뉴 프런티어 3 - 오시리스 렉스(OSIRIS-REx)

이번에는 뉴 프런티어 계획(New Frontiers Program)의 세 번째 임무 오시리스 렉스(OSIRIS-REx)에 대해 소개해드리고자 합니다. 뉴 허라이즌이나 주노에 비해 조금 더 생소한 느낌이 드실 것 같은데, 오시리스 렉스는 어떠한 임무였을지 탐구해 보도록 하겠습니다.

 

 

1. 오시리스 렉스(OSIRIS-REx)

 

오시리스 렉스(OSIRIS-REx)는 NASA가 주도하는 소행성 베누 탐사 임무로, 'Origins(기원), Spectral Interpretation(분광 해석), Resource Identification(자원 식별), Security(안전)-Regolith Explorer(레골리스 탐사기)'의 약자입니다. 원래는 "OSIRIS"라는 이름으로 제안되었으며, 나중에 "REx"가 추가되어 현재의 "OSIRIS-REx"가 되었습니다. 각 요소들은 오시리스 렉스 임무의 다각적인 목표와 관련되어 있습니다.

 

오시리스 렉스는 2016년 9월 8일에 발사되어 2023년 9월 24일 임무를 마치고 지구로 귀환하는 것에 성공했습니다. 오시리스 렉스가 어떠한 목표를 가지고 어떠한 성과를 이루어냈는지 이어서 살펴보겠습니다.

 

2. 오시리스 렉스의 주요 목표

오시리스 렉스(OSIRIS-REx) 임무의 주요 목표는 태양계 형성 초기의 비밀을 밝혀내고, 지구에 대한 소행성 충돌 위험을 평가하며, 소행성에서 자원을 식별하는 데 중점을 둡니다.

 

1) 소행성 베누의 궤도 및 물리적 특성 조사

• 베누의 궤도 측정: 베누는 근지구 소행성으로, 약 6년마다 지구에 가까이 접근합니다. 오시리스 렉스는 베누의 궤도를 정밀하게 측정하여, 이 소행성이 미래에 지구와 충돌할 가능성을 예측하고 대비합니다.
• 크기와 형태 분석: 베누의 정확한 크기, 형태, 회전 속도 및 표면 중력을 측정함으로써, 소행성의 물리적 특성을 상세히 이해합니다. 이는 소행성의 형성과 진화 과정을 연구하는 데 중요하며, 샘플 채취 및 착륙 지점 선택에 필수적입니다.
• 밀도와 질량 측정: 베누의 밀도와 질량을 파악하여 내부 구조에 대한 단서를 얻습니다.

2) 표면 구성 및 지질학적 특성 분석

• 화학적 조성 분석: 분광기를 사용하여 베누 표면의 화학적 조성을 분석합니다. 소행성에 포함된 다양한 원소와 화합물의 종류를 파악함으로써 소행성의 기원과 태양계의 초기 환경에 대한 정보를 얻습니다.
• 광물학적 특성 조사: 베누 표면의 광물학적 특성을 분석하여, 소행성의 지질학적 역사와 형성 과정을 이해합니다. 광물 조성은 소행성이 형성된 후 어떤 변화를 겪었는지를 알려주며, 태양계의 진화 과정을 이해하는 데 중요한 단서를 얻을 수 있습니다.
• 표면 지형 지도 제작: 고해상도 카메라를 사용하여 베누의 표면 지형 지도를 제작합니다. 이 지도는 소행성의 표면 특징을 상세히 보여주며, 샘플 채취에 가장 적합한 위치를 선정하는 데 중요한 역할을 합니다.

3) 샘플 채취 및 반환

• 샘플 채취: 최소 60그램의 표면 물질(레골리스)을 채취하는 것을 목표로 합니다. 레골리스는 소행성의 표면을 덮고 있는 미세한 먼지와 작은 돌들로 구성된 물질입니다. 이 샘플은 태양계 형성 초기의 물질을 포함하고 있어 매우 귀중한 연구 자료입니다.
• 샘플 보관 및 반환: 채취한 샘플을 안전하게 보관하고 지구로 반환합니다. 귀환 시에는 지구의 연구소에서 샘플을 분석할 때 원래의 상태를 최대한 유지할 수 있도록 하기 위해 특별히 설계된 용기에 담아 지구로 귀환합니다.
• 샘플 분석: 반환된 샘플은 다양한 연구소에서 분석되어, 태양계 형성 초기의 물질 구성과 유기 화합물의 존재 여부를 연구합니다.

4) 잠재적 위협 평가

• 지구 근접 소행성 분석: 베누와 같은 근지구 소행성의 궤도를 정밀하게 분석합니다. 이를 통해 소행성이 장기적으로 지구에 충돌할 가능성을 평가합니다.
• 충돌 회피 전략 개발: 미래의 소행성 충돌 위협에 대비하기 위해 수집된 데이터를 바탕으로 지구 충돌 위험을 줄이기 위한 전략과 기술을 개발합니다.

5) 자원 식별 및 우주 탐사 기여

• 자원 식별: 베누 표면에 존재하는 잠재적 자원을 식별합니다. 이는 미래의 우주 탐사와 자원 채굴 가능성을 평가하는 데 중요한 정보를 제공합니다.
• 기술 검증: 소행성 탐사에 필요한 다양한 기술과 방법을 검증하여, 향후 소행성 탐사 임무를 계획하고 실행하는 데 필요한 참고 자료를 얻습니다.

 

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3. 임무 진행 과정과 주요 성과

초기 구상 및 개발

오시리스 렉스(OSIRIS-REx) 임무에 대한 아이디어는 소행성 샘플 반환 임무를 통해 태양계의 기원과 진화에 대한 중요한 정보를 수집하기 위한 것으로 2004년에 처음 제안되었습니다. 이후 2006년 뉴 프론티어스 계획의 3번째 임무로 공식 제출되었으며, 2011년 5월 25일 NASA는 오시리스 렉스(OSIRIS-REx)를 뉴 프론티어스 계획의 세 번째 임무로 최종 선정하게 됩니다.

 

최종 승인 이후 2013년까지는 임무 목표를 구체화하고, 탐사선의 설계를 확립하는 작업이 이루어졌습니다. 과학 장비, 샘플 채취 시스템, 통신 시스템, 전력 시스템, 추진 시스템 등이 포함된 종합적인 설계가 진행되었고, 탐사선에 탑재될 과학 장비가 선정되었습니다.

 

2013년~2015년 기간 동안에는 탐사선의 구조 및 본체, 각종 과학 장비 제작이 이루어졌고, 제작이 완료된 탐사선은 시스템 통합 테스트, 진동 테스트, 열 진공 테스트 등 다양한 테스트를 거치게 됩니다.

 

발사 및 항해

2016년 중반, 모든 테스트를 마친 오시리스 렉스 탐사선은 발사를 위해 플로리다주 케이프 커내버럴 공군 기지로 운송되었습니다.

 

오시리스 렉스 탑재 아틀라스 V 로켓 발사 장면 (출처: NASA)

 

2016년 9월 8일, OSIRIS-REx 탐사선이 성공적으로 발사되었습니다. 발사 후 2017년까지는 태양 주위를 돌며 시스템이 정상적으로 작동하는지 확인하는 초기 테스트와 점검이 진행되었고, 항해 중간에 경로 조정이 필요할 때는 소형 추진기를 사용하여 궤도를 미세하게 조정했습니다.

 

2017년 9월 22일, 오시리스 렉스탐사선은 주노 탐사선과 마찬가지로 지구를 플라이바이 하며, 베누로 향하는 궤도를 조정합니다. 약 1년 2개월이 지난 후 2018년 12월 3일, 탐사선은 소행성 베누 궤도에 성공적으로 진입하게 됩니다.

 

 

소행성 베누 탐사

오시리스 렉스 탐사선이 베누 궤도에 성공적으로 진입한 이후 먼저는 베누의 표면과 궤도를 정밀하게 조사하기 시작했습니다. 폴리캠과 맵캠을 이용하여 베누 표면의 고해상도 이미지를 수집하였고 이를 통해 소행성의 지형을 파악하고 샘플 채취 지점을 선정하는 데 중요한 역할을 했습니다. 또 분광기와 레이더를 사용하여 베누의 표면 구성 요소, 온도 분포, 광물학적 특성 등을 조사했습니다. 다음은 오시리스 렉스를 통해 얻은 사진의 일부입니다.

 

오시리스 렉스 촬영 베누 (약 80km거리) (출처: NASA)

 

오시리스 렉스 촬영 베누의 다양한 바위 (출처: NASA)

 

 

또 베누의 궤도와 자전 속도를 정밀하게 측정했습니다. 이를 통해 소행성의 중력장과 회전 특성을 이해했으며, OVIRS(가시광 및 적외선 분광기), OTES(열방출 분광기), REXIS(X선 이미징 분광기) 등 장비를 이용하여 베누의 표면과 대기에서 방출되는 다양한 데이터를 수집했습니다. 수집된 데이터를 바탕으로 베누의 3D 지형 지도를 제작했으며, 이 역시 샘플 채취 지점을 결정하는 데 중요한 역할을 하였습니다.

 

궤도 진입 이후 얻은 각종 자료를 바탕으로 베누 표면에서 여러 샘플 채취 지점 후보를 설정하고 탐색했습니다. 지형의 평탄함, 접근성, 과학적 가치 등을 고려한 끝에 최종적으로 "나이팅게일(Nightingale)"이라는 지점이 선택되었습니다. 최종 후보 설정 후에도 지구와 탐사선에서 여러 번의 리허설을 통해 탐사선이 베누 표면에 접근하고 샘플을 채취하는 절차를 시뮬레이션했습니다.

 

2020년 10월 20일, 탐사선은 선택된 샘플 채취 지점인 나이팅게일 지점에 접근하여, 로봇 팔 끝에 장착된 샘플 채취 장치인 TAGSAM(Touch-and-Go Sample Acquisition Mechanism) 장치를 사용해 표면에 터치다운했습니다.

 

오시리스 렉스 착륙 및 샘플 수집 사진 (출처: NASA)

 

탐사선이 나이팅게일 지점에 착륙하여 샘플을 채취한 시간은 약 5초 정도였습니다. 이 짧은 시간 동안 탐사선의 샘플 채취 장치(TAGSAM)는 베누 표면에 접촉하여 질소 가스를 분사했고, 표면 물질을 들어 올려 샘플을 채취했습니다. 이 과정은 매우 신속하게 이루어졌으며, 최소 목표였던 60g보다 훨씬 많은 약 250g의 샘플을 채취한 후 탐사선은 곧바로 베누 표면에서 이탈하여 안전한 궤도로 복귀했습니다. 채취된 샘플은 샘플 반환 캡슐에 안전하게 보관되었습니다.

 

궤도 이탈 및 귀환

2021년 5월 10일, 오시리스 렉스 탐사선은 베누 궤도를 이탈하여 지구로의 귀환을 시작했습니다. 귀환 경로는 지구 중력의 도움을 받아 효율적으로 설정되었으며, 귀환 중 여러 번의 경로 조정을 통해 탐사선이 지구에 정확히 도착하도록 궤도를 미세하게 수정했습니다.

 

2023년 9월 24일, 탐사선은 지구에 접근하면서 샘플 반환 캡슐을 분리했습니다. 캡슐은 낙하산을 이용해 속도를 줄인 후 유타 사막에 안전하게 착륙했으며, NASA 팀이 신속하게 현장에 도착하여 캡슐을 회수하고 연구소로 옮겼습니다.

 

유타 사막 착륙 샘플 반환 캡슐 (출처: NASA)

 

 

캡슐 회수 중인 NASA 오시리스 렉스 팀 (출처: NASA)

 

오시리스 렉스 임무로 회수한 샘플은 현재도 활발히 연구되고 있습니다. 이 샘플은 태양계 형성 초기의 물질을 포함하고 있어, 다양한 과학적 연구에 중요한 자료로 활용되고 있습니다.

 

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4. 오시리스 에이펙스(OSIRIS-APEX, OSIRIS-Apophis Explorer)

오시리스 렉스는 임무를 마친 후 샘플 반환 캡슐을 지구로 보냈지만, 탐사선 자체는 여전히 작동 가능한 상태로 우주에 남아 있습니다. NASA는 탐사선을 이용해 추가 임무를 수행하기로 결정하였고, 탐사선은 소행성 아포피스(Apophis)를 탐사하는 임무를 수행할 예정입니다. 이 추가 임무는 오시리스 에이펙스(OSIRIS-APEX, OSIRIS-Apophis Explorer)로 명명되었습니다. 

 

아포피스는 2029년에 지구에 근접할 예정으로, 탐사선은 아포피스가 지구에 근접하는 시점에 맞춰 접근하여 연구를 수행합니다. 베누 탐사와 마찬가지로 소행성 아포피스 탐사 및 소행성에 대한 전반적인 과학적 지식을 확장, 미래의 소행성 탐사 및 방어 전략을 개발 등을 목표로 하고 있습니다.

 

 

영화 "아마겟돈"에서 보듯이, 소행성 충돌은 지구에 큰 위협이 될 수 있습니다. 제가 살아있는 동안에 그러한 일이 생길거라고 잘 상상이 되지는 않지만 단순히 과학적 호기심을 넘어 인류의 미래를 대비하고 있는 연구팀에 감사의 말을 전합니다.