연료 소모 없는 수성 탐사 해법…솔라 세일 탐사선 ‘머큐리 스카우트’ [우주를 보다]

태양계의 가장 안쪽 행성인 수성은 인류에게 여전히 정복하기 까다로운 불모의 땅이다. 태양과 지나치게 가까운 탓에 표면 온도가 극도로 높을 뿐만 아니라, 태양의 강력한 중력이 작용하는 구역이라 탐사선이 안정적인 공전 궤도를 유지하기 위해서는 많은 양의 연료를 소모해야 하기 때문이다. 결국 발사할 때 더 많은 양의 연료를 탑재해야 해서 비용은 증가하고 연료가 금방 바닥나 임무 기간은 짧아지는 한계가 있다.

이러한 물리적 한계를 극복하기 위해 최근 브라운 대학교 연구팀은 전통적인 추진 방식 대신 태양빛을 동력으로 사용하는 ‘솔라 세일(Solar Sail, 태양 돛)’을 이용한 수성 탐사 방안을 제안했다. 연구팀은 최근 열린 제57회 달 및 행성 과학 학회(LPSC)에서 디스커버리급 탐사선인 ‘머큐리 스카우트(Mercury Scout)’의 개념을 공개하며 수성 탐사의 새로운 가능성을 제시했다.

디스커버리급 임무는 나사(NASA)가 추진하는 저비용 고효율 탐사 프로그램으로, 10억 달러 미만의 예산으로 개발 속도를 높여 특정 과학적 목표를 달성하도록 설계됐다. 과거 수성 궤도에 최초로 진입했던 메신저(MESSENGER) 탐사선 역시 이 등급에 해당한다.

메신저 탐사선은 임무 기간 동안 수성을 4104회 선회하면서 10TB 용량의 수성 사진을 촬영하여 지구로 전송해 수성 전체의 지도를 완성했다. 이어 표면 온도가 300도까지 올라가는 수성의 영구 그늘 지역에서 얼음을 발견하는 과학적 쾌거를 이룩했지만, 임무 수행 4년 만인 2015년 연료가 고갈되어 임무를 종료했다. MRO(Mars Reconnaissance Orbiter) 같은 화성 탐사선이 화성 궤도에서 20년 넘게 현역인 점을 생각하면 아쉬운 대목이다.

머큐리 스카우트가 채택한 솔라 세일 방식은 연료 탑재 공간이 부족한 소형 탐사선의 약점을 보완할 수 있는 새로운 대안이다. 수성에 가까워질수록 태양 중력에 의해 가속된 탐사선을 감속시키기 위해서는 막대한 연료가 필요하지만, 솔라 세일을 활용하면 태양에서 방출되는 광자의 압력(복사압)을 이용해 연료 소모 없이 가속과 감속을 자유롭게 조절할 수 있기 때문이다. 바람의 힘으로 움직이는 범선이 연료 고갈의 걱정에서 자유로운 것과 마찬가지다.

머큐리 스카우트의 핵심 목표는 고해상도 협각 카메라(NAC)를 탑재해 수성 지표면의 지질학적 특징을 정밀하게 촬영하는 것이다. 이 탐사선이 목표로 하는 해상도는 픽셀당 최대 1m 수준으로, 이는 과거 메신저 탐사선이 제공했던 20m 해상도를 압도하는 수치다. 현재 달 궤도선(LRO)이 0.5m 해상도로 달 표면을 촬영하는 것과 비교해도 손색없는 수준의 데이터를 수성에서 얻게 되는 셈이다.

다만 고해상도 촬영은 필연적으로 좁은 시야각을 가질 수밖에 없어 전체 지도를 작성하는 데 오랜 시간이 걸린다. 하지만 연료를 태양에서 끊임없이 공급받는 솔라 세일은 이러한 연료 고갈의 걱정이 없어 장기 임무 수행에 있어 최적의 선택지가 될 수 있다.

솔라 세일 추진 기술은 이미 실전 테스트를 통해 성숙 단계에 진입했다. 2010년 일본의 이카로스(IKAROS)와 2019년 미국 행성협회의 라이트세일-2(LightSail-2)가 성공적으로 돛을 펼쳤으며, 2024년 4월 발사된 NASA의 첨단 복합 태양 돛 시스템(ACS3) 역시 8월에 돛 전개를 완료하며 성능을 입증했다. 솔라 세일은 추력이 미세한 특성상 머큐리 스카우트와 같은 초경량 소형 탐사선에 적합하다. 연구팀은 무게를 줄이기 위해 고해상도 카메라와 통신 장비만을 갖추고, 메신저나 아카츠키 탐사선에서 검증된 얇고 가벼운 평면형 고이득 안테나를 탑재할 계획이다.

물론 수성 궤도에서의 임무는 여전히 가혹한 환경과의 싸움이다. 태양과 극도로 가까운 거리에서 발생하는 엄청난 복사열은 탐사선의 전자 장비를 순식간에 망가뜨릴 수 있다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 탐사선이 수성 표면 위 200㎞에서 1만㎞ 사이를 오가는 긴 타원 궤도를 비행하도록 설계했다. 가능한 수성의 그림자 속에 머무는 시간을 늘려 기체의 온도를 낮추는 방식이다.

현재는 제안 수준이지만, 앞으로 기술적 타당성을 검증하고 예산을 확보해 실제로 발사될 수 있다면 머큐리 스카우트는 솔라 세일이라는 신기술을 장거리 우주 탐사에서 실증하는 무대가 될 것으로 보인다. 그리고 단지 수성의 남은 비밀을 파헤칠 뿐 아니라 태양계 탐사에 솔라 세일이라는 새로운 공식을 도입할 수 있을 것으로 기대된다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com