화성 이주 프로젝트와 스타십, 태양풍 문제

 

 

스페이스X는 화성 이주를 위해 만들어진 회사이다

더 나아가 다행성 종족이 되기 위해 만들어진 회사라고  할 수 있다

 

- 일론머스크의 스페이스X 회사 미션-
"당신이 아침에 눈을 뜨면서 미래는 굉장할 것이라고 생각하기를 원한다! 
 그것이 바로 우주를 비행 할 수 있는 문명에 관한 모든 것이다.
미래를 믿는 것이고 미래가 과거보다 더 나으리라고 생각하는 것이다.
나는 지구 밖으로 나가서 별들 사이에서 지내는 것보다도 더 흥분되는 것을 생각할 수 없다!"

일론머스크의 목표는 살아생전에 인류가 우주를 무대로 활동하는 문명의 반석 위에 올려놓는 것이며, 

그 반석이 바로 화성에 식민지를 건설하는 것이다

또한 본인도 화성에 건너 가려고 하고 있다

 

그렇다면 이러한 거대한 프로젝트가 과연 실현 가능성은 있는 것일까?

한번 알아보자

 

 

1.  화성에 어떻게 갈 것인가?

 

화성(Mars)

 

출처: 스페이스X

 

 

화성에 대해 먼저 알아보자

• 거리: 지구로부터 2억 2,500만 km
• 대기: 이산화탄소 95.72%, 질소 2.7%, 아르곤 1.6%, 기타
• 온도: 평균 210K(섭씨 -63도)
• 중력: 0.376G(지구의 38%)
• 자전: 24시간 27분
• 지름: 6,791km

정리하자면, 화성은 지구에서 가장 가깝고 거주 가능한 이웃 행성이다. 화성과 지구 사이의 거리는 지구와 태양 사이의 절반 

정도 거리에 있어서 상당한 양의 햇빛을 받고 있다

또한, 온도는 매우 춥지만, 도시를 건설하여 온도를 높일 수가 있으며 중력은 지구보다 약하기 때문에, 무거운 물건을 쉽게 옮길 수가 있다

자전주기가 지구와 비슷하기 때문에 일조량이 그렇게 지구보다 떨어지지 않는다

 

 

스타십(Starship)

출처: 스타십

 

결국 화성에 가려면 스타십이라는 우주선을 개발하고 가야 한다

우주비행선과 슈퍼 헤비 로켓이 조합된 스타십은 승무원화 화물을 화성보다도 멀리 운송할 수 있도록 설계된 완전 재사용 가능한 우주왕복선이다

 

한번 스펙을 살펴볼까

 

• 높이: 120m
• 폭 : 9m
• 질량: 85톤(지구에서 무게 : 5천톤)
• 연료/산화제: 액체 메탄/액체산소
• 엔진 및 추력: 해수면 랩터 2 엔진 3기, 진공 렙터 2 엔진 3기\
• 적재량: 150톤 화물 적재 가능

 

 

스타십 발사시스템 콘셉트 영상

 

일론 머스크의 말에 따르면 Super Heavy 없이 Starship만으로도SSTO 식 운용이 가능하다고는 한다.

 

<Single Stage To Orbit>  
단발 궤도선이라는 이름에서 알 수 있듯이, 단 분리 없이 바로 궤도로 도달할 수 있는 우주선을 의미한다. 
우주왕복선의 궁극 진화형. 쉽게 설명하면 우주왕복선에서 연료통과 부스터 빼고 비행기 부분만 떼어 놓고
이 부분이 스스로 이륙해서 그대로 우주로 날아가는 형태라고 보면 된다.
SF 영화에 나오는 절대다수의 우주선은 다 이런 식이다.

 

그 이유는 페이로드의 양이 극단적으로 줄어들게 되고 엔진 수명이 크게 감소할 수 있어 Super Heavy 로켓을 1단으로

사용하여 발사하는 것이다.

동체에는 네 개의 날개와 6개의 랜딩 기어가 달리는데, 날개는 구동이 가능한 날개이며 대기권 재진입 시 날개를 상하로

움직여 항력을 조절해 기체를 제어한다.

또한 200kW를 생산할 수 있는 태양 전지판을 갖추고 있으며, 화성에 도착하는 데는 80일에서 150일가량이 소요된다.

객실과 식당은 물론 영화 관람 장비 등 편의시설 역시 탑재할 예정이라고 한다 

<페이로드>
위성 비행체에 돈을 지불하고 탑재되는 화물.

 

지구에서 떠날 때는 1단 로켓에 실려서 발사되지만 화성에서는 낮은 중력과 대기 밀도 덕분에 부스터가 필요하지 않아 

자력으로 이륙이 가능하다고 한다.

 

스타십은 초당 7.5km로 화성의 대기권에 진입하여 공기역학적으로 감속된다. 우주선의 열 차폐막은 다양한 온도를 견딜 수 있도록 설계되었지만 화성의 대기가 너무 뜨거워지고 있다는 점을 감안할 때 열 차폐 일부가 제거될 것으로 예상된다

(브레이크 패드의 마모와 유사)

 

아래의 엔지니어링 비디오는 우주선의 화성 진입 물리학을 보여준다

 

 

스타십 화성 착륙 시뮬레이션

 

스타십 착륙 상상 콘셉트 영상

스페이스X는 화성 왕복 비행 스케줄을 다음과 같이 예상하고 있다

 

• 1단계: 지구에서 발사와 부스터 회수
• 2단계: 우주선이 지구 궤도에 안착
• 3단계: 궤도에 있는 연료선에서 연료 재충전
• 4단계: 화성을 향해 비행 후 착륙
• 5단계: 화성 현지에서 연료를 생산해 우주선에 재충전
• 6단계: 화성에서 이륙한 후 지구까지 다이렉트로 비행해 귀환

 

 

2.  화성 정착지의 건설

 

일론 머스크는 2030년대에 본인이 직접 화성에 갈 것이라고 말한 적이 있다

물론 일론 타임을 고려한다면 더 뒤로 늦춰질 가능성이 매우 높다

그러나, 2050년경에는 화성에 100만 명이 사는 도시를 건설하겠다고 비전을 제시한다

 

1. 2022년 또는 2023년에 스타십으로 화물을 실어 화성에 보낸다
2. 2024년경에는 승무원을 실어 화성에 보낸다
3. 2050년경에는 100만 명의 사람들이 화성에 거주한다

화성은 26개월마다 공전 주기로 가장 가깝게 지구에 다가온다

이때가 스타십이 화성에 갈 수 있는 적기이며, 일론 머스크는 약 1,000대의 스타십을 건조하여 스타십 1대당

100명씩 탑승해서 26개월마다 10만 명이 동시에 보내려고 계획 중이다

 

 

 

 

 

화성의 모습, 출처: NASA

 

 

스타십이 도착하고 먼저 해야 할 일은 현지에 조달할 물자를 찾아서 처리한다

특히 다시 돌아갈 연료를 찾아야 하는데, 액체 메탄을 생성해야 한다

 

그래서 가급적 얼음이 많은 극지방에 착륙을 하여야 한다

착륙장, 숙소, 발전시스템, 방사선 방지 피난처, 온실 재배지 같은 것을 건설해야 한다

 

일론머스크의 화성 테라포밍 설명 영상

 

이렇게 초기 개척자들이 우주선에서 생활하면서 기반시설을 건축한 뒤에는 추가적으로 우주선에 사람들이 도착해서

도시를 본격적으로 건축해야 한다

 

통신시스템도 구축해야 하기 때문에 지구처럼 스타링크 사업으로 화성에도 수많은 위성들로 무선통신시스템을 구축할 수도 있다

 

또한 이것은 공식적이지 않지만, 개인적으로 화성에 쓰일 화폐는 암호화폐일 가능성이 매우 높다

왜냐하면 화성에는 은행이 없기 때문이다.  그렇다면 어떤 암호화폐가 기축으로 쓰일까?

 

비트코인? 이더리움? 도지 코인?  

 

이 부분은 각자의 상상력에 맡긴다

 

 

 

 

3.  문제점은 태양풍과 방사선

 

허블망원ㄴ경으로 보는 화성의 모래폭풍

 

그러나 화성 역시 현재로선 생명이 살 수 없는 불모지이며, 이곳에 사람을 보내는 것은 차원이 매우 어려운 문제이다.

화성은 자기장이 약해서 태양풍에 의해 대기가 쓸려나가고 방사선이 표면에 직격으로 쏟아지며, 그렇게 쓸려나간 대기로 인해 그 산소가 극미량만 존재한다

특히나 화성에서 쏟아지는 방사선은 지구의 50배에 달하며, 만약 사람이 화성에 3년 동안 체류한다면 이들은 NASA에서 우주비행사에게 허용한 방사능량의 평생 치를 초과하게 된다. 흙은 독성이 강한 과염소산염으로 가득 차 있고 질소화합물도 전무해, 식물을 키우려면 정화 과정을 거쳐야 한다.

상상을 초월하는 규모의 모래폭풍도 문제다. 화성의 대기가 옅기 때문에 영화 마션에서 묘사된 것처럼 규모가 엄청나

3~5년 주기로 행성 전체를 덮는 경우가 빈번하다

 

 

나사와 내셔널지오그래픽, 디크커버리에서 공동 연구한 테라포밍 과정

 

나사와 내셔널지오그래픽, 디스커버리에서 공동 연구한 결과에 따르면 대략 아무리 빨라도 $1.5T를 써야, 70년이

걸린다고 한다

 

아무래도 이 정도 속도로는 일론 머스크 생애에 화성에 정착하기는 힘들 것이다

지금 현재의 손주 세대에서 가능할 일이다

 

그럼 테라포밍 과정을 한번 알아보자

 

1.  대기 구축 : 기압을 높이고 공기 중의 화학 물질을 주입한다(수소와 산소 주입), 인공적 자기장 구축
2. 물 생성: 메탄으로 된 얼음과 인공 강우 등을 통해 물을 생성한다
3. 온도 상승: 핵무기 폭발 등을 이용하거나, 화석 연료 사용 등을 통하여 평균 온도를 상승
4. 식물 재배:  식물 등의 씨앗을 심어서, 녹지환경 구성
5. 식민지 건설: 식민지 건물 등을 구성하여 인류 거주지 구성

 

화성이 지금과 같이 불모지 행성이 된 이유가 자기장이 약해서 태양풍에 직격탄으로 맞아 대기가 옅어지게 된거싱므로

무엇보다 인공 자기장을 만들어 태양풍을 막아야 한다

 

자기장 발생기를 탑재한 인공위성을 발사해서 화성에 씌운다는 아이디어가 나오고 있다

NASA의 돌파구는 ‘얼음집’ (naver.com)

NASA의 돌파구는 ‘얼음집’

 

하지만, 아직 현재 기술력으로는 어려워 보인다

나사와 스페이스 X가 이 부분에 대한 기술이 개발이 되어야 할 것으로 보인다

 

 

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스타십 같은 운송 수단의 개발은 곧 아르테미스 계획의 달 식민지화로 가능해 보인다

다만, 화성에 거주하는 문제인 인공 자기장 구축으로 태양풍을 막는 첫 단계가 지금 현재로서는 매우 어려워 보인다

 

이것도 스타링크 위성으로 자기장 구축을 할 수 있을까?

머스크와 스페이스 X가 어떤 식으로 해결해 나갈지 궁금하다

 

이것만 해결된다면, 머스크의 계획대로 식민지 건설은 일사천리로 진행될 수 있을 것이다

 

불가능을 가능하지만 시간이 걸리는 일로 만드는

머스크의 능력이 다시 발휘할 수 있을 것이라 믿는다