[아하! 우주] 다누리가 5개월 간 ‘∞ 모양’ 궤적으로 달에 가는 이유

한국의 첫 달 탐사 궤도선 ‘다누리’(KPLO·Korea Pathfinder Lunar Orbiter)가 5일 오전 8시 8분(이하 한국시간) 달을 향해 날아올랐다.

발사를 맡은 미국 민간 우주개발업체 스페이스X는 다누리가 실린 팰컨9 발사체를 플로리다 케이프커내버럴의 우주군 기지 40번 발사대에서 하늘로 쏘아올렸다. 스페이스X는 발사 2분 40초 이후 1·2단 분리, 3분 13초 이후 페어링 분리가 이뤄졌음을 확인한 데 이어, 발사 40분 25초 이후 팰컨9 발사체 2단에서 다누리가 분리돼 우주 공간에 진입했음을 확인했다.

다누리가 발사체와 분리된 곳은 지구 표면에서 약 1656㎞ 떨어진 지점으로, 이때부터 탑재 컴퓨터의 자동 프로그램이 작동해 태양전지판을 펼치면서 정해진 궤도를 따라 이동하고 있다.

발사대를 떠난 지 92분 후인 오전 9시 40분께 다누리는 지상국과의 첫 교신에 성공했다. 첫 교신은 호주 캔버라에 위치한 미 항공우주국(NASA)의 심우주안테나를 통해 대전 한국항공우주연구원(KARI) 임무운영센터와 다누리 사이에 이루어졌다.

다누리가 이날 발사와 궤도 진입부터 올해 말 달의 목표궤도 안착까지 까다로운 기동을 성공적으로 마무리한다면, 한국은 세계에서 7번째로 달 탐사선을 보내는 나라가 된다. 지금까지 달 궤도선이나 달 착륙선 등, 달에 탐사선을 보낸 나라는 미국, 러시아, 유럽, 중국, 일본, 인도 등 6개국뿐이다.

다누리가 5개월 동안 복잡한 경로로 달까지 가는 이유

다누리는 지구에서 약 38만㎞ 떨어진 달로 곧장 가지 않고, 일단 태양 쪽의 먼 우주로 가서 최대 156만㎞까지 거리를 벌렸다가, 나비 모양, 또는 ‘∞’ 꼴의 궤적을 그리면서 다시 지구 쪽으로 돌아와 순차적으로 달에 접근하는 경로를 날아갈 예정이다. 이른바 '탄도형 달 전이방식'(BLT·Ballistic Lunar Transfer) 궤적이다. 이처럼 복잡한 궤도를 설계한 것은 천체의 중력도움을 받아 연료를 절감하기 위한 것이다.

다누리는 고도 700여㎞에서 분리된 후 현재 태양을 향해 초속 10.15㎞로 질주하고 있다. 앞으로 다누리는 최대 9번 추력기를 작동해 궤도를 수정해가며 140여 일간의 달나라행 여정에 들어간다. 이틀 후인 오는 7일 오전 10시에 첫 번째로 가동해 목표 궤도를 정확히 맞추는 세부 조정에 들어간다. 또 9월 2일에는 라그랑주1 지점(약 156만㎞)에 도착한 직후 지구 방향으로 선회하는 기동을 실시할 예정이다. 다누리는 오는 12월 16일에서야 달 주변을 도는 궤도에 들어서며, 이후 약 보름 동안 다섯 차례의 감속기동을 거쳐 달에 접근한다. 다누리가 달 인근에 접근하면 달의 중력에 의해 달 궤도에 포획되며 궤도 진입 기동을 통해 올해 마지막 날인 12월 31일 달 고도 100㎞ 궤도에 도착할 예정이다.

한국이 달 탐사 궤도선을 보내는 것은 ‘심우주 탐사’의 첫걸음이기도 하다. 한국형 발사체 누리호(KSLV-Ⅱ)의 성공(6월 21일)에 이어 달 탐사 궤도선 다누리호의 이번 발사가 연말에 성공으로 이어진다면, 올해는 우리나라의 ‘우주탐사 원년’으로 기록될 것으로 평가된다.

다누리는 왜 달에 가는가?

우리나라 뿐만 아니라 현재 세계 각국이 경쟁적으로 달 탐사에 나서고 있다. 냉전시대에 이어 우주 강국들이 다시 달 개척에 적극 나서는 이유는 무엇보다 달에서의 우선권 확보와 화성으로의 진출 때문이다.

미국은 역대 가장 강력한 로켓, SLS를 개발해 곧 오리온 우주선을 달로 보낼 채비를 하고 있다. 이 SLS는 미국이 주도하고 우리나라 등 10여 개국이 참여한 아르테미스 프로젝트의 발사체다. 아르테미스 프로젝트는 올해 무인 달 궤도 비행, 내년에 유인 비행, 2025년에는 사람을 달로 보냈다가 귀환시킬 계획을 포함하고 있다. 달에는 대기가 없어 일교차가 300도에 이르고, 자외선과 우주 방사선, 돌진하는 소행성에 그대로 노출돼 있다. 하지만 극지방에는 물이 있을 것으로 추정된다. 이 물을 분해하면 사람이 숨쉴 때 필요한 산소와 연료로 쓰일 수 있는 수소를 얻을 수 있다.

달은 인류가 현재 개발한 기술로 오갈 수 있는 거리에 있는데다, 중력이 지구의 6분의 1에 불과해 적은 연료로 발사체를 다른 행성으로 보낼 수 있다. 이런 이유 등으로 아르테미스 달 탐사의 궁극적인 목표는 우주 기지 건설로, 달을 전진 기지삼아 화성을 비롯한 더 먼 우주로 나아가겠다는 계획이다.

또한 달의 희귀한 자원을 탐사하는 것도 달 탐사의 또 다른 목적이다. 달에 쌓여 있는 헬륨3은 미래의 청정 에너지원이 될 수 있다. 핵융합 발전을 일으킬 때 연료로 사용할 수 있는 헬륨3는 사용 후에 방사능을 남기지 않는다는 장점을 갖고 있다. 현재 인류가 당면한 에너지 문제를 해결할 수 있는 가장 중요한 대체 에너지가 될 수 있다는 뜻이다.

'빵빵한' 다누리의 과학장비

하루에 12번 가량 달을 공전하며 탐사할 다누리 달 궤도선은 가로 3.18m, 세로 6.3m, 높이 2.67m, 무게는 678㎏으로, 우주탐사 기반 기술을 검증하고 확보하기 위해 개발됐다. 국내 연구기관과 대학 등이 개발한 최첨단 관측장비와 우주인터넷 등을 탑재하고 있는데, 내역을 살펴보면 △고해상도 카메라(LUTI, 한국항공우주연구원 개발) △광시야편광카메라(PolCam, 한국천문연구원 개발) △자기장측정기(KMAG, 경희대학교 개발) △감마선분광기(KGRS, 한국지질자원연구원 개발) △섀도캠(ShadowCam, NASA 개발) 등이다. 섀도캠은 달의 영구 음영지역, 즉 영원히 햇빛이 들지 않는 달의 특정 구역에서 얼음 상태의 물을 찾는 임무를 띤다.

물은 달에 상주기지, 즉 사람이 항상 머무는 우주터미널이나 자원 개발용 광산 등을 건설했을 때 반드시 필요한 자원이다. 지구에서 물을 공수한다면 매번 로켓을 띄워야 하는데, 운송 비용이 많이 든다. 이 때문에 달에서 물을 발견하면 운송비용 없이 현지에서 간단하게 물을 조달할 수 있게 된다. 물을 분해해 수소나 산소도 얻을 수도 있다. 연료로 쓰거나 인간의 호흡에 쓸 수 있다.

이종호 과기정통부 장관은 “NASA가 다누리에 섀도캠을 실은 것은 우리나라를 우주탐사의 협력 파트너로 인정한다는 것을 의미한다”며 “앞으로 달, 화성 등 심우주 탐사에 있어 미국과 협력을 더욱 확대해 나가겠다”고 밝혔다.

2031년, 우리 발사체로 직접 달에 쏜다

한국의 첫 달 궤도선 다누리가 발사되면서 한국은 우주개발 선진국 대열에 한 걸음 더 다가섰다. 하지만 한국의 도전은 여기가 끝이 아니다. 2031년에는 달 착륙선을 보낼 예정이다. 다누리는 달 상공을 도는 궤도선이지만, 달 착륙선은 월면에 내리게 된다.

달에 착륙선을 보낸 나라는 지금까지 미국, 러시아, 중국 밖에 없다. 일본과 유럽연합(EU), 인도는 달 상공을 도는 궤도선만 보냈다.

2031년 보낼 달 착륙선은 이번처럼 다른 나라 발사체가 아닌 국산 발사체로 쏠 예정이다. 한국이 달 착륙선을 자력으로 쏠 수 있는 핵심 동력은 누리호를 바탕으로 성능을 높인 ‘차세대 발사체’다. 현재 예비타당성 조사가 진행 중인 차세대 발사체는 1단 추력이 500t에 이른다. 300t급인 누리호는 중량 678㎏짜리 다누리를 지구에서 38만㎞나 떨어진 달 궤도에 보낼 수 없다. 다누리가 팰컨9에 실린 이유다.

한국이 우주개발에 속도를 높이는 가운데 최근 달 탐사 경쟁에서는 아시아권 국가들이 두각을 나타내고 있다. 중국은 2019년 달 뒷면에 인류 최초로 착륙선을 안착시켰다. 이는 미국도 하지 못한 업적이다. 2020년에는 달 토양 시료를 채취해 지구로 귀환했다.

일본은 우주 비행사를 달에 보내겠다는 계획을 추진 중이다. 한국이 달에 착륙선까지 보낸다면 중국이나 일본 등 우주개발 선발국과의 기술 역량 차이도 빠르게 줄어들 것으로 보인다.