로제타와 필레, 그 위대한 도전 - 발사에서 착륙까지

10년걸려 도착했는데 착륙 실패했고 혹시나 탐사선이 깨어나지 않을까 기대하는 거죠. 요즘 로제타 관련 인터뷰나 동영상이 많이 나오는데 아무래도 예산이 안나와서 추가 실험을 못하니 실패한 실험에 대해 포장한단 느낌입니다. (Clien)

혜성 주위를 돌고있는 궤도비행선(Orbiter) Rosetta

Rosetta_and_Philae

Philae_over a comet - 로제타를 타고 와서 궤도상에서 분리 후 혜성 67P/C-G에 착륙한 필라이 착륙선(Lander)

▲ 혜성으로 향하는 착륙선 필레와 로제타의 이미지 (출처 유럽우주국(ESA))

유럽 우주국 (ESA) 의 숙원 사업이었던 로제타(Rosetta) 프로젝트가 이제 클라이맥스에 도달했다. 바로 혜성 착륙이다. 이날을 위해서 유럽 우주국은 수십 년을 기다렸다고 할 수 있다. 작은 냉장고 만한 (1X1X0.8m) 크기의 우주선을 혜성에 착륙시키기까지의 우여곡절과 역사를 소개한다.

- 시작부터 좌초될 위기의 혜성 탐사계획

로제타 계획의 뿌리는 1986년 지구에 멋진 혜성 쇼를 보여준 핼리 혜성으로까지 거슬러 올라간다. 이때 천문학자들은 이 유서 깊은 혜성에서 여러 가지 귀중한 과학적 데이터를 얻는데 성공했다. 그러나 다른 한편으로 혜성에 좀 더 가까이 다가가야 한다는 사실도 깨닫게 된다.

유럽 우주국은 1986년 3월 13일 핼리 혜성에서 596km 떨어진 지점에 탐사선 지오토(Giotto)를 보내는 데 성공했다. 지금 생각하면 꽤 멀리 떨어진 위치 같지만 사실 그때까지 먼지와 가스를 뿜어내는 혜성의 핵에 가장 가까이 다가간 것이었다. 여러 가지 과학적 정보를 알아낸 것은 물론이다.

과학자들이 생각한 대로 혜성은 '더러워진 눈사람'이었다. 하지만 혜성을 구성하는 물질에 대한 구체적인 데이터는 부족했다. 혜성은 대부분 태양계 초창기에 생성된 후 변화 없이 지내던 천체다. 따라서 혜성을 가리켜 '태양계의 타임캡슐'이라고 부르곤 한다. 만약 그 타임캡슐에 보존된 정보를 막힘 없이 꺼낼 수만 있다면 태양계가 어떻게 형성되었는지, 지구는 어떻게 형성되었는지에 대한 결정적인 단서들을 알아낼 수 있다. 일부 과학자들은 더 나아가서 혜성이 생명탄생에 결정적인 역할을 했다고 믿고 있다.

이후 유럽 우주국은 물론 미국의 나사(NASA)는 혜성을 탐사하는데 서로 협력하기로 했다. 유럽 우주국은 혜성 핵 샘플 리턴 미션(Comet Nucleus Sample Return (CNSR) mission)을 추진했고 나사는 동시에 혜성 랑데부 소행성 플라이바이 미션(Comet Rendezvous Asteroid Flyby (CRAF) mission)을 계획했다. 전자가 혜성의 핵에 착륙해 샘플을 채취해 돌아오는 위험한 미션을 맡은 반면 후자는 혜성 근방에서 물질을 채취하고 데이터를 수집하는 일을 담당했다. 그리고 양측은 같은 디자인의 우주선(Mariner Mark II)을 기반으로 미션을 진행하기로 합의했다.

그런데 1992년이 되자 나사 측이 예산상의 이유로 이 계획에서 빠지게 되면서 전체 계획이 위기를 맞이했다. 훗날 나사는 취소된 CRAF 대신 딥 임팩트(Deep Impact)를 비롯한 다른 미션으로 대부분의 계획을 달성했다. 그러나 여기에 혜성 착륙해서 샘플을 가지고 지구로 귀환하는 목표는 들어있지 않았다.

유럽 우주국은 중대한 결단을 내려야 하는 상황에 직면했다. 나사라는 든든한 파트너 없이 혼자 샘플 리턴 프로젝트를 진행할 것인가, 아니면 계획을 수정할 것인가? 그것도 아니라면 아예 계획을 백지화할 것인가? 유럽 우주국이 내린 결단은 계획을 수정하는 것이었다.

샘플 리턴 계획은 유럽 우주국 혼자의 힘으로는 성공 가능성이 높지 않다는 결론이 나왔던 것이다. 가능하면 샘플을 가지고 지구로 돌아오면 좋겠지만 그러려면 지구까지 귀환을 고려, 훨씬 큰 우주선이 필요했고 유럽 우주국이 가진 예산으로는 거의 성공 가능성이 없었다.

그래서 수정된 계획이 바로 현재의 로제타 프로그램이다. 탐사선 로제타는 혜성에 근접, 혜성의 인공 위성이 되어 혜성의 표면을 자세히 관측한다. 그리고 착륙선을 내려보내 혜성 표면에서 상세한 관측을 시행한다. 사실 이것만으로도 이제까지 시도된 적이 없었던 야심 찬 계획이었다.

10년간 로제타의 코스

- 혜성으로 출발하기까지

탐사선의 명칭은 로제타로 지어졌는데 이는 이집트 성형 문자 해독에 결정적 기여를 한 로제타석에서 유래되었다. 착륙선인 필레(Philae) 역시 문자 해독에 중요한 자료를 제공한 오벨리스크가 있는 나일 강의 섬에서 유래했다. 참고로 착륙 예정 지점인 아질키아는 이 필레섬 유적이 아스완 댐 건설로 침수될 상황에 놓이자 유적을 옮겨놓은 섬 이름이다.

본래 로제타는 46P/Wirtanen(이하 46P) 혜성을 목표로 삼았다. 발사는 유럽 우주국이 가진 가장 큰 로켓인 아리안 5를 사용하기로 결정했다. 그러나 여기서 예기치 않았던 사건이 발생한다. 본래 발사 일정은 46P 혜성의 공전 궤도를 감안 2003년 1월 12일에 발사해서 20011년에 이 혜성에 도달하는 것이었다.

하지만 2002년, 아리안 5 로켓 발사가 실패하면서 아리안 5 로켓의 발사가 중단되게 된다. 결국, 일정이 연기되면서 46P 혜성은 도달할 수 없는 목표가 되고 말았다. 다행히 너무 늦지 않게 대타를 찾을 수 있었는데 그것이 바로 현재 로제타가 탐사 중인 67P/Churyumov–Gerasimenko(추류모프-게라시멘코, 이하 67P) 혜성이다.

결국 2004년 3월 2일, 로제타의 발사 일정에 맞출 수 있는 최적의 혜성으로 선택된 67P 를 향해서 성공적인 발사가 이뤄졌다. 이후 10년 이상의 대장정의 막이 오른 것이다.

- 10년간의 대장정

로제타는 발사 시 중량이 2,900kg 정도 되는 대형 탐사선으로 1,670kg 중량의 연료를 제외하고도 1,230kg 이나 되는 무게를 가지고 있다. 두 개의 거대한 태양전지 패널은 총 64 제곱미터의 면적으로 태양에서 멀리 떨어진 위치에서 로제타가 필요한 전력을 공급할 수 있었다. 착륙선인 필레의 무게는 약 100kg 이다.

이렇게 든든하게 준비를 하고 출발했지만 67P 은 아주 멀리 떨어진 혜성이다. 태양에서 가장 가까워지는 위치(원일점)는 약 8억 5000만km 정도이고 태양에서 가장 가까워지는 지점(근일점)은 1억 8600만km 정도인데 거리도 거리지만 이 혜성에 랑데부하기 위해서는 혜성과 같은 속도로 가속할 필요가 있었다. 문제는 그렇게 가속하기에는 연료가 부족하다는 것이었다. 연료를 더 탑재하면 되지 않느냐고 반문할 수 있지만 그렇게 되면 비용이 천정부지로 뛰게 된다. 이미 예산이 16억 달러 규모로 커진 상태였다.

이 문제를 해결하기 위해서 로제타는 고전적이지만 효과적인 방법인 중력도움(gravity assist, 혹은 swing-by나 flyby라고도 한다)을 받기로 한다. 쉽게 말해 다른 천체에서 에너지를 빌려서 가속을 하는 것이다. 우선 로제타는 2005년에 지구에 근접해 중력도움을 얻고 2007년에는 화성표면에서 불과 250km 에 불과한 위치에서 궤도를 수정한다. 다시 2007년에 지구에서 두 번째 중력도움을 받은 후 2008년에는 소행성 2867 스테인스에서 중력도움을 얻었다. 다시 2009년에 지구에서, 2010년에 소행성 21 루테티아에서 중력도움을 얻은 후 2011년에는 동면에 들어가게 된다.

오랜 여정 끝인 2014년 초, 로제타는 동면상태에서 깨어났다. 그리고 다시 혜성에 접근하기 위한 복잡한 일련의 과정을 수행한 후 마침내 혜성 67P에 근접해서 혜성 주위를 공전하게 된 것이 2014년 8월이다. 로제타는 성공적으로 혜성 주변을 공전하면서 데이터를 수집하기 시작했다. 로제타가 보내온 혜성의 근접 사진은 많은 이들을 경탄시켰는데 지금까지 혜성에 대해서 막연히 가지고 있던 상상을 초월하는 독특한 구조였다.

 

▲ 로제타가 촬영한 혜성 67P의 근접 사진 (출처 유럽우주국(ESA))

- 로제타의 관측

로제타는 이후 수개월에 걸쳐 혜성의 모습을 다각도에서 촬영했다. 그런데 혜성 67P는 점차 태양으로 다가서고 있었다. 최초로 혜성이 태양에 근접해서 물질을 증발시키는 장면을 근접 관측할 기회가 생긴 것이다. 과학자들은 지금까지 혜성이 얼음, 드라이아이스, 먼지 등으로 구성되어 있으며 태양에 가까워지면 이를 증발시켜 거대한 꼬리를 만든다고 알고 있었다. 그런데 실제로 그 장면을 가까이에서 본 적은 없었다.

2014년 9월 26일, 로제타는 혜성에서 뿜어져 나오는 가스의 제트를 선명하게 관측했다. 혜성이 아직 물질을 증발시키기 전부터 추적하면서 점차 태양에 가까워지며 꼬리를 만들어가는 과정을 생생하게 추적하게 된 것이다.

 

▲ 로제타가 본 혜성의 가스 먼지. 2014년 9월 26일, 혜성에서 26km 떨어진 지점에서 촬영. (출처 유럽우주국(ESA))

- 지구중력 10만분의1 혜성에 '소형 냉장고'만한 필레 안착할까

로제타의 상세한 관측 결과를 토대로 유럽 우주국의 과학자들은 신중하게 착륙 후보지를 선택했다. 두 번의 기회는 없기 때문이었다. 5개의 후보 지역 가운데 최종적으로 J라고 명명된 지역이 1차 착륙 후보지로 결정되었는데 앞서 이야기했듯이 '아질키아'라는 명칭이 붙었다.

▲ 착륙하는 필레의 이미지 (출처 유럽우주국(ESA))

필레는 현지시각으로 11월 12일 역사적인 착륙 시도에 돌입했다. 지구 중력의 10만분의 1 수준인 낮은 중력의 천체 표면에 달라붙어야 하기 때문에 사실 간단한 문제라고는 할 수 없다. 필레는 특수한 다리 3개와 2개의 작살로 표면에 안정적으로 붙어 있기 위해 최선의 노력을 할 것이다. 사실 혜성이 태양에 다가가면서 표면에서 가스가 분출될 수 있는 데다 중력도 낮고, 표면도 경사가 있기 때문에 성공 여부는 그야말로 손에 땀을 쥐게 하는 초미의 관심사이다.

인류의 또하나의 위대한 도전은 이제 불과 몇시간후면 (한국시각 13일 오전 1시 이후) 성공 여부를 알 수 있다.

(출처 : 나우뉴스  2014.11.12  고든 정 통신원 jjy0501@naver.com)

Rossetta의 궤적 :  http://sci.esa.int/where_is_rosetta/ 

로제타에서 분리되면서 필라에가 최초로 찍은 사진

다리를 펼치고 착륙하러 가는 필라에를 로제타가 찍은 사진

착륙예정지를 중심으로 찍은 혜성 사진

 

관련 기사

로제타 '필라이' 사상 첫 혜성 착륙…우주 탐사 새 역사 쓰다  

(중앙일보 2014-11-13 01:20)

혜성 탐사선 로제타(Rosetta)에서 분리된 착륙 로봇 필라이(Philae)가 혜성 '67P/추류모프-게라시멘코'에 무사히 착륙했다. 유럽우주국(ESA) 관제센터는 한국시간으로 13일 오전 1시쯤 필라이가 혜성에 무사히 착지했다고 밝혔다. 필라이는 전날 오후 6시 3분 혜성 표면에서 22.5㎞ 떨어진 상공에서 모선인 로제타에서 분리돼 혜성 표면을 향해 7시간에 걸쳐 하강했다. 

로제타는 2004년 3월 아리안 5호에 실려 발사됐으며, 10년 동안 64억㎞를 여행했다. 지구 역사상 탐사선이 직접 혜성 표면에 내려앉는 것은 이번이 처음이다. 혜성은 태양계가 생길 때 만들어진 원시 물질을 거의 원형 그대로 간직하고 있어 태양계 탄생의 비밀을 밝힐 수 있을 것으로 기대되고 있다. 

로제타의 착륙선 필라이는 11개의 실험·관측 장비를 운반하고 있으며, 모선에서 분리되는 순간부터 관측을 시작했다. 7시간에 걸쳐 하강하는 동안에도 카메라는 모선과 혜성의 모습을 촬영했다. 또 자기장 관측과 먼지·플라스마 측정을 개시했다. 레이더는 하강속도를 측정하고, 혜성의 표면을 훑는다.

혜성 표면에 착륙하면 필라이는 혜성 표면의 파노라마 사진을 촬영하게 된다. 3차원 영상과 고해상도 이미지를 보내올 것으로 기대하고 있다. 착륙 후 필라이는 혜성 표면에 23㎝ 깊이로 구멍을 뚫고 암석·토양 시료를 채취해 물리적 특성을 조사한다. 또 혜성의 토양을 구성하는 화학성분 등을 조사하게 된다. 특히 휘발성 화합물, 유기 화합물 등 생명의 기원을 추적하는 물질을 찾는 실험도 진행된다. 이와 함께 온도를 측정하고 착륙선 주변의 자기장, 전기적 특성도 조사하게 된다. 혜성 내부의 특성은 레이더로 탐사할 예정이다. 

혜성 탐사 로봇 파일리가 그늘진 구석에 착륙하면서 동력원인 태양광 배터리의 충전이 불가능한 상태에 놓였다. 

최악의 경우 기약 없는 동면 상태에 빠질 수도 있다.

3.5유로의 기적…혜성 탐사선 로제타의 경제학

로제타 프로젝트에는 14억유로의 예산이 투입됐고 이는 에어버스 A380 4.2대 가격에 해당하는 것으로 나타났다. 이번 프로젝트에 유럽 각국 국민들이 부담하는 비용은 1인당 3.5유로로 영화관 입장권 평균 가격인 8.5유로의 절반에도 미치지 못한다...(헤럴드경제 2014.11.14)

혜성탐사선 `로제타' 발사 카운트다운

(연합뉴스 2004-02-26)

인류 최초로 혜성에 우주선을 착륙시킨다는 목표아래 추진되어온 유럽의 혜성탐사선 로제타(Rosetta)호가 26일 오후 4시36분(한국시간, 그리니치 표준시 7시36분) 아리안-5 로켓에 실려 발사된다고 BBC 방송 인터넷판이 보도했다. BBC에 따르면 로제타호는 프랑스령 기아나의 쿠루기지에서 발사된 뒤 지구궤도를 거쳐 태양계로 나가게 되며 2014년 추류모프-게라시멘코 혜성에 도달, 표면에 소향 착륙선을 착륙시킬 때까지 앞으로 10년간 70억㎞를 여행하게 된다.

로켓 보조추진장치(부스터)와 주발사체, 상단로켓, 탐사선 등으로 이뤄져 있으는 아리안-5 로켓은 발사 2분 뒤 4천㎞ 상공까지 상승하는 과정에서 무게 부담을 줄이기 위해 부스터를 버릴 예정이며 10분 뒤에는 주발사체도 분리한다. 주발사체는 이 과정에서 중력을 이용해 로제타가 대기권을 벗어나는데 필요한 가속도를 낼 수 있도록 대기권으로 재진입하며 발사 2시간 뒤에는 상단로켓도 로제타에서 분리된다.

로제타는 이후 혜성에 도달하기 전에 10년간 태양 중심으로 4차례 선회하게 되며 그동안 탐사선에 가속도가 붙도록 행성의 중력을 이용한 이른바 `고무줄 새총' 효과를 위해 지구와 화성에 각각 3차례와 1차례 접근할 예정이다. 총 무게 3천㎏의 절반 이상이 연료로 채워져 있는 로제타가 연료사용을 가급적 줄이면서 빠르게 이동하는 혜성에 도달하기 위해서는 이 같은 가속도가 필요하다. 

2014년 5월이나 6월이면 로제타는 혜성 궤도로 진입, 혜성 중심부를 향해 조금씩 이동하면서 혜성 중심부의 사진을 찍어 지구로 전송해 착륙지점을 최종 선택하게 되며 착륙지점이 선택되면 로제타는 착륙선인 `파일리'(Philae)를 표면에 착륙시킨다는 것이다. 2015년12월 임무를 마치게 되는 로제타가 혜성과 랑데부하고 있는 동안 지상에서 전송되는 명령이 전달되는데만 50분이 걸리기 때문에 자율적으로 조종이 이뤄질 수 있도록 설계돼 있으며 목성을 지날때 온도가 최저 영하 150도로 떨어지는 만큼 이 같은 온도에서도 견딜 수 있도록 돼 있다.

관련 사이트

ESA

Comet Landing A Success: European Craft Makes 'Fairly Gentle Touchdown'

천체별 최초 연착륙 우주선

달: 루나 9호(소련) - 1966년 1월 31일 

금성: 베네라 7호(소련) - 1970년 8월 17일 

화성: 마르스 3호(소련) - 1971년 5월 28일 

소행성: NEAR 슈메이커(미국) - 1996년 2월 17일 

타이탄: 하위헌스(미국-유럽) - 1997년 10월 15일 

혜성: 필라이(유럽) - 2014년 11월 13일

넘어진 채로 발견된 혜성 착륙선 필레

착륙 충격으로 튕겨져 2년간 행방 불명되었던 인류 첫 혜성 착륙로봇 필레 찾았다 [2016.09.06]

로제타호는 발사된 지 10년 8개월 만인 지난 2014년 11월 지구에서 5억㎞ 떨어진 궤도를 돌던 혜성에 접근해 탐사로봇 필레를 분리해 착륙시켰다. 그러나 혜성의 중력이 너무 약한 탓에 필레가 착륙 과정에서 몇 차례 튕겨지면서 예정된 착지 지점에서 벗어나 그늘 비탈로 굴러떨어지고 말았다. 이 때문에 동력원인 태양전지가 제 기능을 못하면서 방전돼 사흘 만에 지구와 교신이 끊긴 채 우주미아 신세가 됐다.

이후 혜성이 태양 쪽으로 더 접근하면서 필레가 잠자던 그늘에 햇빛이 들기 시작했고, 필레는 7개월만인 지난해 6월 깊은 동면에서 깨어나 전지를 충전한 뒤 태양계 탄생의 비밀을 밝혀줄 귀중한 사진과 데이터를 보내왔다. 그로부터 몇 달뒤 혜성이 다시 태양에서 멀어지고 공전 각도가 바뀌면서 필레는 임무를 완수하고 다시 기약 없는 동면에 들어갔다.

그러던 중 지금도 혜성 주변에서 나란히 비행 중인 모선 로제타가 지난 2일 혜성에 2.7㎞까지 접근해 촬영한 표면 사진의 한 구석에 필레가 선명하게 모습을 드러낸 것이다.

 

혜성 주위를 돌고 있는 모선인 로제타가 혜성을 지속적으로 촬영하던 중 발견됐다.

혜성은 현재 점점 태양으로 부터 멀어지고 있어서 태양빛이 약해지면서 로제타도 힘이 떨어지고 있다고 한다.

정상 착륙했을 때의 예상도