화성으로의 경주: 일본이 미국과 중국을 제치고 달 포보스에 갈 수 있었던 이유

도쿄 인근 조후에 본사를 둔 일본 우주국 JAXA가 발표한 대로 MMX(화성 위성 탐사) 우주 탐사선이 2026년 10월 19일 오후 9시 41분(일본 현지 시간 10월 20일 오전 4시 41분)에 일본 남부 다네가시마 우주 센터에서 발사될 예정이다. H3 발사체에 탑재된 3개의 모듈로 구성된 우주선은 처음으로 화성의 달 포보스의 토양 샘플을 지구로 가져오기 위해 5년 간의 여정을 시작합니다.

이는 일본이 화성계에서 최초로 반환된 샘플을 확보하기 위한 경쟁에서 미국과 중국을 추월할 수 있음을 의미합니다. 캐나다 방송사 CTV 뉴스가 AFP 통신사와 관련하여 보도한 바와 같이, 미국 정부는 비용 문제로 2026년 초 자체 송환 프로그램을 취소한 반면, 중국은 2028년까지 Tianwen-3 임무 시작을 목표로 삼지 않고 있습니다.

그러나 이 프로젝트는 원래 2024년 가을에 이륙할 예정이었으나 2023년 3월 H3 로켓 유형의 첫 비행 실패 후 지연으로 인해 26개월마다 열리는 화성 발사 기간을 놓쳤기 때문에 보류되었습니다. 그 동안 새로운 발사체가 여러 개의 위성을 지구 궤도로 가져왔지만 2025년 12월에 다른 임무 중 하나에서 또 다른 엔진이 조기에 고장났습니다.

화성의 달 포보스(Phobos)는 붉은 행성의 암석 샘플에 대한 약어입니다.

미국 탐사선 퍼서비어런스(Perseverance)는 2021년 2월 착륙한 이후 화성 표면의 금속 튜브에 암석 코어를 수집해 왔습니다. 그러나 그곳에서 다시 수송하려면 화성의 높은 중력으로 인해 자체 상승 로켓이 필요하며, 이것이 일본이 대신 27km 폭의 달 포보스(Phobos)로 향하고 있는 이유입니다.

포보스는 약 6,000km 거리에서 하루에 세 번 화성 주위를 돌고 있습니다. 이 짧은 거리 때문에 달은 소위 분출물을 정기적으로 포착합니다. 이것은 소행성 충돌 중에 화성 표면에서 우주로 던져진 암석 조각입니다. The Guardian이 Associated Press 통신사를 인용하여 보도한 바와 같이, JAXA는 이 물질이 포보스 표토층의 약 0.1%를 차지한다고 추정합니다.

나머지 99.9%의 샘플을 사용하여 과학자들은 화성의 두 달인 포보스와 데이모스가 포획된 소행성인지 아니면 이전의 주요 충돌 후 화성 잔해로부터 형성되었는지를 명확히 하고 싶어합니다. “토양 샘플을 분석함으로써 우리는 거의 확실하게 결론에 도달할 수 있습니다”라고 일본 삿포로 소재 홋카이도 대학의 과학 임무 리더인 구라모토 기요시가 Guardian 보고서에서 말한 것을 인용했습니다.

이러한 접근 방식에도 불구하고 이 방법은 지질학적 관점에서 볼 때 단점이 있습니다. 탐사선이 최소 10g의 느슨한 표면 암석(레골리스)만 수집하도록 의도되었기 때문입니다. 화성 자체에는 약 10mg의 먼지만 포함되어 있는 것으로 계산되었으며, 이는 행성에서 직접 시추하는 것과 달리 특정 지역에 할당할 수 없습니다.

준위성 궤도와 두 가지 샘플링 방법

5억~6억 킬로미터의 비행 거리를 거친 후 우주 탐사선은 2027년 8월 화성에 도달하고 2027년 9월 소위 준위성 궤도에 진입할 예정이다. 작은 달의 중력은 안정된 궤도를 유지하기에는 거의 충분하지 않기 때문에 탐사선은 화성 궤도를 계속 돌지만 그 궤적은 포보스에 영구적으로 가깝게 유지된다는 것을 의미한다.

2030년에 계획된 두 번의 착륙을 위해 임무는 표면과 2cm 깊이에서 물질을 얻기 위해 두 가지 다른 수집 방법에 의존할 것입니다. 일본의 드릴 암이 지하 샘플을 채취하는 동안 미국 우주국 NASA의 두 번째 시스템은 압축 가스를 사용하여 먼지를 휘저어 컨테이너로 보냅니다.

독일 로버 Idefix와 저중력의 위험

주 탐사선이 착륙하기 전에 모선은 2029년 초 약 40미터 높이에서 25킬로그램의 탐사 로버 Idefix를 먼저 자유 낙하시킬 것입니다. 유럽 우주국(ESA)의 설명에 따르면 포보스의 중력은 지구상의 2,000분의 1에 불과하므로 포보스의 실제 무게는 15그램에 불과합니다.

이러한 소위 밀리중력 조건은 착지 시 착륙 장치가 통제할 수 없을 정도로 다시 우주로 튕겨 나갈 수 있고 포보스에 착륙하려는 이전 시도(가장 최근인 2011년 러시아 포보스-그룬트 임무)가 실패했기 때문에 임무에 심각한 위험을 나타냅니다. 울퉁불퉁한 지형에서 좌초되지 않도록 독일 항공우주센터 DLR과 프랑스 우주국 CNES가 제작한 로버에는 개별적으로 제어할 수 있는 4개의 다리가 주어졌는데, 이 다리는 충돌 후 자체적으로 바로 세워지고 100일 동안 지상의 안정성을 테스트해야 합니다.

현장에서 암석을 조사하기 위해 Idefix는 무엇보다도 집중된 빛으로 표면을 조사하고 반사된 파장을 사용하여 광물학적 구성을 측정하는 소위 라만 분광계를 사용합니다. 무게 50g의 레이저 모듈은 튀링겐 예나에 있는 프라운호퍼 응용 광학 및 정밀 기계 연구소(IOF)에서 개발되었습니다. 이 부품은 원래 유럽-러시아 엑소마 임무를 위해 고안됐으나 2022년 러시아와의 협력이 중단된 후 스페인 항공우주기술연구소(INTA)를 통해 일본 프로젝트로 넘어갔다.

주 탐사선에 의한 후속 샘플 수집이 무사히 진행된다면, 반환 모듈은 이웃 위성 데이모스의 비행 후 2031년 호주 상공에 열 보호 캡슐을 떨어뜨릴 것입니다. 그때까지 탐사선에 탑재된 방사선 모니터는 지속적으로 우주 방사선을 측정하여 연구자들이 포보스가 미래에 우주 비행사의 기지로 적합한지, 화성 시스템의 방사선 수준이 이와 충돌하는지 여부를 평가할 수 있습니다.