미니 화성 헬리콥터 ‘지니’의 비행 성공은 왜 중요한가?

달에서는 헬리콥터가 비행할 수 없다. 공기가 없기 때문이다. 화성의 대기(大氣) 밀도는 지구의 1%이다. 그러므로 화성에서도 비행이 거의 불가능할 것이라고 생각했다. 그러나 NASA의 화성 헬리콥터 인저뉴이티(Ingenuity 비상한 발명품)는 2021년 4월 19일 화성 상공을 최초로 비행하는데 성공했다. 높이가 50cm에 불과한 미니 드론 헬리콥터는 자동운전으로 3m 높이까지 상승했다가 39초 동안 정지비행(hovering) 후 안전하게 착륙했다. 그 순간을 지켜보던 NASA 제트추진연구소의 과학자들은 일제히 환호성을 올렸다.

NASA는 제트추진연구소의 과학자들이 만든 화성탐험 로봇 퍼시비어런스(Perseverence, 애칭 Percy 퍼시)는 2020년 7월 30일 화성을 향해 떠났고, 1년 반이 지난 2021년 2월 18일 목적한 곳에 안착했다. 퍼시는 이전까지 NASA가 활용해온 화성탐험 로버(rover) 큐리오시티를 개선한 것이다. 그러나 큐리오시티와 달리 퍼시에는 ‘인저뉴이티’(Ingernuity, 애칭 Ginny 지니)라 명명한 미니 드론 헬리콥터가 실려 있었다.

화성의 환경을 조사하고 생명체와 물의 존재 가능성을 탐사할 퍼시는 도착 후 2개월만인 2021년 4월 19일, 화성에서 첫 시험비행을 할 ‘지니’를 화성 표면에 내려놓고, 지니의 비행 성공을 지켜보았다. 퍼시는 NASA가 2011년에 화성에 보낸 승용차 크기의 탐사 로버 ‘큐리오시티’(Curiocity)를 개선한 것이다.

퍼시의 탐사장비에는 카메라만 해도 모두 23개가 장착되어 있다.

지니가 로터를 강력하게 회전시키면서 떠오르는 순간, 화성은 지구로부터 2억 7,400만km 거리에 있었다. 지니가 비행에 성공했다는 것은 앞으로 화성에서만 아니라 다른 행성들에서도 날아다니면서 효과적으로 탐사할 수 있는 새로운 가능성을 열어주었다.

제2의 ‘라이트 형제의 비행’ 성공

미국의 라이트 형제가 1903년 12월 17일, 손수 제작한 비행기를 타고 지상 3m 상공을 12초 동안 37m를 비행하는 데 성공한 일은 과학의 역사에서 너무나 유명하다. 이번에 인저뉴이티(지니)가 화성의 하늘을 비행한 것은 120여년 전에 있었던 ‘라이트 형제의 비행 성공’과도 다르지 않다.

지니의 크기는 높이 50cm, 상하 2층으로 설치된 회전날개(로터)의 좌우 길이는 1.2m, 무게는 1.8kg이다. 로터 위에 비행동력을 얻는데 필요한 태양전지판이 설치되어 있다. 지니의 상하 로터는 대단히 빨리 회전하여 양력을 얻는다. 화성의 중력은 지구의 3분 1이고, 대기의 밀도는 지구의 1%에 불과하다. 지구에서라면 16km 상공의 공기밀도와 같다. 현재까지 헬리콥터가 비행한 가장 높은 고도는 12.4km이다. 지니는 화성의 조건을 극복하고 이륙하도록 로터를 1초에 무려 40회전(1분 2,537회)시켰다.

지니는 지상 관제실에서 전파로 조종할 수 없었다. 왜냐하면 이날 화성은 빛이 11분 걸려야 도달할 수 있는 위치에 있었기 때문이다. 지구와 화성 사이의 거리는 빛의 속도로 5-20분 거리에 있다. 이런 먼 거리에 있는 헬리콥터를 실시간처럼 조종할 수 없다. 따라서 이번 비행은 준비된 스케듈에 따라 자동비행을 한 것이다.

지니가 비행하는 모습은 65m 떨어진 퍼시의 카메라가 촬영했다. 지니의 비행 성공으로 지금까지 2차원적으로 해오던 화성에서의 탐사작업을 3차원적으로 할 수 있는 길을 열었다. 지니의 2번째 시험비행은 4월 22일에 이루어졌고, 이때는 5m 높이까지 상승하여 2m를 이동 비행하는 데 성공했다. NASA는 지니의 비행을 5월 안에 총 5차례 실시할 계획이다. 지니는 그때마다 상승 고도와 비행거리를 늘일 것이다. 또한 NASA는 앞으로 4.5kg의 짐(관측장비 등)을 실을 수 있는 25-30kg 규모의 헬리콥터를 개발하려 하고 있다.

지니의 회전날개는 초경량이면서 초강력 소재로 제작되었다. 화성의 중력은 지구보다 약하다. 그러나 희박한 공기 속에서 양력을 얻어 비행할 수 있으려면 회전날개가 초고속으로 돌아야 한다. 화성의 첫 드론 지니의 최장 비행 가능 시간은 90초이다.

무게 1.8kg인 지니는 4월 22일 2차 비행에도 성공했다. 1차 때는 3m 상공을 39초 동안 날았지만 2차 때는 5m 높이에서 52초간에 2m를 이동했다. 이 사진은 6개의 바퀴로 굴러가는 퍼시가 64m 떨어진 곳에서 찍은 것이다. 퍼시가 착륙한 지점은 제제로(Jezero)라 불리는 평탄한 화구(crater)이다.

퍼시는 이번 탐험에서 MOXIE(Mars Oxygen In-Situ Resouce Utilization Experiment)라 불리는 화성 대기 중의 이산화탄소를 분해하여 산소를 분리해내는 실험에도 성공했다. 인간이 화성에 갔을 때는 산소가 부족하기 때문에 이렇게 이산화탄소를 분해하여 얻어야 한다.

NASA는 2011년부터 화성에 탐사 로버 큐리오시티를 보내, 표면을 이동하면서 중요한 탐사를 했다. 지난 10년 동안 큐리오시티는 25km를 이동하면서 그곳의 환경을 조사하고, 생명체의 흔적과 물의 존재 증거를 발견하려고 했다. 이번에 지니의 성공으로, 다음 차례의 지니는 더 짧은 시간에 더 멀리, 더 높이 이동하면서 탐사하게 될 것이다.

바이든 대통령은 지니의 비행을 성공시킨 NASA 과학자들에게 모형 인저뉴이티 옆에서 촬영한 자신의 모습과 함께 축하 메시지를 트윗했다. – YS

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