사상 첫 민간인 우주 유영…우주에 복귀한 인류[코스모스토리]

편집자 주

'넓은 세상'을 바라봅니다. 기술 발전으로 인식과 터전을 넓히는 '인류의 노력'을 바라봅니다. 지구를 넘어 광활한 우주에 대한 이야기, '코스모스토리' 시작합니다.

저궤도에서 지구를 바라보며 우주 유영을 하는 제라드 아이작먼의 모습. 스페이스X 중계 화면 캡처

"우주에서의 첫 광경이 매우 좋다. 지구에 있을 때, 우리는 할 일이 많지만 여기서는 마치 완벽한 세상처럼 보인다."

지구 상공 약 700km 지점에서 민간인으로는 사상 처음으로 우주 유영을 한 억만장자의 소감입니다. 지난 12일 제라드 아이작먼(Jared Isaacman)은 우주선 해치를 열고 우주공간에 나와 지구를 바라봤습니다. 지구에 남은 우리는 그의 뒷모습과 지구 풍경을 실시간으로 볼 수 있었습니다. 몽환적인 지구의 모습을 배경으로 우주를 유영하는 모습에 중계진은 물론, 많은 지구인이 탄성을 지르며 감탄했습니다.

지난 10일 미국 케네디 스페이스센터 39A 발사장에서 날아오르는 팔컨9 로켓. X 캡처

테슬라 CEO(최고경영자) 일론 머스크가 이끄는 스페이스X는 아이작먼을 필두로 스페이스X 소속 엔지니어 새라 길리스(Sarah Gillis), 퇴역 공군 조종사 스콧 키드 포티(Scott 'Kidd' Poteet), 스페이스X 소속 수석 우주 운영 엔지니어·의료 책임자 애나 메논(Anna Menon)으로 구성된 민간인 팀이 탑승한 크루 드래건 레질리언스(Crew Dragon Resilience, C207) 우주선을 지난 10일(현지시간) 발사해 지구궤도에서 5일간 비행하는 폴라리스 던(Polaris Dawn) 미션을 진행했습니다.

제라드 아이작먼에 지난 2021년 '인스퍼레이션4' 미션으로 드래건 우주선에 탑승해 지구 저궤도를 비행하면서 촬영한 이미지. X 캡처

아이작먼은 이미 지난 2021년 스페이스X에서 진행한 최초의 민간인 우주여행 '인스퍼레이션4' 미션의 팀장으로 참여한 적이 있는데요. 이 미션은 민간인 4명으로 구성된 팀원들이 드래건 우주선에서 지구 저궤도를 3일 동안 비행하다 지구로 복귀하는 방식이었습니다. 아이작먼은 이번 폴라리스 던 미션으로 3년 만에 다시 우주로 복귀한 셈입니다.

지구 저궤도로 올라간 이들은 4가지 영역의 크고 작은 40여 가지의 과학 실험을 수행했는데요. 최초의 상업 우주 유영, 팔컨9 로켓과 드래건 우주선의 최대 성능을 발휘한 고고도 비행, 우주에서의 스타링크 레이저 통신, 지구와 우주의 인체 영향 조사 등의 실험이 진행됐습니다.

지난 15일(현지시간) 낙하산을 펴고 낙하하던 드래건 우주선이 플로리다 해역에 안착하는 모습(왼쪽 위에서 시계방향으로), 해수면에 안착한 드래건 우주선이 견인되는 모습, '폴라리스 던' 미션 팀원 새라 길리스가 하선하면서 미소를 짓고 있는 모습, 제라드 아이작먼이 하선하면서 인사하는 모습. 스페이스X 중계 영상 캡처

이들의 여정은 지난 15일 오전 3시 36분(현지시간) 지구 낙하궤도에 진입한 후 플로리다 해역에 성공적으로 안착하면서 마무리됐습니다. 대기권 마찰로 그을린 우주선의 메인 해치가 열리자 안에서 건강한 상태의 팀원들이 밝은 미소를 지으며 하선했는데요. '아폴로 계획' 이후 지구인 중 누구보다 높은 곳에 있었던 이들의 5일 동안의 과정과 성과는 어떠했을까요?

특수 제작된 우주복과 우주선 진공처리 중요성

'폴라리스 던' 미션 팀원들. 스페이스X 홈페이지 캡처

12일 오전 6시 12분(현지시간), 스페이스X 미션 컨트롤 센터는 우주 유영 실험 개시를 지시했습니다. 4명의 우주인들은 스페이스X에서 특수 제작한 선외활동우주복(The Extra-Vehicular Activity(EVA) suit)을 착용했는데요. 선외활동(EVA)이라는 개념은 과거 1965년 소련 우주비행사 알렉세이 레오노프(Aleksey Leonov)에 의해 최초로 수행됐습니다.

최근에는 국제우주정거장(International Space Station, ISS) 등에서 이동성, 생명 유지 및 통신 기능을 탑재한 독립적인 선외우주복(Extra-vehicular Mobility Unit, EMU)을 사용하는 방식으로 진행되기도 합니다. 이번 미션에서는 민간에서 상업적으로 개발된 우주복과 우주 유영 절차를 사용하는 최초의 우주 유영이 된다는 점에서 큰 의미가 있습니다.

'폴라리스 던' 미션 팀원들이 EVA 우주복을 착용하고 단체 사진을 촬영하는 모습. 폴라리스 프로그램 X 캡처

스페이스X의 EVA 우주복은 3D프린터로 맞춤 제작된 헬멧, 특수처리된 천으로 구성돼 있어 기존의 다른 EVA 우주복과는 다르게 슬림한 형태를 하고 있습니다. 허벅지 부분에는 공기 순환용 튜브가 장착돼 있는데요. 이 때문에 우주선 밖으로 나갈 순 있지만 독자적으로 움직이는 것이 아닌 선체 근처에만 머물러야 하는 제약이 있습니다.

우주복이 준비됐다면 이제 우주로 나갈 준비가 필요하겠죠. 스페이스X의 드래건 우주선은 최초 사용될 당시 우주인들이 외부로 나가는 것이 아닌 ISS 등 우주 구조체에 도킹하기 위한 모듈로 개발됐습니다. 우주정거장에는 내·외부 사이 공기와 기압을 조절하는 에어락(Airlock)이라는 모듈이 있는데요. 드래건 우주선에는 이것이 없습니다.

따라서 우주 유영 전 공기를 빼고 넣는 과정이 필요합니다. 단 이 작업이 오래 걸리는데요. 인체는 기압을 갑자기 빼버리면 혈액 속 질소가 녹아들어 기포가 생겨 감압병에 걸립니다. 이를 방지하기 위해 산소 100%로 공기를 주입해 체내 질소 농도를 최소화하면서 우주공간에서 활동할 수 있도록 선체와 우주복을 서서히 감압시킵니다.

우주 유영을 위한 해치 오픈 전 EVA 우주복에 산소가 주입되는 모습. 우주복에 기압이 높아서 팽팽해져 있다. 스페이스X 중계 영상 캡처

그러면 감압 단계는 얼마나 진행될까요? 중계 화면에 노출된 압력 게이지를 보면 'PSIA'라는 단위로 숫자가 움직입니다. PSIA는 PSI(평방 인치 당 파운드)와 게이지 압력을 합친 '절대압력'을 의미하는데요.

스페이스X에 따르면 우주선 내부는 우주공간과 비슷한 0으로, 우주복은 약 5.1에서 활동할 수 있도록 설계됐습니다. 보통 지구 중력상 해수면 0m 기준 평군 기압은 PSI 14.7인데요. 우주공간에서 이와 같은 압력이 우주복에 들어가 있으면 압력 차로 우주복이 터질 듯이 빵빵해져 움직이기 힘들어질 것입니다.

역사적인 최초의 민간인 우주 유영

4명의 우주인은 컨트롤 센터의 지시에 따라 우주복의 공기 누출 여부를 확인한 후 산소를 주입받으면서 서서히 감압 과정을 거쳤고 선체의 압력 수치가 0, 우주복은 5.1이 되자 선내 전방 해치를 열었습니다. 해치의 오픈은 자동·수동 모두 가능합니다. 내외부 압력이 맞을 때 수동으로 잠금을 해제하고 당기면 열리는 방식입니다. 이번에는 아이작먼이 수동으로 열었습니다.

드래건 우주선 전방 해치가 오픈된 모습. 스페이스X 중계 영상 캡처

해치 오픈 당시 내·외부가 같은 기압이기 때문에 기압 변동 충격 없이 우주와 연결된 선내에서 아이작먼이 우주로 나갈 준비를 합니다. 이때 스페이스X는 우주 유영을 보다 안전하게 진행하기 위해 드래건 우주선의 해치 상단부에 선체에 매달릴 수 있도록 난간을 설치했는데요. '스카이워커'라고 명명된 이 모듈 덕분에 우주인이 우주 공간으로 날아가 버리지 않고 유영을 할 수 있었습니다.

제라드 아이작먼이 드래건 우주선의 해치를 열고 우주로 나오는 모습. 스페이스X 중계 영상 캡처

해치가 열리고 잠시 후 아이작먼은 전방 해치 입구와 스카이워커 난간을 붙잡고 오르며 우주 공간으로 나아갑니다. 우주선의 시속 약 2만 5270km/h, 고도 약 740km 지점. 새까만 우주를 배경으로 푸른 지구가 보입니다. 현장 중계진, 스페이스X 임직원들은 환호를 지르며 우주 유영의 순간을 환호했습니다.

아이작먼은 지구를 바라보며 짧은 소감을 남기고 바로 우주복 테스트를 진행했습니다. 개인이 우주를 유영할 수 시간은 10~15분 정도에 불과합니다. 그는 스카이워커를 한 손으로 잡고 우주복의 손과 관절부의 움직임을 테스트합니다.

영상에서는 마치 마네킹이 움직이는 것처럼 보이는데요. 영화에서 보던 우주공간에서의 부드러운 움직임은 향후 개량을 거쳐 미래에나 실현 가능할 것으로 전망됩니다. 압력 차로 부풀어 오른 우주복이 얼마 만큼의 운동성을 보여줄지 알 수 없는 상태에서 아이작먼은 활동 한계 시간까지 수직, 수평이동 등 다양하게 움직이면서 이를 시험했습니다.

제라드 아이작먼이 스카이워커 모듈을 잡고 EVA 우주복의 운동성 테스트를 진행하는 모습. 스페이스X 중계 영상 캡처

아이작먼은 스카이워커를 잡고 이동하면서 지구가 아닌 태양을 바라보기도 했습니다. 이는 헬멧에 코팅된 바이저가 제 성능을 하는지 확인하는 작업인데요. 바이저는 강렬한 태양빛에 노출됐을 때 시력 손상 및 우주복의 온도 상승을 방지하는 역할을 합니다. 우주 유영을 시작할 당시 보고된 온도는 섭씨 33.9도, 이후 중간 보고 때 섭씨 33.8도라고 확인한 것을 보면 태양광을 쬐고도 급격한 온도 변화는 없었던 것으로 보입니다.

새라 길리스가 우주 유영을 하기 위해 드래건 우주선에서 나오는 모습. 스페이스X 중계 영상 캡처

아이작먼에 이어 새라 길리스가 유영에 나섭니다. 그런데 아이작먼과 다르게 그녀가 나왔을 땐 아무것도 보이지 않았습니다. 어찌 된 일일까요? 이것은 우주 유영이 진행되는 순간에도 궤도 비행을 하는 우주선이 어두운 부분으로 이동했기 때문입니다.

새라는 아이작먼이 했던 것과 비슷하게 우주복의 운동성 테스트를 다시금 진행했습니다. 10여분 동안의 테스트 후 활동 한계 시간이 되자 그녀도 우주선 내부로 복귀했습니다. 이후 해치를 닫고 감압 과정의 역순으로 가압 과정이 진행됐고 프로세스가 시작되고서 1시간 46분 시점, 선내 PSIA 수치가 14.7에 도달하면서 민간인 최초의 우주 유영이 마무리됐습니다.

아폴로 계획 이후 반세기 만에 이뤄진 인류의 우주 복귀

폴라리스 던 비행 고도 설명 자료. 스페이스X 중계 영상 캡처

이번 미션은 최초의 민간인 우주 유영 성공이라는 기록 외에도 다른 의미가 있는데요. 바로 미국의 달 탐사 계획인 '아폴로' 이후로 인류가 우주에 도달한 최고 고도라는 것입니다.

드래건 우주선의 이번 지구 저궤도 비행은 최고 고도 비행을 한다는 목표가 있는 만큼 지구와의 근지점과 원지점이 다른 타원 형태로 진행됩니다. 그래서 지구를 돌 때마다 고도의 차이가 발생하는데요. 이번 비행에서는 궤도 비행 도중 우주선 자체 추진을 통해 더 높은 고도 비행을 진행했습니다. 그래서 낮게는 고도 197km에서, 높게는 1408.1km까지 올라가기도 했습니다. 이 고도에서 비행을 했다는 것은 매우 특별합니다. ISS가 고도 420km인 점, 허블우주망원경이 고도 540km인 점을 감안하면 이번 비행은 아폴로 계획 이후 반세기 만에 가장 높은 고도에 도달한 셈입니다.

아르테미스II 멤버 단체 사진. 커맨더 리드 와이즈먼(아래부터 시계방향으로), 크리스티나 코크, 빅터 글러버, 제레미 한센. NASA 홈페이지 캡처

또한 여성 우주인의 역대 가장 높은 고도 비행 기록도 함께 세워졌습니다. 앞서 스페이스X가 진행한 인스퍼레이션4(Inspiration 4) 미션에서 최고 고도는 575km였습니다. 이에 따라 업계에서는 폴라리스 던 미션을 최고 고도의 민간인 우주비행이자 미국 정부의 유인 달 탐사 프로젝트 아르테미스 미션-II(Artemis Mission-II) 이전으로의 '우주 복귀'라고도 부릅니다.

이번 미션은 지난 냉전 시대 우주 개발 계획에 빗대 성숙한 우주 개발 과정으로 평가합니다. 미국과 소련(소비엔트연합)의 우주개발 경쟁 시대 일환으로 진행된 아폴로 계획은 국가 간의 우월성 경쟁을 목표로 진행됐지만 이번 민간 우주 비행은 인류의 우주 진출을 위한 기술의 발전이라는 점, 그 목적이 모든 인류의 발전과 부흥을 위한다는 점에서 큰 차이를 보입니다.

불가능해 보이는 미션 성공으로 미래세대에게 희망 전달

드래건 우주선의 스타링크 레이저 통신 상상도. X 캡처

스페이스X는 지난 몇 년 동안 지구 저궤도에 수백 개 이상의 스타링크 위성을 쏘아 올렸습니다. 이 위성들은 지구 어디에서든 위성통신을 할 수 있도록 서비스한다는 목적을 가지고 있습니다.

스페이스X는 폴라리스 던 미션을 통해 저궤도 비행을 하면서 스타링크의 성능을 다시 한번 시험했습니다. 소셜미디어 폴라리스 엑스(구 트위터)에는 지난 13일(현지시간) '회복력의 조화'(HARMONY OF RESILIENCE)라는 제목의 영상이 게재됐습니다.

새라 길리스가 드래건 우주선 안에서 바이올린 연주를 하는 모습. 폴라리스 프로그램 X 캡처

새라 길리스는 드래건 우주선 안에서 존 윌리엄스의 '레이의 테마'를 바이올린으로 연주했고 이 장면을 녹화했습니다. 레이의 테마는 영화 '스타워즈'의 배경음악 중 하나입니다. 새라는 "5일 동안 지구를 여행하는 동안, 이 특별한 순간을 음악으로 여러분과 함께 나누고 싶었다"며 "전 세계의 재능을 모은 이 공연은 단합과 희망을 상징하며 세계 모든 어린이의 회복력과 잠재력을 상징한다"고 전했습니다.

이 연주는 한 곡의 여러 파트가 독립적으로 녹음된 후 합쳐지면서 오케스트라 연주를 완성됐다는 점에서 매우 특별합니다. 새라의 연주를 녹화한 팀원들은 스타링크의 연결성 테스트를 위해 해당 자료를 레이저 통신으로 지구로 송신했고 미국 로스앤젤레스(LA)를 비롯한 아이티, 브라질, 스웨덴, 베네수엘라, 우간다 등 세계 여러 곳의 악단에서 파트별로 연주한 소리를 합쳐 오케스트라를 완성했습니다.

여러 나라의 다양한 연주팀에서 영화 '스타워즈'의 배경음악 '레이의 테마'를 연주하는 모습. 폴라리스 프로그램 X 영상 캡처

폴라리스 프로그램의 공식 홈페이지에는 '음악이라는 보편적인 언어와 소아암 및 질병과의 끊임없는 싸움에서 영감을 받았고 이 순간은 다음 세대가 별을 바라볼 수 있도록 영감을 주고자 하는 바람으로 만들어졌다'고 명시돼 있습니다.

이 특별한 영상은 폴라리스 프로그램이 기부를 위해 모금 중인 세인트 주드 아동 연구 병원과 음악 교육 재단 '엘 시스테마' 미국 본부와 상호 협력 아래 제작됐습니다.

우주 환경에 적응하기 위한 인체 변화 연구

'폴라리스 던' 미션 팀원들이 과학 연구에 참여하는 모습. 폴라리스 프로그램 홈페이지 캡처

놀라운 실험은 이뿐만이 아닙니다. 우주 공간과 인체의 변화를 따지는 아주 중요한 실험이 있었습니다.

인류가 지구를 벗어나 달과 화성, 그리고 그 너머에 도달하기 위해선 오랜 시간 우주에 머물러야 합니다. 지구 환경에 맞춰 진화한 인류는 아직 몇몇을 제외하고는 우주 경험이 거의 없습니다. 따라서 인류가 지구를 벗어나 우주 공간에서 행성 간 이동을 하는 시대를 열기 위해선 인체가 우주에서 어떤 영향을 받는지, 장기간 노출돼 있을 때 건강이 어떻게 변하는지에 대한 연구가 꼭 필요합니다.

이번 미션에서는 우선적으로 다음과 같은 연구를 수행했습니다. 첫 번째, 초음파를 사용해 '정맥 가스 색전증(Venous Gas Emboli, VGE)'을 모니터링하고 데이터를 감압병 연구에 기여하는 것입니다. 팀원들은 드래건 우주선의 해치를 열고 우주 공간을 경험할 때, 산소 농도와 기압 차이의 변화로 인한 인체의 감압병 관련 임상 데이터를 얻었고 이 자료는 감압병 연구 자료로 사용될 것 입니다.

두 번째, 우주 공간에서 인체가 우주 방사선 노출로 인해 어떠한 생물학적 변화를 겪는지에 대한 데이터를 수집하는 것입니다. 현재 우주 공간에 거주하는 사람은 우주정거장에 거주하는 극소수의 우주비행사 뿐인데요. 같은 고도에서 비슷한 생활을 하는 이들과 다르게 드래건 우주선에 탑승한 팀원들은 이와 다른 고도에서 생활을 했기 때문에 다른 강도의 우주 방사선에 노출됐을 가능성이 있습니다. 이러한 차이로 얻은 데이터를 통해서 인류는 보다 더 많은 것을 이해할 수 있을 것입니다.

세 번째, 우주 환경에 팀원들의 생물학적인 변화를 확인하고 이에 대한 샘플을 제공하는 것입니다. 지상에서 여러가지 생물학적 연구 모듈을 장착한 팀원들은 우주 활동을 수행하고서 샘플을 반환 및 제공해 생물학적 발전에 기여합니다.

마지막으로 장기간 우주 비행 시 신경안구증후군(Spaceflight Associated Neuro-Ocular Syndrome, SANS)과 관련된 연구에 참여합니다. 이는 우주비행사가 우주 환경에서 겪는 시력 변화와 신경학적 변화에 대한 연구인데요. 다른 중력 환경에서 인체 내 체액 이동 변화, 우주 방사선의 영향으로 인한 시력과 안구 형태·신경학적 두통과 공간 인지 능력·균형 감각의 변화를 연구합니다.

이는 모두 인류의 우주 진출에 앞서 반드시 연구되고 대책을 마련해야 할 항목들입니다.

폴라리스 던은 시작 단계…스타십 활용한 행성 간 비행 계획도

폴라리스 프로그램 홈페이지 캡처

이번 미션은 제라드 아이작먼과 스페이스X가 공동으로 추진하는 '폴라리스 프로그램(Polaris Program)'의 첫 번째 미션입니다. 이 프로그램은 과거 인류의 역사에서 길잡이 역할을 해온 3개의 북극성을 빗대 달, 화성, 그 너머의 공간으로 인간의 우주 탐사를 돕는 중요한 운용 능력을 입증하기 위한 3단계의 미션으로 계획돼 있습니다.

우선 폴라리스 던은 1단계 미션으로, 인류가 지구를 벗어나 우주에 도달하는 것을 입증하는 데 중점을 뒀습니다. 3단계에 걸친 미션에서 1단계 미션에 던(Dawn)이라는 이름이 붙은 이유는 우주탐사의 서막을 알린다는 뜻 아닐까요. 물론 공식적인 설명은 없었습니다.

스페이스X는 다음 미션도 간략히 설명했는데요. 2단계는 '인간의 우주비행, 우주 통신, 과학 연구에 대한 지평을 넓힐 것'이라고 밝혔고 3단계는 '스타십을 이용한 인류 최초의 우주 비행이 될 것'이라고 설명했습니다. 즉 폴라리스 던과 2단계 미션은 드래건 우주선을 기반으로 한 4인 이하의 우주인들이 과학 미션을 테스트하는 구조로 진행될 전망이고 마지막 3단계는 스타십을 활용한 본격적인 우주여행으로 예상됩니다.

스타십 5번째 비행 준비를 위해 슈퍼헤비 부스터와 스타십이 결합되어 있는 모습. X 캡처

스페이스X는 현재 스타십의 5차 시험 발사를 앞두고 있습니다. 지난 발사와는 부스터와 우주선의 귀환 및 회수까지 기대되는 단계라는 점에서 큰 차이가 있습니다. 조만간 우주 발사에 대한 모든 단계의 완전 재사용이 가능해져 우주가 한층 더 가까워지는 그날을 기다려 봅니다.

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