왜 우주인은 아직 지구에서 화성으로 날아갈 수 없는가?

우주인이 화성에 발을 디딘다고 상상해보세요. 이는 붉은 행성 탐사가 절반만 성공했다는 것을 의미합니다. 우주인이 지구로 돌아오고 싶어할 때 화성을 떠나는 것은 간단한 일이 아니기 때문입니다.

여기서 가장 큰 과제는 가장 적합한 기술적, 지형적 조건 하에서 거대한 우주선을 화성 표면에 안전하게 착륙시킨 다음, 이륙하여 화성에서 멀어질 수 있도록 하는 것입니다.

사실, 과학자들은 이제 지구를 떠나 화성에 부드럽게 착륙하여 몇 개의 샘플을 채취한 후 이륙하여 지구로 귀환할 수 있는 소형 무인 우주 정거장을 건설할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 하지만 유인 우주선이라면 이야기가 완전히 달라질 것입니다.

우선, 지구에서 행성 간 우주로 충분한 크기의 유인 우주선을 발사하려면 강력한 엔진을 장착한 거대한 로켓이 필요합니다.

기본적으로 이 시스템은 중형 유조선 크기여야 하며, 선체 내부에 많은 양의 연료와 물론 우주인에게 유용한 화물을 실어야 합니다.

화성의 중력은 지구 중력의 약 40%이고 대기는 얇기 때문에 지구로 돌아가려면 그들을 데려온 로켓의 약 1/3 크기인 로켓이 필요합니다.

로켓은 이륙하여 우주비행사를 귀환시키려면 연료를 완전히 채워야 합니다. 따라서 우주비행사가 화성까지 비행하고 지구로 돌아오려면 약 1,400톤의 연료를 실어야 합니다.

로켓 연료는 극도로 가연성과 폭발성이 높기 때문에, 우주선이 화성에 착륙했을 때 깨지지 않도록 특수 탱크에 보관해야 합니다.

화성에도 대기가 있지만, 안타깝게도 낙하산이 제대로 작동할 만큼 밀도가 높지 않습니다. 즉, 화성의 대기는 낙하산 시스템 덕분에 우주선의 속도를 늦춰 화성 표면에 부드럽게 착륙할 수 있도록 하는 데 적합하지 않습니다. 이를 통해 우주비행사와 연료 탱크의 안전을 확보할 수 있습니다.

따라서 우주선은 착륙할 때 역풍 엔진을 시동해야 하며, 이때도 많은 연료가 소모됩니다.

우주선은 화성에서 수직으로 이륙할까, 아니면 비스듬히 이륙할까? (사진: dzen)

화성에 대기가 전혀 없다면 착륙 과정을 더 정밀하게 제어할 수 있으므로 훨씬 간단할 것입니다.

그러나 화성의 대기는 매우 "변덕스럽다". 즉, 화성의 대기 밀도는 항상 변하고, 때로는 대기가 너무 두꺼워져서 우주선의 속도를 쉽게 늦추거나(심지어 불태울 수도 있음) 반면, 때로는 너무 얇아서 우주선의 속도에 거의 영향을 미치지 않는다.

이런 상황에 직면하여 과학자들은 지금까지 화성에 부드럽게 착륙하기 위한 최적의 방법으로 역추진 엔진을 사용하는 옵션을 선택해 왔습니다.

그래서 크든 작든 우주선을 화성에 부드럽게 착륙시키는 것은 아무리 여러 번 시도해도 여전히 위대한 기술적 업적으로 여겨진다.

하지만 그게 전부가 아닙니다. 여기서 가장 복잡한 점은 지구와 화성 사이의 거리가 끊임없이 변한다는 것입니다. 두 행성이 서로 다른 속도로 태양을 공전하기 때문입니다.

지구는 태양에 더 가까워서 태양 주위를 한 바퀴 도는 데 365.25일밖에 걸리지 않습니다. 화성은 태양에서 더 멀리 떨어져 있고 더 느리게 움직이며, 태양 주위를 한 바퀴 도는 데 687일(지구의 거의 두 배)이 걸립니다.

그 결과, 일년 중 대부분 화성은 지구에서 매우 멀리 떨어져 있어서 지구에서 화성으로 비행하는 것이 불가능해집니다.

지구-화성 비행에 유리한 위치는 두 행성이 모두 태양의 같은 쪽에 있을 때에만 생기며, 이는 778일에 한 번(즉, 2년 1개월 18일에 한 번)만 발생합니다.

778일에 한 번 오는 이 기회는 에너지 절감과 비행 시간 측면에서 지구에서 화성까지 비행할 수 있는 완벽한 기회입니다.

우주비행사들이 이 "시간 제한" 비행을 성공적으로 마치고 화성에 도착했다고 가정해 봅시다. 하지만 그 다음은 어떻게 될까요? 두 행성 사이에 다시 근접 접근한 후에야 지구로 돌아올 수 있습니다. 즉, 적절한 순간을 포착하고 지구로 돌아오려면 정확히 2년 1개월 18일 동안 화성에 머물러야 합니다.