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특집: 화성 탐사 60주년

화성 스마트시티

산소조차 희박한 곳에서 우리는 어떤 문화를 누리게 될까. 화성 문화생활에 앞서 그려야 할 것은 도시다. 화성인이 모여 살며 삶을 영위할 도시가 필요하다. 대기도 중력도 지구와 다른 극한의 환경에서 도시는 어떻게 조성하고, 어떤 형태여야 할까. 우주탐사 연구원, 우주공학자, 건축가, 식물학자 등 전문가들의 조언을 종합해 만든 화성 스마트시티를 공개한다.

UpdatedOn October 02, 2020

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➊ 화성 테라포밍

화성 테라포밍은 생물 이식과 인위적인 환경 변화를 통해 화성을 인간이 살기 적합한 환경으로 만드는 미래의 기술이다. 화성 테라포밍의 핵심은 자기권을 생성하고, 대기를 형성하고 온도를 높이는 것이다. 화성에 물이 존재하고, 지구와 대기가 비슷한 점은 유리한 조건이지만, 지구에 비해 태양빛이 약하고, 무엇보다 자기장이 없어 우주로부터 들어오는 방사능을 막아주지 못하고, 인위적 온실 효과를 일으키기 위한 이산화탄소가 부족한 점은 해결해야 할 문제다. 또한 중력이 지구의 38%고, 토양이 과염소산 등으로 유독하며, 대기압이 지구의 100분의 1 이하, 우주 방사능 때문에 표면에서 이온화가 발생해 분자들이 불안정하고, 평균온도가 영하 63℃(지구는 14℃)로 매우 낮을뿐더러, 물이 대부분 고체 얼음 상태인 점도 불리한 조건이다.
다행히 화성의 토양과 대기에는 생명에 중요한 요소(황, 질소, 수소, 산소, 인 및 탄소 등)들이 고루 존재하고 물도 풍부해 얼음이 모두 녹으면 5~11m 깊이의 대양이 형성될 정도다. 화성 대기의 대부분을 차지하는 이산화탄소는 온난화 가스로 사용이 가능하다. 극지방의 이산화탄소가 대기로 방출되면 온실 효과로 온도가 올라가고 상호작용이 상승 효과를 일으킬 테지만, 화성 내 온실가스 총량이 부족하기 때문에 화성의 모든 온실가스가 풀려도 온도는 10℃, 대기압은 겨우 7%만 오를 뿐이다. 가장 어려운 점은 화성에 자기권이 없어 대기 유지가 장기적으로는 힘들다는 것이다. 그래서 온실가스를 외부에서 가져오는 것도 고려해야 하는데, 주변 소행성으로부터 암모니아, 토성의 위성인 타이탄으로부터 메탄, 그리고 지구로부터 대기 온난화 물질인 프레온가스를 수송할 수도 있을 것이다. 화성 궤도에 우주거울을 설치해 극지방 대기 온도를 높여 극지방의 얼음과 드라이아이스를 녹이고, 태양빛 흡수율을 높이기 위해 화성의 위성 포보스와 데이모스의 검은 먼지를 화성 대기에 확산시키고, 어두운색의 이끼와 조류 및 박테리아를 도입해 생물학적으로 화성 표면의 알베도를 감소시킨다. 또한 산소를 발생시키기 위해 시아노 박테리아와 조류를 이식해 화성 토양에서 산소가 만들어지도록 한다.
화성 테라포밍의 핵심이며 가장 어려운 기술은 인공 자기장을 만드는 일이다. 화성 L1(화성과 지구, 태양 간 중력이 비기는 위치) 궤도상에 강력한 자석을 설치해 인공 자기장 방패를 통해 만들거나 화성 표면에 극저온 초전도 링 시스템을 건설해 자기장을 생성함으로써 화성 대기와 물을 보호해야 한다. 이를 위해서는 강력한 수천 GW 크기의 핵융합 발전소가 필요할 것이다.
WORDS 최기혁(한국항공우주연구원 우주탐사연구부 책임연구원)

➋ 1백 개의 식민 도시 건설

가속화되는 지구 인구 증가와 도시화로 식량난이 극심해지고, 지구인은 새로운 식량 보고로서 화성을 정복한다. 그곳은 더 이상 지금처럼 억만장자들이 우주 여행을 하러 가는 곳이 아니라 지구에 식량을 공급하기 위해 노동자들이 ‘파견’되는 곳이다. 그야말로 지구의 간척지다. 화성의 환경을 정복한 지구인은 화성의 특정 지역에 도시를 건설할 이유가 없다. 모든 것은 완벽한 환경의 제어를 통해 가능하다. 화성 전역에 걸쳐 1백 개의 콜로니얼 시티(식민 도시)를 일정한 간격으로 건설한다. 각 식민 도시에는 1만 명의 노동자들이 거주하며 수직으로 확장된 초고밀도 도시를 형성한다. 한 뼘의 땅이라도 지구인의 식량을 생산하는 데 쓰여야 하기 때문에 수평으로 확장되는 도시는 있을 수 없다. 사실 도시라고 부를 수도 없다. 각 식민 도시당 1백 층짜리 초고층 빌딩 5개에 각각 2천 명씩, 총 1만 명의 노동자들이 거주한다. 햇빛이 필요한 주거만 지상에 있고, 나머지 상업 시설이나 문화 시설 등은 모두 지하에 개발된다. 경작 면적을 최대화해야 하기 때문이다. 초고층 빌딩을 기반으로 한 화성 정복은 환경을 제어하는 데 가장 효과적이다. 먹고, 자고, 쉬고, 여가를 누리는 행위가 외부가 아니라 건물 내에서 해결되기 때문이다. 건물 밖은 모두 식량 경작을 위한 공간이다.
WORDS 임동우(도시계획가, ‘프라우드 건축사무소’ 소장)

➌ 지오데식 돔이 적용된 도시

화성의 평균온도는 약 영하 63°C이고, 대기 또한 아주 희박하고 중력도 매우 작다. 이렇게 생존이 어려운 환경인 화성에 도시를 만드는 방법은 우주선 그 자체가 도시 건설의 기본적인 유닛이 되는 것이다. 기본적인 유닛은 우주정거장을 조립하는 유닛처럼 다양한 기능을 가진 유닛으로 구성된다. 태양광, 태양열 에너지 방식의 에너지 생산 유닛, 중력을 만들어내는 유닛, 공기를 생산하는 유닛 등이 서로 도킹과 변형을 통해서 최종적으로 버크민스터 풀러가 제안했던 지오데식 돔을 만들고 돔 안에 지구와 유사한 생존 환경을 구축해나간다. 이 우주선 유닛으로 만들어진 돔은 수 킬로에 달하는 거대한 환경을 만들어낼 수 있다. 그 거대한 돔 안에서 우리는 자유롭게 도시를 구성할 수 있다. 자족적 생활을 위해 농사를 지을 수도 있고 지구와 유사한 건축물들을 세울 수도 있다.
WORDS 장윤규(건축가, ‘운생동’ 소장)

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➍ 3D 프린팅 활용한 건축 자재 생산

위 조건을 바탕으로 화성 거주를 위한 공학적인 접근에 대해서 이야기해보자. 화성에서 거주하기 위해서는 식량, 물, 주거지, 산소 네 가지가 필수 요소다. 지구에서 화성으로 물자를 운송하는 데 드는 비용은 대략 킬로그램당 1밀리언달러며 이동을 위해 걸리는 기간도 7~9개월로 기본적인 필수품이 아닌 이상 현장의 자원 활용(In- Situ Resource Utilization, 이하 ISRU) 개념을 응용해야 한다.
가장 먼저 해결해야 하는 것은 물이다. 물을 확보한다면 산소와 식량 재배의 일석삼조 효과를 얻는다. 화성의 물은 거의 대부분 얼음 형태다. 얼어붙은 물의 상당량은 화성의 북극과 남극에 존재하며 일부는 얼어붙은 이산화탄소 아래에 매장되어 있기에 이를 채취하거나 굴착해 사용하는 것이 가장 합리적이다(이를 위한 광산이나 채취 현장이 도시 주변에 있을 것이다). 그러나 얼음에서 물을 만드는 데는 많은 에너지가 소모된다(산소 또한 마찬가지로 전기분해를 통해 추출하기 위해서는 많은 전기가 필요하다). 그러므로 지구보다 태양과 가까우며 대기의 밀도가 옅은 화성에서는 태양광 발전이 기본이 될 것이기에 태양광 패널이 도시 도처, 아니 도시와 주변 전체를 메우게 될 것이다. 물론 보조 에너지로서 방사성 동위원소가 붕괴하면서 방출하는 에너지를 사용한다. 달 탐험에 나섰던 아폴로 우주선과 현재 화성에서 열심히 탐험하고 있는 무인 우주선 ‘큐리오시티’도 이 시스템을 사용하고 있다.
주거지 및 돔 제작 보수를 위해서 사용될 재료 또한 마찬가지로 필수적인 요소 외에는 지구에서 가져갈 수 없다. 그럼 현지 재료를 사용해 3D 프린팅 기술을 활용하는 것이 가장 합리적이다. 화성 현지의 토양을 기본으로 건축 자재를 생성해낼 수 있는 기술을 개발한다. 자동화된 로봇 형태의 3D 프린터 기능을 포함한 로봇이 도시 도처에서 건축 및 보수하는 장면을 볼 수 있을 것이다.
WORDS 이세환(우주공학자)

➎ 지구와의 통신을 위한 통신망 구축

통신은 이제 의식주와 더불어 가장 기본적인 삶의 조건이다. 화성에 새 둥지를 틀었다고 해도 기본적인 커뮤니케이션 습관이 바뀌지는 않을 것이다. 우리는 채팅으로 대화하고 소셜 미디어로 연결된다. 우리가 살던 지구의 이야기는 넷플릭스와 유튜브를 타고 향수를 자극할 것이다. 화성에 도착하고 도시 설계에 따라 5G 기반의 네트워크를 설치하면 화성 내 통신은 어렵지 않다. 굳이 집집마다 유선을 깔 필요도 없다. 이미 5G는 무선의 단점을 모두 극복했다.
하지만 우리가 일상적으로 쓰던 인터넷을 화성에서도 누리는 것은 불가능하다. 두 행성을 연결하는 네트워크는 전파를 이용해야 한다. 2억5천만 킬로미터 떨어진 화성에서 보낸 전파가 지구에 닿는 데는 빛의 속도로 움직여도 약 15분이 걸린다. “안녕?” “그래 안녕. 잘 지내?”라는 대화를 한 번 주고받는 데 30분이 걸린다. 게다가 우주 공간의 변수가 많기 때문에 손실이 크고, 안테나를 통해 한 번에 실어 나를 수 있는 데이터 양도 적다. 누군가 지구의 유튜브 영상을 봤다가는 전체 네트워크가 출렁일지도 모른다. 야동이나 토렌트는 꿈도 꾸지 마라.
지구는 지구, 화성은 화성이라는 생각의 전환이 필요하다. 두 행성의 통신은 각자 독립적으로 움직이되 제한적으로 연결되도록 해야 한다. 가장 큰 전제는 지구의 인터넷 자원을 실시간으로 쓰지 못한다는 것이다. 지구의 가족이나 친구와 소통하는 방법도 채팅이나 전화 등 실시간에 기반하는 통신보다 텍스트나 영상 메일 등이 주를 이룰 것이다. 웹사이트나 음악, 영상 콘텐츠 등은 유휴 네트워크를 통해서 화성의 캐시 서버에 담기고, 그 안에서 제한적으로 소비될 것이다. 이주 초기에는 지구에 대한 의존도가 높겠지만 차츰 화성 자체에서 생산, 소비되는 콘텐츠가 늘어나고, 중요도도 높아질 것이다. 문화의 단절을 극복해야 하는 것은 심각한 문제다. 제한적으로 선별, 공급되는 지구의 콘텐츠 역시 보편성과 다양성을 확보해야 한다. 콘텐츠로 문화적, 정치적, 이념적, 지역적 편향이 일어나지 않도록 보편적인 합의가 필요하다. 화성만의 문화는 존중받아야 하지만 단절과 파편화는 경계할 필요가 있다. 통신의 가장 중요한 역할이다.
WORDS 최호섭(IT 칼럼니스트)

➏ 자급자족을 위한 식물 재배법

농작물을 재배하기 위해서는 광(입자), 이산화탄소, 물, 양분이 필수적이며, 온도, 습도, 풍속 등의 환경 요인이 적정 범위에 있어야 한다. 화성의 중력은 지구의 38% 수준으로 낮고, 대기압도 지구의 약 0.7% 수준으로 매우 낮으며, 대기는 이산화탄소가 약 95%를 차지하고 약 6,000~7,000ppm 수준으로 지구(약 350ppm)보다 높고, 광도는 지구의 약 0.6배 수준으로 낮으며 식물과 인간에게 유해한 방사선과 자외선 C가 포함되어 있다. 일변화는 약 영하 70℃에서 영상 20℃고 계절별 토양 표면의 온도 차이는 약 영하 140℃에서 영상 20℃다. 따라서 중력과 기압, 대기, 온도가 보정되지 않은 환경에서 식물 재배는 사실상 어렵기에, 외부와 차단이 가능한 환경에서 식물 재배를 해야 한다. 화성에서 가능한 재배 방식은 크게 수경 재배와 토경 재배가 있다. 현재로선 수경 재배 방식이 실현 가능한데, 우주정거장에서도 수경 재배 방식으로 상추를 수확한 바 있다. 식물을 지지하고 수분을 공급할 수 있는 매개체가 필요하며, 배지(인공 토양)를 사용해 물을 머금게 하고, 작물의 뿌리가 물을 머금은 배지를 통해 수분을 흡수하게 한다. 낮은 기압으로 인해 물이 공기 중으로 확산되는 걸 방지할 수 있는 재배 방식이다. 직접 수분을 분사할 경우에는 뿌리 부분이 밀폐된 장치를 사용할 수 있다.
토경 재배는 아직 갈 길이 멀다. 화성의 토양엔 독성이 있고 식물 재배에 충분한 양분을 함유하지 않기 때문이다. 연구 개발을 통해 독성을 제거해 무해한 토양으로 만든 후 적당한 양분을 공급해야 한다. 물은 화성의 극지에 있는 얼음을 녹여 불필요한 성분을 제거한 후에 사용한다. 농작물을 재배하면 식물에서 물이 증산된다. 온실에 수증기가 어리는 것은 식물 표면에서 물이 발생하기 때문이다. 중요한 건, 귀중한 수분을 재활용하는 것이다. 또한 식물은 산소를 배출한다. 식물이 발산한 물과 산소는 인간에게, 인간이 배출한 이산화탄소와 분변, 메탄은 식물 재배에 활용한다. 화성 같은 환경에서는 이러한 밀폐 생태계의 구축이 필수적이다. 나사에서는 이를 밀폐 생태계 생명지원시스템이라고 부르며 개발 중이다. 관을 연결해 오갈 수 있도록 해야 하기에, 인간이 거주하는 시설(모듈)과 식물을 재배하는 시설(모듈) 사이의 거리는 가급적 가까워야 할 것이다. 네덜란드 바헤닝언대학교 연구팀에서는 화성의 토양에서 감자를 재배하는 데 소변의 성분 스트루석이 도움이 된다는 사실을 밝히기도 했다.
수경 재배는 지구상에도 존재하는 수직 농장(식물 공장)의 형태와 유사할 것이며, 수경 재배든 토경 재배든 화성의 지상에 설치하냐 지하에 설치하냐의 문제가 남는다. 태양광을 직접적으로 받으려면 지상에 설치하되 방사선과 자외선 C를 차단하고 식물의 광합성에 필요한 400~700nm 주변 파장대만 투과하는 유리로 온실을 지어야 할 것이다. 광도가 지구의 0.6배니 충분히 가능하다. 지하에 설치할 경우, 태양전지를 이용해 전기를 생성, 저장해 LED를 사용하는 방법이 있고, 태양전지를 쓸 만큼 전기 공급이 충분치 않으면 광섬유로 빛을 타고 들어오게 하고 모자라는 빛은 LED로 보충하면 된다. 적정한 광량에 대해서는 인간도 식물과 비슷한 처지다. 인간 거주에 있어서도 광량은 식물과 비슷한 메커니즘의 연구가 필요할 것이다.
현재 우주에서의 수경 재배는 상추, 엽채류, 쌀, 밀, 감자 등이 가능한 것으로 알려져 있다. 이만하면 인간에게 필요한 작물은 대부분 갖췄으며 과일을 수확할 수 있는 과실수는 재배시설이 커지면 가능하다. 작물의 종류에 따라 화성 환경에 적응하기 쉬운 작물이 있고 그렇지 않은 작물이 있는데, 품종 개발을 통해 화성 환경에 적합한 종자를 개발한다면 더 수월해질 것이다. 이러한 방식을 거치면 화성에서도 안정적으로 농작물을 재배하며 거주민에게 공급할 수 있을 것이다.
WORDS 손정익(서울대학교 농림생물자원학부 교수)

➐ 삶을 위한 산소와 에너지

우주에서 살고자 하는 욕망을 실현시켜줄 가장 가까운 행성이다. 수성과 금성은 화성보다 거리가 멀고 환경도 험하다. 인간이 지구 외에 다른 행성에서 살아가는 날이 온다면 그것은 화성일 가능성이 높다. 그 역시 어려운 일일지도 모른다. 화성의 환경 조건은 지구에 비하면 인간에게 최적화된 건 아니기 때문이다.
우선 화성의 대기는 대부분 이산화탄소다. 산소는 거의 없는 수준이라 할 수 있다. 게다가 지표면의 기압이 0.0063기압으로 대기층이 얇다. 화성은 질량이 작아 중력이 낮고 산소나 질소 같은 분자량이 작은 기체를 지표면에 근접하게 잡아둘 수 없다. 그러므로 대기가 희박해 지구처럼 열을 유지하기 어려워 화성 표면 온도는 영하 140℃부터 영상 20℃ 사이에서 크게 변화할 것이다. 따라서 이산화탄소가 만연한 화성에서 인간이 삶을 영위하기 위해선 산소를 공급할 수 있는 장치가 필요하다. 화성을 둘러싼 돔 아래 산소 호흡기 역할을 할 수 있는 커다란 장치가 자리할 수도 있겠다.
다음으로 에너지를 보자. 화성에서 사용 가능한 에너지는 태양광이다. 태양계 행성이기에 태양에너지는 화성에서도 모든 에너지의 근원이 된다. 지구에서 식물이 광합성을 통해 태양에너지를 생명체가 사용할 수 있는 형태로 저장하듯 화성의 생태계에서도 그러한 시스템이 필요할 것이다. 화성 토양은 그나마 지구와 비슷한 수준으로 알려져 있다. 하와이와 비슷한 현무암질 토양이라고 하지만 과염소산염 등 독성 물질이 가득하다. 따라서 독성 물질을 차단할 수 있도록 기반을 마련해야 한다. 지구에 사는 인간의 제한된 지식으로 화성을 생각하다 보면 화성에 지구의 방식이 복사될 수 있다. 하지만 어떤 획기적인 방식이 화성에 적용될지 모른다. 우리가 예상하지 못한 놀라운 생태계가 화성에 만들어질 수도 있지 않을까?
WORDS 이동헌(한국화학연구원 선임연구원)

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CREDIT INFO

EDITOR 조진혁, 이예지
GUEST EDITOR 정소진
ILLUSTRATION 유재형(@yooza_yooza)

2020년 10월호

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