[YS과학] 인간은 달에서 어떻게 장기 체류할 것인가?

‘아르테미스 2호’의 성공으로 인간이 달에서 장기간 체류하며 생활하게 되는 날이 현실로 가까워졌다. 계속 추진될 미래의 아르테미스 계획에 의하면, 2030-2035년이 되면 우주 대원들이 달에 설치한 소규모 기지에서 장기간 지내면서 활동하게 될 것이며, 이때는 미국만 아니라 여러 국가가 참여할 전망이다. 그런 날이 왔을 때, 달에서 지내야 하는 우주 대원들은 공기가 없고 미세중력인 환경에서 어떤 방법으로 건강을 지키며 장기간 생활할 것인가?

아폴로 17호가 달을 다녀온 이후(1972년) 거의 50년 만에 NASA는 인간을 달에 보내는 아르테미스 계획을 시작했다. 2022년 11월에 처음 실시된 ‘아르테미스 1호’ 실험에서는 무인 탐사선을 보내 달 궤도까지 왕복하게 하는 데에 성공했고, 2026년 4월 1일에는 4인의 우주 대원이 탄 ‘아르테미스 2호’를 달의 상공까지 보냈다. 이 탐사선은 지구를 떠나 달 상공의 궤도를 도는 동안 달 표면으로부터 6,550km 상공까지 근접하여 달의 앞과 뒷면을 관측했다. 임무를 마친 아르테미스 2호는 출발 후 10일 만에 샌디에이고 인근 태평양으로 성공적으로 귀환했다.

NASA는 이어서 2027년에 아르테미스 3호 실험을 준비하고 있다. 이때도 달착륙을 위한 예비 실험만 할 예정이다. 그리고 2028년으로 계획된 아르테미스 4호 실험 때 승무원을 달의 남극에 착륙하도록 할 계획이다. 이러한 아르테미스 계획과 함께 민간 우주회사인 스페이스X와 관광 우주선 사업을 하는 블루오리진도 가까운 날 달탐사선을 보낼 준비를 하고 있다.

이런 계획들에 의하면 2030-2035년 경이면 우주 대원들이 달에 세운 거주 시스템(달 기지)에서 장기간 지내면서 여러 활동을 하게 될 것이다. 이때는 미국만 아니라 다른 국가들도 참여하게 될 전망이다.

그동안 이루어진 국제우주정거장과 기타 우주정거장에서 이루어진 장기간의 실험에서 인간이 무중력 또는 미세 중력 조건 속에서 장기간 지내면 어떤 신체적 이상이 나타나는지 많이 알려져 있다.

러시아의 우주비행사 폴리아코프는 미르우주정거장에서 437일을, 코노넨코와 추브는 국제우주정거장에서 371일을 보낸 기록이 있다. 특히 코노넨코는 국제우주정거장을 재방문하는 등 총 5회에 걸쳐 누적 1,111일 동안 우주에서 생활했다. 미국의 우주비행사 중에는 프랭크 루비오가 340일 동안 지낸 것이 최장 기록이다.

아르테미스 2호의 실험은 아폴로 실험 때와 많은 면에서 진전되었다. 우주선 내의 생명 안전 시스템, 우주복의 구조, 우주 항행 방법, 우주선 캡슐(‘오리온’이라 명명했음)이 지구로 귀환할 때 대기와 마찰하여 발생하는 2,800℃까지 오르는 고열을 견디는 내열 시스템 등에 큰 발전이 있었다.

달나라 생활의 건강 문제

달나라에서 장기간 지내려면 무엇보다 생명 안전에 필요한 충분한 대책을 준비해야 한다. 그러나 아무리 조심한다고 해도 우주는 인간이 장기간 지내기에 위험하다. 그러나 누군가가 달에서 장기 체류할 우주 대원으로 선발된다면 그것은 일생일대의 명예이며 경이로운 일이지만 동시에 큰 위험을 각오해야 한다. 그리고 앞으로 달나라에서 해야 할 중요한 임무 중에는 더 훗날 화성으로 탐험대를 안전하게 보내도록 하는 준비도 있다.

달나라에서 생활하는 사람은 물리 화학 생물학 및 신경생리학적으로 지구에서와 크게 다른 환경을 만나게 된다. 우선 달은 중력이 지구의 6분의 1(17%)이고, 우주에서 오는(주로 태양에서) 강한 방사선, 큰 폭으로 변하는 온도의 변화, 달의 표면에서 발생하는 독성 먼지, 소수의 사람이 함께 지내는 고독감, 고르지 못한 밤낮의 길이 변화, 극히 제한된 행동 범위 등을 이겨내야 한다.

달 표면의 토양은 극히 미세하면서 풍화되지 않아 날카롭고, 금속성 성분이 포함되어 있기 때문에 호흡기 장애, 앨러지 반응을 일으키며, 심하면 세포를 죽일 수도 있다.

달에서 외부 작업을 나가면 지구에서와 달리 강력한 우주방사선을 쬐게 된다. 지구에는 자기장이 우주 방사선을 흡수하므로 큰 위험이 없다. 그러나 달에서는 강하게 쬐는 우주방사선이 인체의 DNA를 손상시키고, 면역 시스템을 방해하며, 뇌와 폐, 심장, 혈액에 위험을 줄 수 있다.

달의 미소중력(microgravity)은 혈액 순환, 폐에서의 산소 흡입, 호르몬의 흐름, 뇌로 전달되는 포도당의 변화, 신경과 순환기관의 기능 등에 변화를 준다. 이런 여러 현상은 그동안 실시된 우주실험에서 확인된 것이다.

인체는 한 곳에 지장이 생기면 그 파문이 다른 기관에도 영향을 주고, 복수의 기관에 이상이 발생하면 합병증 증상이 나타나게 된다. 경우에 따라 이런 합병증상은 지구로 돌아와 몇 달 지낸 뒤에 나타나기도 한다.

위험을 방지할 대책

무중력 또는 미세중력 속에서 생활하는 대원들은 근육의 양, 뼈의 밀도, 심혈관 기능이 약화되지 않도록 특수하게 만든 운동기구를 이용하여 매일 2시간 정도 운동을 한다. 달에서도 그곳에 적합한 운동기구를 설치하여 규칙적으로 운동을 해야 한다.

인간은 어떤 환경에서라도 영양 섭취가 적절하게 이루어져야 뼈, 근육, 면역 기능 및 우주방사선에 대한 대응을 하게 된다. 인간을 포함한 모든 생물에게 나타나는 놀라운 현상의 하나는 환경에 ‘적응하는 능력’이 있다는 것이다. 달나라에서의 인체 적응 상태는 앞으로 연구되어야 할 과제이다.

한편 과학자들은 달에서 사용할 수 있는 인공중력장치를 만들고 있다. 체류하는 동안 수시로 일정 시간 지구에서와 같은 중력을 경험하게 하여, 순환기관과 신경계 및 기타 신체의 기능을 안정되게 하려는 것이다.

특별히 과학자들은 달나라와 화성에서의 장기 생활에 도움이 될 인공지능 의료 시스템을 개발하고 있다. 이 시스템은 실시간으로 개인의 건강 상태를 체크하여 안전을 지켜주도록 할 것이다.

NASA의 과학자들은 달나라 대원들이 처음 사용할 기지는 지구에서 만들어 갈 것이며, 그것을 달 지하에 설치하여 우주방사선이 내부로 침투하지 못하도록 할 것이다. 외부로 나가 활동하는 대원들의 우주 작업복에는 원자력 발전소에서처럼 방사선 측정계를 부착하여 경보가 발생하면 안전한 기지로 피신하게 할 것이다. 사진은 미래의 달기지 모습을 상상한 것이다.

달나라에서 장기간 지내는 동안 대원들은 주변의 환경을 개선하는 노력도 할 것이다. 그중에는 달에서 식물을 재배하여 심리적 안정을 얻는 녹색 환경을 조성하는 동시에 신선한 음식을 얻고, 산소까지 생산하는 준비도 한다. 이런 달나라 생활 실험이 발전하여 적절한 대응책이 밝혀지면, 이 지식은 화성으로 가는 장기 여행과 화성 생활에서도 적용될 수 있는 것이다.

참고: 아폴로와 아르테미스

그리스 신화에서 주신인 제우스와 모성의 여신인 레토 사이에 태어난 쌍둥이 자매가 아폴로와 아르테미스이다. 아폴로는 남성적인 신이고, 아르테미스는 달의 신이며 여성 신이다.