한국항공우주연구원

1. 개요

우주에서 유인탐사 임무를 수행할 때 탐사지역 현장에 있는 자원을 활용하는 기술(In-Situ Resource Utilization(이하 ISRU))은 특히 화성같이 지구로부터 멀리 떨어진 행성의 경우에 핵심적인 역할을 한다. 일찍부터 우주 선진국에서는 유인탐사 목적지의 자원을 활용하는 ISRU 연구가 진행되어 오긴 했으나, 아직까지는 지구에서의 실험적인 단계 수준에 머물러 있고, 이동하는 데만 장시간이 걸리는 행성에서 바로 ISRU를 구현하는 것은 많은 위험을 내포할 수밖에 없다. 오바마 정부 출범 이후 2010년에 착수된 NASA의 소행성궤도변경임무(Asteroid Redirect Mission(이하 ARM))는 지구 근거리에 있는 자원이 풍부한 소행성의 일부 암석에서 ISRU를 실험함으로써 원거리에 따른 위험을 줄이고 화성, 달보다 낮은 중력의 이점을 이용하여 ISRU를 효과적으로 수행하는 것을 목표로 하고 있다.  

NASA는 ARM 수행 목적을 다음과 같이 제시하고 있다.

- 소행성 유인탐사를 통해 화성 유인탐사에 필요한 시스템 기술과 운영 경험 축적

- 미래 심우주 유인탐사의 가능성을 넓히는 새로운 태양전기추진 시스템과 로봇 시스템 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 가능하게 함으로써 과학적·협력적 이점을 제공할 수 있는 기회 창출

2. ARM 임무

NASA는 ARM 개념연구 결과 소행성 탐사에 대한 두 가지 방안을 제시하였다. 첫 번째 안은 크기가 작은 근지구 소행성(Near-Earth Asteroid: NEA) 전체를 지구-태양 사이 공간(Cislunar)으로 이동시켜 소행성에서 직접 ISRU를 수행 것이며, 두 번째 안은 지름이 100미터 이상이 되는 소행성에서 로봇을 이용하여 암석을 채굴한 후 Cislunar 공간으로 이동시키는 것이다. 이동하려는 위치는 달에서 7만 킬로미터 떨어져 있는 달 궤도(Lunar Distant Retrograde Orbit)이며, 이 안정적인 궤도를 도는 소행성·암석으로부터 자원을 지구로 가져오거나 자원 채굴과 처리 방법을 현장에서 실험·검증하면서 기술을 발전시키는 등 ISRU 실질적인 운영을 수행한다. ARM은 NASA에서 개발 중인, 특정 임펄스를 가진 고추력 태양전기추력(Solar Electric Propulsion: SEP)을 핵심적 기술로 사용할 계획이다.

<ARM 두 가지 안 개념도 : 소행성 포획 1안(좌), 소행성 암석 포획 2안(우)> * 해당 그림은 첨부파일 참고

<자료 : Asteroid Redirect Mission Concept: A Bold Approach For Utilizing Space Resources, Daniel Mananek (2014 IAC 논문)>

ARM은 탐색·선정(identify), 궤도변경(redirect), 탐사(explore)라는 세 가지 분야로 구분할 수 있다. ‘탐색·선정’ 단계에서는 소행성 후보를 탐색하고 각 특성을 분석하며 주로 지상에 있는 관측시스템을 이용한다. 소행성의 암석을 달 궤도로 옮기는 두 번째 안을 구현하기 위해 101955 Bennu, 1999 JU3라는 소행성이 후보로 선정되었다. Bennu는 NASA의 OSIRIS-REx 탐사선이 사전 탐사 및 샘플 리턴을 위해 지난 2016년 9월 8일에 발사되었고 (Bennu 샘플을 채취하여 지구 귀환 예정), JU3은 일본 JAXA의 Hayabusa 2 탐사선이 임무를 맡을 예정으로서, 소행성 암석의 특성을 파악하는 것이 주요 임무이다.

‘궤도변경’은 소행성이나 암석을 달-지구 사이 공간으로 이동하는 단계로서 로봇이 수행하는 부분이기 때문에 Asteroid Redirect Robotic Mission(ARRM) 이라고도 한다. 첫 번째 안의 경우 크기가 4~10m, 무게는 1,000 톤의 소행성까지 가능다고 보고 있으며, 두 번째 안은, 2~4m 크기에 70 톤의 암석을 포획하는 시스템을 설계하고 있다. 점차 기술적 발전과 운영 경험의 누적을 통해 이동 가능한 무게의 한도를 더욱 넓힐 수 있을 것으로 보고 있다.

‘탐사’ 단계는 Asteroid Redirect Crewed Mission(ARCM)이라고 하여 Space Launch system(SLS) 발사체와 Orion 유인캡슐을 통해 유인 임무를 수행하는 것이다. 우주비행사는 소행성 또는 암석과 랑데부하여 샘플을 채취한 후 지구로 귀환하게 된다. ARCM 임무는 2020년 후반 경에 추진하는 것으로 목표를 세우고 있다.

3. 소행성 자원의 활용

ISRU로 사용될 수 있는 소행성 자원은 다음과 같다.

(1) 토양(regolith) : (a) 산화광물에서 채취 가능한 산소, (b) 철, 니켈, 플래티늄

(2) 물과 휘발성 물질(volatiles)

(3) 방사선 보호 및 구조물 제조를 위한 대량의 재료

이 물질들이 모든 소행성들에 존재하는 것이 아니기 때문에 어느 소행성이 ISRU 목적에 적합한지 물질에 대한 분석이 필요하다. 이를 위해 현재도 반사율이나 분광 데이터를 사용하여 소행성 구성 물질을 연구하고 있다. 소행성 유형 분류를 위해 지구로 떨어진 운석으로부터 수집한 물질들을 연구하여 기본적인 소행성 유형 분류를 한 결과 다음과 같이 나타낼 수 있다. (운석 채취물을 기준으로 하였기 때문에 정확성이 떨어질 수 있음)

<소행성 유형별 확보 가능한 자원> *해당 표능 첨부파일 참고

S 유형에 속한 소행성은 규산염(silicate)이 많아 산소를 추출하기에 좋은 후보가 된다. 소행성으로부터 떨어진 운석의 96%가 이 유형에 속한다. 운석의 나머지 4%는 석질-철 소행성(1%), 철(M 유형) 소행성(3%)으로 구성되어 있다. 금속 자원은 부품을 만드는 재료로 활용될 수 있기 때문에 매우 중요하다. 이 자원들은 주조, 기계가공, 단조(forge) 등의 전통적 방식 또는 레이저 소결(Selective Laser Sintering)이나 레이저 용해(Selective Laser Melting)의 새로운 적층 제조방식(3D프린팅 등)을 통해 부품으로 제작될 수 있다. 현지 자원의 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 이용될 로봇 자동기술을 완벽히 구현하기 위해서는 텔레로보틱이 가능해야 하는데, 소행성의 기존 궤도에서는 통신시간 지연(한 방향 통신에 몇 분 소요됨)이 발생한다. 그러나, 자원을 Cislunar 위치로 이동시키면 지구 통신 지연 문제가 어느 정도 감소될 수 있다.

자원에 대한 접근성과 자원의 물리적 상태는 채굴 작업에 중요한 영향을 끼친다. 금속성이 아닌 소행성들의 대부분은 低강도 돌더미로 되어있으며 토양은 높은 열관성(thermal inertia)을 띠고, 달보다 중력이 낮다. 흙이나 암석이 많을 것으로 예상되어 미세 임팩트나 토지 가드닝을 실시하면 크기별 분류가 가능할 것이다. 태양풍으로 인해 소행성의 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 주로 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 재료로 활용될 수 있다. 또한, 많은 양의 토양이나 암석을 구조물, 패널 등을 제조할 때 사용하면 방사선 보호 효과를 높이는데 기여한다.

4. 소행성 자원 활용의 파급효과

소행성의 풍부한 자원을 활용하는 기술, 즉 채굴, 처리, 저장, 이전 기술은 추진제, 소비재, 보호장비 등을 만드는데 활용되고 3-D 프린팅 기술은 구조물과 우주비행체 부품, 엔진 등을 만드는데 큰 기여를 할 것이다. 최근 NASA의 Deep Space 1과 Dawn 비행체에서 사용되기도 했던 전기추진 기술의 발전은 앞으로 소행성 또는 대량 자원의 Cislunar 위치로의 이동 가능성을 높였다. 이러한 기술들의 발전 덕택에 ISRU 기술은 개념검증 단계에서 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 Phobos, Deimos 또는 近화성 소행성의 자원을 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 Mananek 외, 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

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