나사의 화성 탐사선 퍼서비어런스가 원자력을 사용하여 체온을 유지하는 이유

퍼서비어런스 화성 탐사선을 설계할 당시 나사는 이것을 방사성 플루토늄으로 전환했습니다. 이는 우주선이 동력원만큼 강하기 때문입니다. 발사 중 문제가 발생할 경우를 대비하는 플루토늄은 우주선에 있어 존경받는 동력원으로 꼽힙니다. 나사의 큐리오시티 탐사선 역시 유사한 장치에서 작동합니다. 나사 오하이오 글렌 연구 센터의 핵연료 전문가 준 자크라세크는 "나사는 탐험을 좋아하며 매우 먼 곳, 먼지가 많은 곳, 어두운 곳, 열악한 환경에서 탐험을 이어가고 있다"라고 입을 열었습니다. 자크라세크는 "우리가 그런 종류의 환경에 있을 때 태양 에너지는 때때로 우리에게 필요한 전력을 제공하지 못하며, 빛은 우리가 필요로 하는 위치에 도달하지 못한다"라고 짚었습니다. 물론 나사의 일부 화성 임무는 태양 에너지로 진행되기도 했습니다. 현재 화성에서 작동 중인 인사이트 착륙선은 금세기 초 쌍둥이 탐사선인 스피릿, 오퍼튜니티와 마찬가지로 태양 전지판을 장착하고 있습니다. 이중 오퍼튜니티는 태양 에너지의 약점을 드러냈습니다. 나사 측 관계자는 "거대한 지구적 먼지 폭풍으로 인해 태양빛을 받는 것이 차단되면서 탐사선의 종말이 왔기 때문"이라며, "원자력 탐사선을 운영하면 해당 시나리오에 대해 걱정할 필요가 없다"라고 덧붙였습니다.

 

이에 따라 나사는 퍼서비어런스 탐사선에 다중 임무 방사성 동위원소 열전 발전기(MMRTG) 시스템을 도입했습니다. 이 시스템은 약 14년 동안 우주선에 전력을 공급할 수 있으며, 플루토늄이 사용됐습니다. 오크리지 국립연구소의 핵연료 전문가 밥 왬은 "연장 코드가 없어서 수리공을 찾을 수 없다. 우리는 완전히 신뢰할 수 있어야 한다"라고 말했습니다. 다른 탐사선과 마찬가지로 MMRTG는 2011년에 발사돼 2012년 화성에 착륙했습니다. 이것은 꾸준히 운행해 온 큐리오시티 탐사선의 기반을 많이 갖추고 있으며, 퍼서비어런스의 MMRTG는 전임자가 큐리오시티를 지원하는 기간인 7년 동안 작업해 왔습니다. 이 가격은 7,500만 달러에 이릅니다. 다른 종류의 원자력 발전소도 40년 된 쌍둥이 보이저 탐사선을 비롯해 토성의 고리를 통과한 카시니 우주선과 같은 임무를 위해 깊은 우주를 여행했습니다.

 

퍼서비어런스의 발전기 시스템은 전구에 사용되는 전력과 거의 같은, 110와트의 전력을 생산하도록 설계됐습니다. 플루토늄은 붕괴되면서 발전기가 로버의 모든 장비에 전력을 공급하기 위한 에너지로 변환하는 열을 방출합니다. 이 결과 화성의 추운 밤과 겨울로부터 우주선을 보호하기에 충분한 열이 생성됩니다. 과학자들은 MMRTG에 필요한 플루토늄 형태로 변환하기 위해 거의 두 달에 걸쳐 원자로에서 중성자를 조사했습니다. 완전히 다른 원소인 넵투늄으로 시작된 플루토늄은 세라믹과 결합돼 무기에 사용되는 것보다 더 안전한 화합물을 만듭니다. 그럼에도 불구하고 원자력 발전소를 로켓 끝에 장착하는 것에는 여전히 몇 가지 주의 조치가 요구됩니다. 가장 중요한 것은 플루토늄의 각 알갱이가 지구로 떨어질 경우 방사성 물질이 포함된 이리듐으로 둘러싸여 있다는 점입니다. 실제로 우주에 있는 원자력 발전소에서는 이런 일이 세 번이나 일어났습니다. 나사에 따르면 다행히도 세 번의 사건 중 피해가 발생된 사례는 없었으며, 전원 중 하나는 나중에 다른 임무에 사용하기 위해 바다에서 끌어내졌습니다.

 

임무의 핵 측면에 필요한 대응을 조정하기 위해 나사는 인원을 추가하고 이러한 발사를 위한 임무 통제 팀을 강화합니다. 퍼서비어런스 발사를 위해 나사는 발사 당일 잘못될 수 있는 모든 것을 모델링했고, 이륙 전 문제부터 우주선이 화성으로 떠나지 못하게 하는 지구 궤도의 문제, 상대적으로 작은 지리적 영향을 미치는 문제에 이르기까지 모든 것을 다뤘습니다. 이들 모델에 따르면 두 가지 시나리오의 확률은 모두 0.1% 미만이었습니다. 아울러 이들은 "발사 중에 문제가 발생할 시, 가장 집중된 방사선 노출조차도 사람들이 경험하는 약 8개월간의 배경 방사선에 그친다"라는 계산을 내놨습니다. 결과적으로 32개의 뜨거운 은빛 연료 덩어리가 들어 있는 MMRTG를 탑재한 퍼서비어런스 탐사선은 화성을 향해 쏘아졌습니다.

 

큐리오시티의 플루토늄과 달리 퍼서비어런스에 탑재된 플루토늄은 비교적 신선합니다. 큐리오시티 착륙 후 진행된 보고에 따르면 이러한 임무에 사용된 플루토늄의 형태는 핵무기 생산 과정의 부산물로 시작됐습니다. 지난 1980년대 미국 정부는 이러한 플루토늄 자체 공급을 중단했습니다. 그러나 나사가 전력 공급원을 배급하는 데 어려움을 겪자 2015년 DOE는 플루토늄 제조 사업에 다시 뛰어들기로 결정했습니다. 업계의 관계자는 "현재로서는 최대 14온스, 즉 400그램까지 가능하다"라며, "3.3파운드를 만들기 위해 2026년까지 매년 1.5kg씩 증가시킬 것"이라 밝혔습니다. 나사의 미래 원자력 추진 임무 중 하나는 그 플루토늄이 어디로 갈 것인지에 관해 이미 다루고 있습니다. 한편 나사는 토성의 이상한 대형 달이라 불리는 타이탄으로 향하는 드론 기관 구동을 앞두고 있습니다. 이 계획에는 드래곤플라이 임무라는 이름이 붙었으며, 오는 2026년 MMRTG에 의해 우주선을 발사할 예정입니다.