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- 화성용 드론 특수 제작, 대기밀도 지구의 1%
- 양력 얻기 위해 서로 반대 방향으로 돌아가는 로터, 분 당 3천 회전(지구 드론의 10배)
- 로켓을 타고 화성 표면에서 이륙하는 데 약 30~45톤의 산소 필요
- MOXIE, 인간 호흡과 지구 귀환 연료용 산소 제조를 위한 시스템

화성-드론 및 산소 공장
유인 화성 임무의 기술 테스트

화성 탐사선 퍼서비어런스는 생명의 흔적을 찾아야 할 뿐만 아니라 미래의 유인 화성 임무를 위한 길을 열어 주어야 한다. 이를 위해 그는 드론과 산소 공장이라는 두 가지 실험 기술을 붉은 행성으로 가져 갔다. 

▲ 화성 헬리콥터 Ingenuity. © NASA / JPL-Caltech

Ingenuity – 화성을 위한 드론

여기 지구상에서 드론은 요즘 흔하다.

드로은 멋진 항공 사진을 제공하고 탐사를 돕고 데이터를 수집한다. 화성과 같은 낯선 행성을 탐험할 때도 매우 유용할 것이다.
예를 들어 드론은 로버보다 앞서 날아가서 가능한 장애물을 감시할 수 있다.
화성 유인 임무에서 우주 비행사에게 더 나은 개요를 제공하고보다 표적화된 탐사에 도움을 줄 수 있다.

그러나 문제는 우리의 평범한 비행체가 화성에서는 기회를 잡을 수 없다는 것이다.
그 이유는 "화성의 대기는 지구 대기 밀도의 약 1%에 불과하다"고 NASA의 제트 추진 연구소의 미미 아웅(Mimi Aung)이 설명한다. “지상에서 이러한 조건을 얻으려면 고도 3만480m에서 테스트 비행을 수행해야 한다.”

이 고도에서는 드론이나 일반 헬리콥터가 공중에 머물 수 없다.

어려운 조건에서 비행

그래서 NASA 엔지니어는 화성 드론에 대한 기술적인 트릭을 깊이 파헤쳐야 했다.
"아무도 화성 헬리콥터를 만든 적이 없으므로 우리는 완전히 새로운 영역으로 이동하고 있다"고 Aung은 설명했다. 화성 헬리콥터 "Ingenuity"는 얇은 화성의 대기에서 충분한 양력을 생성 할 수 있도록 서로 겹치고 반대 방향으로 회전하는 로터를 가지고 있다. 

이것들은 분당 거의 3천 회전을 달성 할 수 있다. 이것은 일반 헬리콥터보다 10배나 많다.
또한 화성 드론은 1.8kg으로 특히 가볍다.

또 다른 문제는 극심한 기온이다.
Jezero 분화구에서는 밤에 영하 90도까지 내려갈 수 있다.
일반 드론을 사용하면 전자 제품과 움직이는 부품이 추운 날씨에 고장날 것이다.
화성 헬리콥터는 특별한 히터로 밤을 따뜻하게 유지하여 추운 밤을 살아남는 것으로 알려져 있다. 이를 위한 에너지는 태양 전지와 배터리에 의해 제공된다.

임무 첫 30일 동안 NASA는 화성 헬리콥터가 이러한 어려움을 견뎌내고 실제로 비행 할 수 있는지 테스트한다. Rover Perseverance는 드론을 이전에 선택한 테스트 구역에 주차하고 안전을 위해 100m 정도 떨어진 곳으로 이동해야 한다. 

그런 후에 Ingenuity는 첫 번째 비행 테스트를 완료한다. 

드론은 센서 데이터와 카메라 이미지를 기반으로 거의 자율적으로 작동해야 한다. 화성으로의 무선 전송 시간 지연으로 인해 조이스틱을 통한 직접 원격 제어가 불가능하기 때문이다. 

<Ingenuity-화성을위한 헬리콥터 드론. © NASA / JPL-Caltech>

인간과 로켓을 위한 산소

우주 비행사가 미래에 화성을 방문하여 살게 된다면 무엇보다도 산소가 필요할 것이다.
이 가스는 호흡뿐만 아니라 귀환 비행을 위한 연료로도 필요하다.
그것도 대량으로 : 수소 외에도 로켓을 타고 화성 표면에서 이륙하는 데 약 30~45톤의 산소가 필요하다. 지구에서 가져가기에는 너무 많은 것이다.

“액체 산소는 우리가 현장에서 생산해야 하는 것이다”고 Massachusetts Institute of Technology의 Michael Hecht는 설명했다.
하지만 어떻게?
이론적으로는 얇은 화성 대기의 CO2가 이를 위해 사용될 수 있다. 전기 화학적 반응을 통해 이산화탄소 분자는 물과 유사한 전기 분해로 분해되어 산소를 생성할 수 있다.

MOXIE-산소 공장

“Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment”(줄여서 MOXIE)는 이것이 실제로 작동하는지 처음으로 테스트할 것이다. 자동차 배터리 크기인 이 시스템은 환경에서 가스를 빨아들여 지구 대기압까지 압축한다. 

그런 다음 CO2는 전기 분해 탱크로 흘러 800도까지 가열된다. 전극에 전류가 가해지면 산소(O2)가 음극에 모이고, 남은 것은 일산화탄소와 분해되지 않은 이산화탄소의 혼합물이며 여과 후 환경으로 방출된다. 

▲ MOXIE는 전기 분해를 통해 CO2-화성 대기에서 산소를 추출한다. © NASA / JPL-Caltech

MOXIE 실험은 이 첫 번째 테스트에서 시간당 최대 10그램의 산소를 생성하는 것이다.
제트 추진 연구소의 아사드 아보베이커(Asad Aboobaker)는 "작은 개가 숨을 쉬기에 충분하다"고 말한다. "지구로 돌아가는 데 필요한 연료를 얻으려면 MOXIE보다 약 200배 더 많은 산소를 생성해야 한다.“
팀은 시스템이 오븐 크기와 1톤 정도의 무게를 가져야 한다고 추정한다.
MOXIE가 첫 번째 텍스트에서 자신을 증명한다면 다음 단계는 이러한 크기를 키운 시스템의 프로토타입을 만드는 것이다. 

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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