[우주생물학을 만나다] 토성의 위성인 타이탄 탐사를 위한 여정
그림 1. Perserverance와 Ingenuity (출처: https://www.jpl.nasa.gov/)
그림 2. Ingenuity 이륙장면(출처: https://www.jpl.nasa.gov/)
안녕하세요, 이번 연재에서는 토성의 위성인 타이탄 탐사를 위한 연구에 대한 최신 내용에 대해 공유해드리고자 합니다.
2021년 2월 18일에 화성에 최초로 착륙한 퍼서비어런스(Perseverance) 화성 탐사차에 대해서 들어보셨을 겁니다(그림 1). 그리고 그 탐사차가 원활히 이동할 수 있는 경로를 탐색하도록 고안된 화성 탐사용 드론인 인제뉴어티(Ingenuity)는 우리에게 화성에서의 최초 드론 비행 영상으로 친숙합니다(그림 2). 인제뉴어티는 원래 착륙 시점부터 30일간 5번의 비행을 하기로 고안되었지만, 결과적으로 3년 동안 무려 72번의 비행에 성공하며 화성의 수많은 데이터들을 지구로 보내주었습니다. 그리고 2024년 1월 18일을 마지막 비행으로 임무를 마치게 되었습니다. 이러한 성공에 힘입어 미국 항공우주국 NASA는 이번엔 토성의 위성인 타이탄 탐사를 위한 탐사선을 개발하고 있습니다. 토성에는 생명체의 존재 가능성이 높은 몇몇의 위성들(예시: 엔셀라두스, https://www.ibric.org/s.do?BlTUVczbHb)이 존재합니다.
그중에서도 2028년, 토성의 가장 큰 위성인 타이탄을 탐사할 목적으로 발사될 드래곤플라이(Dragonfly) 탐사선에 대해서 간략히 소개해 드리고자 합니다. 퍼서비어런스(분석을 수행할 수 있는 본체)-인제뉴어티(본체의 이동 경로 탐색을 도와주는 드론)와는 달리 드래곤 플라이는 타이탄의 대기를 비행하는 것과 동시에 대기 조성 및 여러 화학 물질들을 직접 분석할 수 있는 하나의 비행 가능한 실험실입니다. 이러한 드래곤플라이의 개발을 위해선 수많은 연구실들이 각자의 부품개발을 담당하며 협업을 하게 됩니다. 타이탄은 태양계의 행성 중 원시 지구환경과 가장 유사한 위성으로써 예전부터 많은 관심을 받던 위성입니다. 타이탄의 대기는 지구와 유사하게 대부분 질소로 이루어져 있지만, 지구보다 밀도가 4배 이상 높습니다. 이러한 특징은 지구대기 밀도의 100분의 1 밖에 되지 않는 화성에서의 비행보다 훨씬 수월하게 해줍니다. 하지만, 반대로 이러한 특징은 비행체가 타이탄의 대기권을 통과하기 매우 어렵게 합니다. 비행체가 고도로 응축된 타이탄의 대기에 진입할 때 극도의 높은 열과 충격파가 발생하게 되고, 이러한 것들에 의한 비행체의 피해를 최소화하는 것은 이 프로젝트의 성패를 좌지우지할 핵심기술입니다.
그림 3. Shock Tube 작동원리 모식도(좌: 본인이 그림, 우: 출처: https://www.nasa.gov/)
퍼듀대학교 Chris Goldenstein 교수의 연구실은 NASA의 지원을 받아 이러한 기술을 개발하고 있습니다. 조금 더 구체적으로 말씀드리자면, 탐사선에 가해질 열전달량을 정확히 예측하고, 비행체에 적합한 열 차폐재를 설계할 수 있는 모델을 개발하는 것입니다. 현재 Goldenstein 교수 팀은 타이탄의 대기권 진입 시 발생하는 극단적인 조건과 고온을 재현하기 위해서 Shock Tube라는 것을 개발했습니다(그림 3). 이 Shock Tube는 금속 격막을 경계로 두 부분으로 이루어져 있습니다. 한쪽에는 고압의 헬륨이 다른 쪽에는 타이탄의 대기와 유사한 가스 혼합물이 있습니다. 타이탄 대기 진입 시 발생하는 충격파가 가해지면 금속 격막이 파열되고 그에 따라 충격파가 Shock Tube를 타고 내려가 타이탄의 대기권 진입 동안과 같은 온도로 혼합물을 즉시 가열합니다. 그런 뒤, Goldenstein 연구팀은 초고속 레이저 장비를 이용하여 가스 혼합물에서 발생하는 물리화학적 특성을 분석하고 해당 정보를 이용하여 타이탄 대기권 진입 시 발생하는 열의 양을 예측하는 데 사용되는 모델을 개발하였습니다. 이러한 모델은 드래곤플라이가 타이탄의 대기를 뚫고 무사히 착륙할 수 있는 기술을 구현하는 데에 사용될 것입니다.
여담이지만, 이번 연재 내용을 준비하게 된 계기와 제 이야기에 대해서 간략히 말씀드려 볼까 합니다. 저는 한국에서 생명과학 박사학위를 취득한 후, 우주생물학자가 되기 위한 경력을 쌓기 위해 현재 미국 퍼듀대학교에서 진화생물학 관련 박사후연구원으로써 연구하고 있습니다. 이번 연재는 어떤 주제를 선택할까 고민하던 중, 학교 홈페이지 공지 사항에서 드래곤플라이를 개발하는 연구팀에 대한 내용을 우연히 보게 되었습니다. 흥미가 생겨 읽어보니 제가 있는 건물에서 5분 남짓 거리에 있는 건물에서 해당 연구가 진행되고 있는 것이었습니다. 퍼듀대학교는 인류 최초로 달에 발을 내디딘 닐 암스트롱이 졸업한 곳이며, 미국 전역에서 우주항공 분야로 굉장히 유명한 대학입니다.
NASA 우주생물학자가 되고 싶은 저에게 우주항공으로 유명한 대학에서 연구할 수 있다는 사실만으로도 영광으로 생각하고 있었습니다. 하지만, 바로 옆 건물에서 NASA의 지원을 받아 토성의 위성인 타이탄을 탐사하기 위한 우주탐사선을 개발하고 있다는 사실을 알게 된 뒤로, 많은 것을 느끼게 되었습니다. 어릴 적 “NASA 우주생물학자가 되고 싶다”라고 꿈꿔왔고 그것을 이루기 위해 노력했던 순간과 생각들이 이제는 “NASA 우주생물학자가 될 수 있다”라고 바뀌고 있습니다. 아직은 꿈을 이루기 위해 커리어를 열심히 쌓고 있는 박사후 연구원일 뿐이지만, 현재는 닐 암스트롱이 졸업했고 NASA와 함께 외계행성 탐사를 연구하는 곳에서 하고 싶은 연구를 하며 꿈을 위해 한 발 한발 걸어가고 있습니다. 시간이 다소 걸리더라도 제대로 된 방향만 갖고 있다면 언젠가는 제 꿈에 정말 다다를 수 있지 않을까요.
그럼 다음 연재도 기대해 주세요~!
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(김동석) 등록일2024.04.02