화성 기지를 걷기

아직 아무도 짓지 않은 기지

미래의 화성 기지 그림에는 보통 둥근 지붕과 로버, 붉은 하늘이 나옵니다. 그런데 그 그림만으로는 건물이 얼마나 큰지, 서로 얼마나 떨어져 있는지, 그 사이를 걸으면 어떤 느낌인지 알기 어렵습니다. 이 전시는 작은 기지 하나를 실제 크기로 펼쳐 놓고, 서 있는 사람의 눈높이 1.6 m로 그 사이를 걸어 보게 합니다.

가장 먼저 알아 둘 사실이 있습니다. 이 기지는 실제로 있는 것이 아닙니다. 화성에 내린 사람은 아직 없고, NASA도 화성 거주 모듈의 최종 설계를 정하지 않았습니다. NASA가 내놓은 것은 연구 자료입니다. 2009년의 「화성 설계 기준 아키텍처 5.0(DRA 5.0)」은 표면에 약 500일 머무는 장기 체류 임무를 그립니다. 화물을 승무원보다 먼저 내려 두고, 화성 공기에서 산소를 만들고, 먼 거리는 여압 로버로 다니는 계획입니다. 2023년 NASA의 「화성 표면 거주 모듈 구상 설계」 연구는 큰 여압 로버에서 생활하는 대신, 따로 지은 거주 모듈과 지붕 없는 지형 차량을 함께 쓰는 방안을 살핍니다. 모형은 이 연구들에서 주요 구성 요소를 가져왔습니다. 크기와 배치, 색은 모형을 위해 정한 것입니다.

화면에 나오는 숫자는 사정이 다릅니다. 중력, 기압, 기온, 하루의 길이, 지평선까지의 거리, 전파가 오가는 데 걸리는 시간은 모두 NASA 자료에서 나왔고, 아래에서 하나씩 계산해 보입니다.

거주 모듈이 다리 위에 서고 에어로크를 단 까닭

모형의 거주 모듈은 폭 8 m의 둥근 건물로, 다리 여섯 개 위에 바닥을 땅에서 1.3 m 띄워 놓았습니다. 바닥이 높은 것은 NASA 2009년 계획이 거주 모듈을 들여오는 방식과 맞습니다. 땅 위에서 조립하지 않고, 다 만든 모듈을 자기 착륙선에 얹은 채로 내리기 때문입니다. 높이는 먼지에도 도움이 됩니다. 화성 먼지는 아주 고와서 바람을 타고 떠다니다가 땅에 놓인 물건에 쌓입니다.

남쪽으로 짧은 원통이 튀어나와 있습니다. 이것이 에어로크입니다. 승무원은 안으로 들어가 안쪽 문을 닫고, 공기를 거주 모듈 쪽으로 되돌린 다음에야 바깥 문을 엽니다. 이 단계를 건너뛰면 밖에 나갈 때마다 에어로크 안의 공기를 통째로 버리게 됩니다. 숨 쉴 공기를 모두 만들거나 실어 와야 하는 행성에서는 큰 손실입니다.

동쪽에 세워 둔 여압 로버는 밖으로 나가는 또 다른 방법을 보여 줍니다. 로버 뒷벽에는 우주복이 바깥에서 붙는 고리, 슈트포트 두 개가 있습니다. 승무원은 선실 안에서 우주복 등판을 열고 들어가 몸을 넣은 뒤 떨어져 나옵니다. 먼지 묻은 우주복은 바깥에 남습니다. 에어로크와 같은 문제를 공기를 덜 잃으면서 푸는 방법이라 모형에 넣었습니다.

약한 햇빛과 태양광 패널

화성은 평균적으로 지구보다 해에서 약 1.52배 멀리 있습니다. 햇빛은 거리의 제곱에 반비례해 퍼지므로 1 m²마다 받는 양이 줄어듭니다. NASA 화성 자료표는 화성의 평균 거리에서 586.2 W/m², 지구는 1,361 W/m²로 적고 있습니다. 586.2 ÷ 1,361 = 0.43이니 43%입니다.

모형의 태양광 패널은 세 줄에 15장이고, 한낮의 해를 향해 기울어 있습니다. 이 가상의 터는 적도에서 북쪽으로 22° 떨어져 있어서 한낮의 해가 남쪽 하늘에 뜹니다. 먼지도 문제입니다. 유리 위에 먼지가 앉으면 바람이 쓸어 가거나 사람이 닦을 때까지 전력이 더 줄어듭니다. 태양광으로 움직이던 화성 착륙선들도 이렇게 전력을 잃어 왔습니다.

모형에 태양광 패널을 놓은 것은 눈에 잘 보이고 둘러보기 쉬워서입니다. 실제로 NASA 2009년 기준 계획은 표면 전원으로 원자로를 골랐습니다. 원자로는 밤에도, 먼지 폭풍 중에도 전력을 고르게 내고, 산소를 만드는 데는 전기가 많이 들기 때문입니다. 실제 기지는 둘 중 하나를 쓰거나 둘 다 쓸 수 있습니다.

퍼서비어런스의 MOXIE가 보여 준 것

NASA 자료표에 따르면 화성 공기는 부피로 95.1%가 이산화탄소이고 산소는 0.16%뿐입니다. 그대로는 숨 쉴 수 없지만, 이산화탄소 안에 산소가 들어 있습니다. CO₂ 분자를 쪼개면 산소와 일산화탄소가 나옵니다.

NASA는 퍼서비어런스 로버에 실은 MOXIE(화성 산소 현지 자원 활용 실험)로 이것을 화성에서 시험했습니다. NASA는 MOXIE를 전자레인지만 한 장치라고 설명합니다. 화성 공기를 빨아들여 압축하고, 전기화학 반응으로 CO₂ 분자마다 산소 원자 하나를 떼어 냈습니다. 2021년 착륙 뒤부터 2023년 8월 7일 마지막 가동까지 모두 16번 산소를 만들었습니다. NASA가 밝힌 숫자는 다음과 같습니다.

• 산소를 모두 122 g 만들었습니다. 작은 개가 10시간 동안 들이마시는 양쯤입니다.
• 가장 잘될 때 한 시간에 12 g을 만들었습니다. NASA가 처음 세운 목표의 두 배입니다.
• 순도는 98% 이상이었습니다.
• 16번째 마지막 가동에서는 9.8 g을 만들었습니다.

MOXIE는 시험 장치였습니다. NASA는 다음 단계가 산소를 액체로 만들어 저장하는 장치까지 갖춘 실물 크기 시스템이라고 말합니다. 임무 계획에서 이 산소의 대부분은 승무원을 화성에서 다시 띄워 올릴 로켓의 추진제로 쓰입니다. 모형의 산소 생산 장치는 그런 실물 크기 시스템을 나타냅니다. 안쪽의 금색 상자는 MOXIE를 떠올리게 하려고 넣었고, 옆의 흰 공 두 개는 저장 탱크입니다.

0.38 g에서 걷고 뛰기

NASA 자료표는 화성 표면의 평균 중력을 3.73 m/s², 지구는 9.82 m/s²로 적습니다. 3.73 ÷ 9.82 = 0.38이므로 몸무게가 지구의 38%가 됩니다. 질량은 그대로라서 움직이기 시작하거나 멈출 때 드는 힘은 지구와 같습니다.

점프 버튼은 초속 2.0 m로 뛰어오르게 합니다. 가볍게 뛰는 정도입니다. 중력 g를 거슬러 올라가면 높이 h = v² / 2g까지 오르고 t = 2v / g 동안 떠 있습니다.

• 화성: h = 2.0² ÷ (2 × 3.73) = 4 ÷ 7.46 = 0.54 m, t = 2 × 2.0 ÷ 3.73 = 1.07초
• 지구: h = 4 ÷ (2 × 9.82) = 0.20 m, t = 4 ÷ 9.82 = 0.41초

높이는 9.82 ÷ 3.73 = 2.63배 차이가 납니다. 조작에서 지구 중력을 켜고 다시 뛰면 차이가 보입니다. 왼쪽 위 표시판에 마지막 점프의 높이와 체공 시간이 나오고, 화면 한 장면이 꼭짓점을 건너뛰어도 모형이 가장 높은 지점을 정확히 계산합니다. 한 가지는 솔직히 밝혀 둡니다. 실제 우주복은 무거워서 같은 다리 힘으로도 더 느리게 뛰어오릅니다. 모형은 우주복 무게를 넣지 않았습니다.

묽고 차가운 공기와 조금 긴 하루

거주 모듈 가까이 있는 기상 마스트는 화성 착륙선들이 싣고 간 기상 장비를 나타냅니다. 잰 값은 왼쪽 위 표시판에 나옵니다.

• 기압: 자료표는 평균 반지름 높이에서 6.36 mb(6.36 hPa)이고 계절에 따라 4.0~8.7 mb로 바뀐다고 적습니다. 지구 해수면은 1,013 hPa이므로 화성은 그 0.6%쯤입니다. 이 정도 기압에서는 보호 장비 없이 몸속 액체가 끓기 시작하므로, 우주복과 여압된 방이 꼭 있어야 합니다.
• 기온: 바이킹 1호 착륙지에서는 해 뜨기 전 약 −89 °C에서 오후 −31 °C까지 오르내렸습니다. 자료표의 행성 평균은 약 −59 °C입니다. 시각을 움직이면 모형은 바이킹 1호의 최저·최고 기온 사이를 매끈한 곡선으로 따라갑니다.
• 하루 길이: 화성의 태양일인 1솔은 24.6597시간이고 24시간 39분 35초입니다. 임무 팀은 1솔을 24개의 「화성 시간」으로 나누는데, 한 시간이 24.6597 ÷ 24 = 1.0275 지구 시간, 약 61.65분입니다. 표시판의 시계가 이 시간을 씁니다.

노을이 파랗게 물드는 까닭

로버가 찍은 사진에서 화성의 낮 하늘은 버터스카치나 녹슨 쇠 같은 빛입니다. 그런데 해가 질 때는 해 바로 둘레의 하늘이 파랗게 됩니다. NASA의 큐리오시티 로버가 2015년 4월 15일, 임무 956번째 솔에 게일 크레이터에서 이 모습을 찍었습니다.

NASA는 이 사진(PIA19400) 설명에서 까닭을 이렇게 밝힙니다. 화성 공기 속 먼지는 알갱이가 고와서 파란빛이 파장이 긴 빛보다 대기를 더 잘 지나가게 합니다. 그래서 햇빛 속 파란빛은 해가 있는 쪽 하늘 가까이에 머뭅니다. 노란빛과 붉은빛은 하늘 전체로 흩어집니다. 그래서 낮에는 먼지의 녹슨 빛이 하늘을 채우고, 해 질 녘 빛이 훨씬 두꺼운 공기를 지날 때는 해 둘레의 파란빛이 두드러집니다.

모형의 하늘은 이 설명을 따르는 작은 셰이더로 칠했습니다. 하늘 대부분은 먼지 빛이고 지평선 쪽으로 갈수록 밝습니다. 해 둘레에는 빛무리가 모입니다. 해가 낮아지면 빛무리가 옅은 노랑에서 파랑으로 바뀌고, 해 반대쪽 하늘은 갈색으로 어두워집니다. 시각을 17시 50분쯤으로 옮기고 서쪽을 보세요.

지평선은 얼마나 멀까

화성은 지구보다 작은 공이라서 땅이 더 빨리 휘어 내려갑니다. 반지름 R인 공 위에서 높이 h에 있는 눈이 보는 지평선까지의 거리는 d = √(2Rh + h²)입니다. NASA의 화성 부피 평균 반지름 R = 3,389.5 km와 h = 1.6 m를 넣으면 다음과 같습니다.

• d = √(2 × 3,389,500 × 1.6 + 1.6²) = √10,846,402.56 = 3,293 m, 약 3.3 km
• 지구(R = 6,371 km)에서는 같은 눈높이로 약 4,515 m, 4.5 km입니다.
• 달(R = 1,737.4 km)에서는 약 2,358 m입니다.

모형의 땅은 메시 하나로 되어 있고, 평평한 면보다 x² / 2R만큼 내려가게 만들어서 지평선이 식이 말하는 자리에 놓입니다. 1~3 km 떨어진 낮은 메사들은 그 너머로 솟아 보입니다.

지구와 이야기하려면 기다려야 합니다

전파는 빛의 속도, 초속 299,792.458 km로 갑니다. NASA 자료표는 지구와 화성 사이 거리를 5,460만 km에서 4억 140만 km까지로 적습니다. 거리를 빛의 속도로 나누면 편도 지연 시간이 나옵니다.

• 가장 가까울 때: 54,600,000 ÷ 299,792.458 = 182초, 3.0분
• 평균적인 충 때(7,834만 km): 261초, 4.4분
• 가장 멀 때: 401,400,000 ÷ 299,792.458 = 1,339초, 22.3분

가장 멀 때는 질문을 보내고 답을 받기까지 45분쯤 걸립니다. 실시간 대화는 할 수 없으니 승무원은 문제를 스스로 풀고, 편지 같은 메시지를 주고받게 됩니다. 조작의 「지구와 화성 거리」를 움직이면 표시판이 지연 시간을 다시 계산합니다. 또 약 780일(NASA 자료표의 회합 주기, 26개월쯤)마다 해가 두 행성 사이에 들어오는데, 이것을 합(solar conjunction)이라고 합니다. 이때 해에서 나온 뜨겁고 전기를 띤 기체가 전파를 망가뜨릴 수 있어서, NASA는 몇 주 동안(2023년 11월에는 2주) 화성 탐사선에 명령을 보내지 않습니다.

열 구역을 한 번에 걷습니다

기지는 평평하게 다진 같은 평원 위 열 구역에 펼쳐져 있습니다. 출발점은 다리 위의 거주 모듈과 에어로크, 첫 태양광 패널이 있는 마당입니다. 남쪽에는 지붕을 걷어 낸 거주 모듈 속과 우주복 정비실, 온실이 있습니다. 서쪽에는 흙 둑 뒤에 작은 원자로를 둔 발전 구역이, 동쪽에는 산소 공장과 얼음 채굴장, 그다음에 로버 차고가 있습니다. 착륙장은 남동쪽으로 떨어져 있고, 이정표와 암석 표본이 있는 전망대는 북쪽에, 탐사선 모형이 길게 늘어선 전시장은 남서쪽에 있습니다.

구역을 열면 어디로든 바로 가고, 도감에서는 144개를 이름이나 종류로 찾을 수 있습니다. 오른쪽 위의 작은 지도를 한 번 누르면 커지고, 한 번 더 누르면 그 자리로 갑니다. 구역마다 처음 가까이 갈 때 만들어지므로, 가 보지 않은 곳 때문에 페이지가 무거워지지 않습니다.

기지 구역은 구상입니다. 저마다 NASA나 ESA의 연구, 국제우주정거장의 실험, 지구의 시험 시설에서 빌려 왔고, 카드에 출처를 적었습니다. 탐사선 전시장은 다릅니다. 실제로 있었던 기계를 실제 크기로 만들고, 착륙 날짜와 장소는 NASA와 CNSA의 기록을 따랐습니다.

거주 모듈 속: 휴스턴의 3D 프린팅 건물

마당 남쪽의 단면은 휴스턴 존슨 우주센터에 있는 NASA의 CHAPEA 거주지 마스 듄 알파를 따랐습니다. 시멘트 같은 재료를 층층이 찍어 올린 1,700제곱피트, 약 158 m²의 단층 건물입니다. 2023년 6월부터 2024년 7월까지 자원자 네 명이 메시지 지연과 한정된 보급품, 모의 바깥 활동을 겪으며 378일 동안 화성에 있는 것처럼 살았습니다.

NASA가 밝힌 건물 안에는 개인 침실 네 개, 작업대, 의무실, 함께 쓰는 거실, 주방, 작물 재배대가 있습니다. 모형도 같은 것들을 비슷한 자리에 두었습니다. 남쪽 문으로 들어가면 둥근 식탁이 있는 공용 공간입니다. 침실은 서쪽 벽을 따라, 주방과 식료품 창고는 북쪽에, 운동 기구와 재배대는 동쪽에 있습니다. 햇빛이 들고 벽 너머가 보이도록 지붕을 걷어 냈습니다.

몇몇은 화성 기지에 중요한 숫자를 안고 있습니다. 구석의 폭풍 대피소는 물통과 보급품으로 벽을 둘렀습니다. 큐리오시티의 방사선 측정기가 표면에서 우주선(宇宙線)으로 하루 평균 약 0.67밀리시버트를 쟀기 때문입니다. 물 재활용 장치와 공기 정화 장치는 우주정거장에서 이미 쓰는 시스템을 나타냅니다. 한 사람은 하루에 이산화탄소를 1 kg쯤 내쉬고, NASA 생명 유지 기준값에 따르면 산소를 0.82 kg 들이마십니다.

우주복 정비실과 비싼 공기

거주 모듈 안의 공기는 지구 해수면 기압 1,013 hPa에 가깝습니다. 바깥은 평균 6.36 hPa입니다. 에어로크를 채우고 비울 때마다, 먼저 펌프로 거주 모듈에 되돌리지 않으면 안의 공기를 잃습니다. 정비실의 펌프가 몇 헥토파스칼까지 공기를 되돌리고, 남은 묽은 공기만 밖으로 나갑니다. 에어로크를 작게 만드는 까닭도 같습니다.

우주복 출입구는 또 다른 답입니다. 우주복이 바깥벽에 걸려 있고 등 해치가 고리에 붙어 있습니다. 입는 사람이 안에서 등 쪽으로 들어간 뒤 떨어져 나갑니다. 비워야 할 방이 없고, 먼지 묻은 우주복은 안으로 들어오지 않습니다. NASA의 여압 로버 연구도 같은 까닭으로 우주복 출입구를 씁니다.

먼지도 공기만큼 문제입니다. 화성 먼지는 아주 고와서 천에 달라붙고, 피닉스는 흙 속에서 0.5%쯤의 과염소산염을 찾았습니다. 과염소산염은 사람에게 해로우므로 정비실에 먼지 털기 자리가 있고, 흙 시료는 거주 모듈의 밀폐 글러브박스 안에서 다룹니다.

조작에서 우주복 입기를 끄면 맨몸으로 선 공기가 어떤지 나옵니다. 6 hPa는 물이 체온에서 끓는 기압보다 훨씬 낮고, 사람은 15초쯤 지나 정신을 잃습니다. 경고에서 우주복 없이 우주에 선 전시로 이어집니다.

빨간빛과 파란빛 아래에서 기르는 식량

식물은 주로 빨간빛과 파란빛을 씁니다. 엽록소는 630~660나노미터쯤의 빨간빛과 450 nm쯤의 파란빛을 잘 흡수하고 초록빛은 많이 되쏩니다. 그래서 우주정거장의 식물 조명은 대부분 빨강·파랑 LED이고, 승무원 눈에 잎이 자연스럽게 보여 문제를 알아차리기 쉽도록 초록을 조금 더합니다.

우주정거장의 NASA Veggie 장치에서 기른 적로메인 상추를 2015년 8월 우주비행사들이 먹었고, 2016년에는 백일홍이 피었습니다. 그 뒤 더 큰 첨단 식물 재배 장치에서 무를, 2021년에는 고추를 길렀습니다. 지구에서는 독일항공우주센터가 2018년부터 2023년까지 남극 노이마이어 III 기지에서 400 m 떨어진 곳에 EDEN ISS 온실을 운영했습니다. 첫해에 12.5 m²의 재배 면적에서 식량 268 kg을 길렀고, 빛은 1 m²에 1초마다 330~600마이크로몰, 기온 21 °C, 이산화탄소 1,000 ppm쯤으로 맞췄습니다.

모형 온실에는 재배대가 여섯 개 있습니다. 잎채소, 상추, 백일홍, 고추, 무, 키 작은 밀입니다. 맨 끝에 화성 흙을 담은 시험대가 있고, 먼저 과염소산염을 씻어 내야 한다는 설명이 붙어 있습니다. 화성에도 좋은 점이 하나 있습니다. 공기가 거의 이산화탄소라서 식물에 필요한 CO₂를 바깥에서 끌어올 수 있습니다.

먼지 폭풍 때 패널은 몇 장 필요할까

화면 숫자는 계절과 기지의 위도, 공기 속 먼지로 평평한 패널 한 장이 1솔 동안 받는 햇빛을 더해 보여 줍니다. 단계는 따라갈 만큼 간단합니다.

1. 대기 꼭대기의 햇빛. 화성과 해의 거리는 지구-해 거리의 약 1.38배에서 1.67배까지 바뀝니다. 빛의 세기는 1,361 W/m²를 그 거리의 제곱으로 나눈 값이라 약 715 W/m²에서 490 W/m²까지 오르내립니다. 계절 슬라이더가 화성을 궤도 위에서 움직이고, 근일점은 Ls 251°입니다.
2. 해의 높이. 1솔의 순간마다 기지 위도(북위 22°)와 계절의 적위로 해의 높이를 구하고, 평평한 패널이므로 그 높이의 사인을 곱합니다.
3. 먼지. 곧장 오는 햇빛은 e^(−τ/μ)만큼 줄어듭니다. τ는 먼지의 광학 깊이, μ는 해 높이의 사인입니다. 먼지에 흩어져 들어오는 빛도 있는데, 모형에서는 먼지가 아주 짙어지면 이 몫도 줄어듭니다. 이 마지막 단계는 모형 값이고, 아주 짙은 먼지가 1솔의 햇빛을 10분의 1 아래로 줄이도록 정했습니다.
4. 패널. 패널 한 장은 2.5 m × 1.5 m, 3.75 m²이고 빛의 25%를 전기로 바꿉니다(모형 값).

맑은 공기(τ 0.5)와 Ls 0°에서 패널 한 장은 1솔에 약 2.6 kWh를 모읍니다. 모형 기지는 늘 5 kW를 쓰니 1솔에 5 × 24.66 = 123 kWh이고, 패널이 약 48장 필요합니다. τ 5에서는 같은 패널이 약 0.67 kWh를 모아 약 184장이 필요합니다. 오퍼튜니티 둘레의 τ가 10.8쯤까지 올라간 2018년 6월 같은 폭풍이라면 400장이 넘게 필요합니다. 이것이 첫 과제이고, NASA 계획이 자꾸 원자로로 돌아오는 까닭입니다.

해가 힘을 못 쓸 때의 원자로

NASA 킬로파워 사업은 2017년 11월부터 2018년 3월까지 네바다 국가안보시험장에서 작은 원자로 KRUSTY(스털링 엔진을 쓰는 킬로파워 원자로)를 시험했습니다. 우라늄-235 노심이 나트륨 열관을 데우면, 열관이 그 열을 스털링 엔진으로 옮겨 전기로 바꿉니다. 시험에는 28시간 동안의 최대 출력 운전도 있었습니다. 이 일은 NASA 핵분열 표면 전력 사업으로 넘어가 달에서 10 kW급 시연을 목표로 합니다.

원자로는 밤이나 먼지에 상관없이 돕니다. 단점은 무게와 방사선, 열입니다. 모형 원자로는 발전 구역 저쪽 흙 둑 뒤에 서 있고, 엔진이 쓰지 못한 열을 내보내는 방열판을 달았습니다. 실제로는 훨씬 멀리 둡니다. 계획에서는 수백 m에서 1 km까지 이야기합니다.

큐리오시티와 퍼서비어런스는 이미 다른 종류의 원자력으로 움직입니다. 뒤에 달린 지느러미 원통, 다목적 방사성 동위원소 열전 발전기가 붕괴하는 이산화플루토늄의 열을 임무 초기에 약 110 W의 전기로 바꿉니다. 낮이든 밤이든 돕니다.

숨 쉴 산소와 로켓의 산소

MOXIE는 화성에서 기계가 공기로 산소를 만들 수 있음을 보여 주었습니다. 이 숫자를 기지로 바꾸려면 사람이 숨 쉬는 양에서 시작합니다. NASA 생명 유지 기준값은 승무원 한 사람이 하루에 산소 0.82 kg을 쓴다고 봅니다. 네 사람이 1솔(24.66시간) 동안 쓰는 양은 4 × 0.82 × 24.66 / 24 = 3.37 kg입니다.

가장 잘될 때의 속도인 한 시간 12 g으로 MOXIE만 한 장치 하나는 1솔에 12 × 24.66 = 296 g을 만듭니다. 3.37 kg을 0.296 kg으로 나누면 11.4이므로, 12대면 네 사람이 숨을 쉽니다. 이것이 전시의 산소 과제입니다.

숨 쉬는 몫은 작은 부분입니다. NASA 계획에서 산소 대부분은 승무원을 궤도로 올려 보낼 이륙선의 탱크로 갑니다. 로켓 추진제 질량의 대부분이 산소이기 때문입니다. kg이 아니라 톤 단위라서, 모형의 산소 공장은 컨테이너 하나만 하고 착륙장에는 로켓까지 이어진 연료관이 있습니다.

평원 아래의 얼음

물은 마실 것이고 방사선 벽이며, 산소와 로켓 연료의 원료입니다. 화성에는 얼어붙은 물이 많습니다. NASA 화성 정찰 궤도선의 SHARAD 레이더가 유토피아 평원 아래에서 슈피리어호만큼 물을 품은 얼음층을 찾았습니다. 같은 궤도선의 HiRISE 카메라는 중위도의 가파른 비탈에서 얇은 먼지 아래로 거의 순수한 얼음층이 드러난 곳을 찾았는데, 곳에 따라 1~2 m 아래였습니다. NASA의 지하 얼음 지도 사업은 여러 궤도선 자료를 모아 얼음이 표면 가까이 있는 곳을 지도로 그렸습니다.

모형의 얼음 구역에는 시추기, 물 탱크, 물을 수소와 산소로 나누는 전기분해 장치, 이산화탄소와 수소로 메테인과 물을 만드는 사바티에 반응기, 작은 굴착기, 광물 속에 물을 품은 흙을 데우는 가열로가 있습니다. 절벽은 그런 얼음 비탈 하나를 본뜬 것입니다.

로버, 바퀴, 실제 최고 속도

화성의 로버는 모두 일부러 느립니다. 운전은 지구에서 계획하고, 위험은 탑재 카메라로 확인하며, 바퀴는 귀합니다. 로버 속도 조작이 기지 로버를 평평하고 단단한 땅에서의 다음 최고 속도 가운데 하나로 맞춥니다.

마당의 로버 옆에 서서 R 키를 누르거나 운전을 누르세요. 큐리오시티 속도로 1분 동안 얼마나 가는지 보면 실감이 납니다.

차고에는 우주복 출입구가 달린 승무원 로버 구상과 짧은 거리용 개방형 로버, 바퀴 두 개가 있습니다. 지름 50 cm에 겉판 두께가 약 0.75 mm인 큐리오시티의 알루미늄 바퀴는 2013년부터 날카로운 바위에 구멍이 나고 찢어지기 시작했고, 지금은 바퀴를 아끼는 길을 골라 운전합니다. NASA 글렌 연구소의 답은 바위 위에서 휘었다가 되돌아오는 형상 기억 합금 철사 타이어입니다.

착륙장과 날아가는 자갈

헐거운 땅에 내리는 로켓은 흙과 돌을 빠른 속도로 바깥에 흩뿌립니다. 달에서 아폴로 12호는 탐사선 서베이어 3호에서 163 m 떨어진 곳에 내렸고, 지구로 가져온 서베이어 부품에는 분사에 맞은 자국이 있었습니다. NASA의 분사-표면 상호작용 연구가 달과 화성에서 바로 이것을 다룹니다. 모형의 답은 포장한 착륙장과 날아오는 것을 받아 낼 흙 둑, 그리고 거리입니다. 실제 계획은 착륙장을 거주지에서 1 km쯤 떨어뜨리지만, 모형은 걸어갈 수 있게 약 190 m로 당겼습니다.

착륙장의 착륙선은 다리 위에 원뿔을 얹은 일반 모양으로, 여러 승무원 착륙선 연구를 대표합니다. 어느 회사의 우주선도 본뜨지 않았습니다. 그 옆에는 NASA가 연구해 온 것처럼 표면에서 만든 산소로 연료를 채우는 이륙선이 있습니다.

화성에서 일한 모든 착륙선과 로버

탐사선 전시장에는 화성에 내려 자료를 보낸 탐사선마다 실제 크기 모형과 안내판이 있습니다.

처음 사뿐히 내린 것은 마르스 3호지만 1분도 안 돼 교신이 끊겨서, 보통은 바이킹 1호를 표면에서 처음 일한 탐사선으로 꼽습니다. 크기는 공개된 수치를 따랐습니다. 바이킹 착륙선은 다리 끝까지 약 3 m, 큐리오시티와 퍼서비어런스는 길이 3 m, 인사이트는 둥근 태양광 패널 두 장을 펴서 약 6 m, 피닉스는 5.5 m입니다. 세부는 단순하게 했고, 카드에 저마다 찾아낸 것을 적었습니다.

인저뉴어티의 첫 비행

인저뉴어티는 1.8 kg이고 지름 1.2 m의 날개 두 벌이 서로 반대로 돕니다. 2021년 4월 19일 3 m 떠올라 39.1초 동안 머물며 다른 행성에서 처음으로 동력 조종 비행을 했습니다. 비행 과제는 그다음 비행들을 헬리콥터 자리에서 실제 거리 그대로 땅 위에 펼쳤습니다. 3번 비행은 50 m를 갔다 돌아왔고, 4번은 133 m를 갔다 돌아왔으며, 5번은 B 비행장이라는 새 착륙 지점까지 129 m를 편도로 날았습니다. 걸어 보면 몇 분 걸리는데, 지구의 1% 밀도인 공기에서 1.8 kg짜리 비행기에게 133 m가 어떤 거리인지 느끼기에 알맞습니다. 인저뉴어티는 2024년 1월 날개가 부서질 때까지 72번 날았습니다.

전망대에서 보이는 것

마당 북쪽의 전망대에는 이정표와 로버들이 조사한 땅의 표본이 있습니다.

• 게일 크레이터는 폭 154 km이고 가운데에 높이 약 5 km의 층진 바위 더미 샤프산이 있습니다. 큐리오시티가 층마다 오르고 있습니다. 전망대의 층진 바위는 그런 암석을 나타냅니다.
• 예제로 크레이터는 폭 45 km로, 강이 흘러드는 호수가 있었고 그 강이 부채꼴 삼각주를 남겼습니다. 퍼서비어런스가 그곳에서 일합니다.
• 블루베리는 오퍼튜니티가 메리디아니 평원에서 찾은, 산화철 광물 적철석으로 된 작은 회색 구슬입니다. 암석 사이로 스며든 물속에서 생겼습니다. 구슬 밭에 서면 과제가 풀립니다.
• 현무암 모래로 된 검은 사구는 해마다 조금씩 움직입니다. 데워져 올라가는 공기의 회오리인 먼지 회오리가 평원을 떠돌고, 스피릿은 구세프 크레이터에서 이런 회오리를 많이 찍었습니다.
• 올림푸스산은 폭 약 600 km, 높이 약 22 km입니다. 모형은 기지를 꼭대기에서 서쪽으로 330 km 떨어진 곳에 두고(지어낸 배치), 가장자리 절벽을 뺀 단순한 원뿔로 그렸습니다. 330 km 사이에 땅이 d² / 2R = 330² / (2 × 3,389.5) = 16 km만큼 휘어 내려가므로, 꼭대기는 지평선 위 약 1°에 있어야 합니다. 그런데 약 120 km 앞의 가까운 비탈이 약 2°로 더 높이 솟아 꼭대기를 가립니다. 동쪽 지평선에 길고 낮은 능선이 보이고, 꼭대기는 끝내 보이지 않습니다.

포보스, 데이모스, 저녁별

화성에는 작은 위성이 둘 있습니다. 27 × 22 × 18 km인 포보스는 표면에서 겨우 6,000 km쯤 위를 7시간 39분에 한 바퀴 돌아, 화성이 자전하는 것보다 빠릅니다. 그래서 서쪽에서 떠 동쪽으로 지며 4시간쯤 만에 하늘을 건너고, 1솔에 두 번 그럽니다. 땅에서 보면 지구에서 본 달의 3분의 1쯤 크기입니다. 지름 12 km쯤인 데이모스는 훨씬 멀리 돌아서 밝은 별처럼 보입니다. 시각 슬라이더를 움직이면 둘이 하늘을 건너는 모습이 보입니다.

화성에서 보면 지구는 우리에게 금성이 그렇듯 안쪽 행성입니다. 해에서 47°쯤 넘게 벗어나지 않아 파란 저녁별이나 새벽별로 보입니다. 모형은 지구와 화성 거리로 지구의 자리를 정합니다. 1억 7,200만 km이면 해에서 약 41° 떨어져 해가 진 뒤 두어 시간 보일 만큼 높습니다. 오늘의 거리를 켜면 NASA JPL의 근사 궤도 요소로 계산한 오늘의 실제 위치를 씁니다. 큐리오시티는 2014년 1월 31일 게일 크레이터에서 지구와 달을 찍었습니다.

모형과 실제 기지가 다른 점

• 기지의 배치와 크기는 모두 모형을 위해 정했습니다. NASA에는 연구가 있을 뿐 최종 설계는 없습니다.
• 걸어 다닐 수 있게 시설을 가까이 모았습니다. 실제 계획은 착륙장과 원자로를 거주지에서 수백 m에서 1 km 떨어뜨립니다.
• 거주 모듈 단면은 NASA가 밝힌 CHAPEA의 방 목록을 따랐고, 평면도를 따른 것은 아닙니다.
• 기지의 위도(북위 22°)와 올림푸스산에서 서쪽으로 330 km라는 자리, 둘레 땅은 지어낸 것입니다.
• 태양광 출력은 패널 효율 25%와 단순한 먼지 모형을 썼습니다. 실제 출력은 패널 기울기와 온도, 유리 위 먼지에도 달려 있습니다.
• 기온은 바이킹 1호 착륙지의 최저·최고 사이를 부드러운 곡선으로 따릅니다. 실제 기온은 계절과 장소, 먼지에 따라 다릅니다.
• 탐사선 모형은 실제 크기지만 단순하게 만들었고, 실제로는 행성 곳곳에 흩어져 있는 것을 한곳에 모았습니다.
• 점프는 우주복의 질량을 따지지 않았습니다.