는 석질 철 소행

96%

성

철

유형 소행성

으로 구성되어 있다 금속 자원은 부품을 만드는 재료로

(1%),

)

(3%)

활용될 수 있기 때문에 매우 중요하다 이 자원들은 주조 기계가공 단조

등의 전통

(forge)

적 방식 또는 레이저 소결

이나 레이저 용해

(Selective Laser Sintering)

(Selective Laser

의 새로운 적층 제조방식

프린팅 등 을 통해 부품으로 제작될 수 있다 현지 자

Melting)

(3D

)

원의 활용은 부품 제작으로 시작하여 나중에는 지구에서 송신하는 디지털 정보를 이용한

전체 시스템 제조까지 가능하게 되면서 우주 시스템 산업의 기반 역할을 할 것이다.

소행성 자원 탐사에는 통신기술 또한 중요한 역할을 한다 우주 자원 채취 임무에 이용

될 로봇 자동기술을 완벽히 구현하기 위해서는 텔레로보틱이 가능해야 하는데 소행성의

기존 궤도에서는 통신시간 지연 한 방향 통신에 몇 분 소요됨 이 발생한다 그러나 자원

(

)

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을

위치로 이동시키면 지구 통신 지연 문제가 어느 정도 감소될 수 있다

Cislunar

자원에 대한 접근성과 자원의 물리적 상태는 채굴 작업에 중요한 영향을 끼친다 금속

성이 아닌 소행성들의 대부분은

강도 돌더미로 되어있으며 토양은 높은 열관성

低

을 띠고 달보다 중력이 낮다 흙이나 암석이 많을 것으로 예상되어 미세

(thermal inertia)

임팩트나 토지 가드닝을 실시하면 크기별 분류가 가능할 것이다 태양풍으로 인해 소행성

의 아주 작은 알갱이들은 없어졌거나 존재하더라도 토양 깊은 위치에 존재할 것이며 큰

물질들은 표면에 남아 있을 것이다 채굴 방식은 이러한 상태들을 고려하여 결정된다

지구에 남아있는 운석을 분석한 결과에 따르면 소행성 자원의 활용 초기단계에서는 주

로 발사체 추진제 생명유지 수분 구조물 금속 열 보호 또는 방사선 보호 장비 등이 될

것으로 보인다 수소는 원자질량이 가장 낮기 때문에 우주 방사선 보호 장비의 좋은 재료

로 활용될 수 있다 또한 많은 양의 토양이나 암석을 구조물 패널 등을 제조할 때 사용

하면 방사선 보호 효과를 높이는데 기여한다.

소행성 자원 활용의 파급효과

소행성의 풍부한 자원을 활용하는 기술 즉 채굴 처리 저장 이전 기술은 추진제 소비

재 보호장비 등을 만드는데 활용되고

프린팅 기술은 구조물과 우주비행체 부품 엔

3-D

진 등을 만드는데 큰 기여를 할 것이다 최근

의

과

비행체에

NASA

Deep Space 1

Dawn

서 사용되기도 했던 전기추진 기술의 발전은 앞으로 소행성 또는 대량 자원의 Cislunar

위치로의 이동 가능성을 높였다 이러한 기술들의 발전 덕택에

기술은 개념검증 단

ISRU

계에서 벗어나 산업화 단계로 더 빠르게 넘어갈 수 있을 것이다 지구와 달 사이 시스템

운영을 위해 소행성 자원을 가져와 사용할 수 있다면 미래에는 이 기술을 이용하여 화성

유인탐사나 거주를 위해 화성의 위성인

또는

화성 소행성의 자원을

Phobos, Deimos

近

이용하는 방법이 쉽게 구현할 수 있을 것이다.

이 글은 아래 링크의 기사를 참조하여 작성하였습니다.

※

‘Asteroid Redirect Mission Concept: A Bold Approach For Utilizing Space Resources’, Daniel

외

Mananek

, IAC 2014

‘Asteroid Redirect Mission at Critical Juncture’, Space Policy Online, 2016.8.9.

‘Atlas 5 launches NASA asteroid sample return mission’, Space News, 2016.9.8