화성 샘플 귀환 임무

섬네일|upright=1.2|right|화성 샘플 귀환 – 예술가의 상상

화성 샘플 귀환 또는 화성 샘플 리턴(Mars sample-return, MSR) 임무는 화성의 암석과 먼지 샘플을 채취하여 지구로 지구로 가져오는 것을 목표로 하는 제안된 임무이다. 이러한 임무는 온보드 센서가 허용하는 것보다 더 광범위한 분석을 가능하게 할 것이다.

회수된 화성 샘플에서 지구 생물권으로의 교차 오염 위험이 제기되었지만, 발생 위험은 낮다고 여겨진다.

가장 최근의 개념 중 일부는 NASA-ESA 제안, CNSA 제안, 톈원 3호, 로스코스모스 제안, 마스-그런트, 그리고 JAXA 제안, Martian Moons eXploration (MMX)으로, 마지막 임무는 포보스를 목표로 한다. NASA와 ESA의 샘플 지구 귀환 계획은 여전히 설계 단계에 있지만, 샘플은 퍼서비어런스 로버에 의해 화성에서 수집되었다.

 과학적 가치 
섬네일|upright=1.2|right|빈 자연사 박물관에 있는 화성 운석

지구로 귀환된 샘플은 사용 가능한 가장 정교한 과학 기기로 연구될 수 있다. 워싱턴 NASA 본부 과학 담당 부국장 토마스 주부첸(Thomas Zurbuchen)은 이러한 연구가 여러 분야에서 여러 가지 새로운 발견을 가능하게 할 것이라고 기대한다. 샘플은 미래에 아직 존재하지 않는 기기로 재분석될 수도 있다.

2006년, 화성 탐사 계획 분석 그룹은 화성 탐사와 관련된 55가지 중요한 조사를 확인했다. 2008년, 그들은 조사 중 약 절반이 "MSR에 의해 어느 정도 다루어질 수 있다"고 결론지었고, MSR을 전체 조사 목록에서 "가장 큰 진전을 이룰 수 있는 단일 임무"로 만들었다. 또한, 상당수의 조사는 회수된 샘플 없이는 의미 있게 진전될 수 없다고 보고되었다.

화성 샘플의 한 가지 출처는 화성 운석으로 여겨지는 것으로, 화성에서 분출되어 지구로 온 암석이다. , 79,000개 이상의 알려진 운석 중에서 356개의 운석이 화성 운석으로 확인되었다. 이 운석들은 화성에서 분석된 암석과 대기 가스의 원소 및 동위원소 조성이 유사하기 때문에 화성에서 온 것으로 추정된다.

 역사 
1990년 이전
섬네일|1979년 화성 샘플 귀환 임무의 예술가 개념
화성으로부터의 귀환은 아폴로 계획이 아직 개발 중이고 화성을 지나 비행한 최초의 우주선이 아직 발사되지 않았을 때, 화성 상승을 위해 사람들이 탑승할 것이라는 기대를 가지고 기술 문헌에 나타났다. 당시 화성 대기의 밀도는 아직 알려지지 않았기 때문에, 록히드 엔지니어링 저자는 랑데부 궤도에 도달하기 위한 15톤 발사체의 공기 역학적 항력 조건 범위에 대한 궤적 옵션 분석을 보고했다.

NASA에서는 1970년대 초 바이킹 화성 착륙선 임무가 개발 중이던 시기에 랭글리 연구 센터와 제트추진연구소가 공동으로 화성 샘플 귀환을 연구했으며, 랭글리 연구원은 "화성 표면-궤도 발사체"가 높은 성능을 필요로 할 것이라고 지적했다. 왜냐하면 그 질량이 이전 임무 단계, 즉 해당 차량을 화성으로 전달하고 화성에서 발사 준비를 위한 "질량 및 시스템 요구 사항에 상당한 영향을 미칠 것"이기 때문이다.

적어도 30년 동안 과학자들은 화성에서 지질학적 샘플을 회수할 것을 주장해왔다. 초기 개념 중 하나는 Sample Collection for Investigation of Mars (SCIM) 제안으로, 착륙하거나 궤도에 진입하지 않고 화성 상부 대기를 스쳐 지나가 먼지와 공기 샘플을 수집하는 우주선을 포함했다.

소련은 1975년에 화성 샘플 귀환 임무인 Mars 5NM을 고려했지만, 발사하려던 N-1 로켓의 반복적인 실패로 취소되었다. 1979년에 계획된 또 다른 샘플 귀환 임무인 Mars 5M (마르스-79)은 복잡성과 기술적인 문제로 취소되었다.

1980년대 중반, JPL 임무 계획자들은 MSR이 "예산 및 기타 압력으로 인해 90년대까지 미뤄졌으며", 왕복 비행은 "큰 추진력 요구 사항을 부과할 것"이라고 지적했다. 그들은 지구 귀환을 위한 화성 궤도선, 400kg 로버와 2톤이 넘는 "화성 귀환선"을 가진 착륙선을 포함하여 지구에서 9.5톤의 페이로드를 발사하는 개념의 명목상 질량 예산을 제시했다. 20kg의 샘플 용기는 모든 종류의 화성 지형에서 시추된 과학적 품질의 코어를 포함한 5kg의 샘플을 담아 지구에 도착할 것이다.

1980년대 후반, 여러 NASA 센터가 제안된 화성 로버 샘플 귀환 임무(MRSR)에 기여했다. JPL 저자들에 따르면, MRSR의 한 가지 옵션은 화성 궤도선과 지구 귀환선, 700kg 로버, 그리고 상당한 질량 절약을 위해 펌프 구동 액체 추진을 사용할 2.7톤 화성 상승선(MAV)을 포함한 12톤 패키지의 단일 발사에 의존했다. MAV의 20kg 샘플 패키지는 5kg의 화성 토양을 포함할 예정이었다. 존슨 우주 센터의 한 저자는 펌프 구동 1단계와 압력 구동 2단계를 포함하여 1400~1500kg 범위의 MAV 질량으로 1998년에 지구에서 발사하는 것을 언급했다.

1990년 이후
섬네일|upright=1.2|right|1993년 화성 샘플 귀환 임무의 예술가 개념

1993년 9월 마스 옵저버의 실패 이후 결성된 미국 화성 탐사 계획은 화성 샘플 귀환을 지지했다. 2000년대 초 글렌 J. 맥퍼슨(Glenn J. MacPherson)이 한 가지 아키텍처를 제안했다.

1996년에 화성에 생명체가 존재할 가능성이 제기되었는데, 이는 화성 운석 앨런 구릉 84001에서 미세화석으로 보이는 것이 발견되었다고 생각되었기 때문이다. 이 가설은 결국 기각되었지만, 화성 샘플 귀환에 대한 새로운 관심을 불러일으켰다.

1990년대 중반, NASA는 JPL과 록히드 마틴에 저렴한 소규모 MSR 임무 아키텍처를 연구하도록 자금을 지원했으며, 여기에는 100kg MAV를 사용하여 500g의 화성 샘플을 회수하는 개념이 포함되었고, 이는 소형 화성 궤도선과 랑데부하여 지구로 귀환할 것이다. 인간 화성 임무의 오랜 지지자인 로버트 주브린은 1996년에 MSR에 대한 최선의 접근 방식은 화성에서 생산된 추진제를 사용하여 지구로 직접 발사하는 것이라고 결론지었다. 화성 궤도에서의 랑데부는 너무 위험하며, 직접 귀환 MAV는 500kg에 달할 것이므로 지구에서 완전히 연료를 채워 화성으로 보내기에는 너무 무겁다고 추정했기 때문이다. 국제 동료 검토자들도 동의했다. 1997년, 재래식 소규모 로켓 기술(고체 및 액체 추진제 모두)에 대한 상세한 분석 결과, 알려진 추진 부품은 수백 킬로그램의 MAV를 구축하기에는 너무 무겁고, "작은 규모로 새로운 하드웨어 개발에 발사체 설계 원리를 적용하는 것"이 제안되었다.

1998년에 JPL은 화성 이륙 시 600kg 이하가 될 2단계 압력 공급 액체 이중 추진제 MAV 설계를 제시했으며, 이는 2005년 MSR 임무를 위한 것이었다. 동일한 JPL 저자는 펌프 구동 추진을 사용하여 가벼운 저압 액체 추진제 탱크와 소형 고압 추력실을 허용함으로써 작게 만들어진 것으로 의도된 명목상의 200kg 단일 단계 MAV에 대해 협력했다. 펌프 구동 작동의 이러한 질량 이점은 단일 탱크의 단순성으로 부분적으로 가능해진 단일 추진제를 사용하여 화성 궤도에 도달하는 데 일관된 질량 예산을 가진 개념적인 100kg MAV에 적용되었으며, 이는 일반적으로 단일 추진제로 수행되는 화성 착륙에도 적용 가능하다. 고압 추진기 및 펌프는 이전에 1994년 21kg 실험 로켓 비행에서 시연되었다.

1999년 말 현재 MSR 임무는 2003년과 2005년에 지구에서 발사될 것으로 예상되었다. 각 임무는 로버와 화성 상승선을 전달할 예정이었고, 2005년에는 프랑스에서 공급된 지구 귀환 기능을 갖춘 화성 궤도선이 포함될 예정이었다. 당시 "산업체에 계약 진행 중"이던 140kg MAV는 1단계에 원격 측정 장치를 포함하고, 단순화된 경량 상부 단계가 분리되기 전에 차량을 300 RPM으로 회전시키는 추진기를 포함할 예정이었다. 각 MAV의 상단에는 3.6kg, 지름 16cm의 구형 페이로드가 500g의 샘플을 담고 태양 전지를 사용하여 지구 귀환 궤도선과의 랑데부를 용이하게 하는 장수명 비컨에 전력을 공급할 예정이었다. 궤도선은 두 MAV가 전달한 샘플 용기를 포획하여 별도의 지구 진입 차량에 배치할 것이다. NASA의 화성 탐사 계획이 2008년까지 샘플을 회수할 것으로 고려했던 이 임무 개념은 프로그램 검토 후 취소되었다.

2006년 중반, 국제 화성 샘플 귀환 아키텍처(iMARS) 작업 그룹은 국제 화성 탐사 작업 그룹(IMEWG)에 의해 2018-2023년 기간 동안 국제적으로 후원되고 실행될 화성 샘플 귀환 임무의 과학 및 공학적 요구 사항을 설명하기 위해 위임되었다.

2009년 10월, NASA와 ESA는 엑소마스 프로그램 진행을 위한 Mars Exploration Joint Initiative를 설립했으며, 궁극적인 목표는 "2020년대에 화성에서 샘플을 회수하는 것"이다. 엑소마스(ExoMars)의 첫 번째 임무는 2018년에 발사될 예정이었고, 2020-2022년 기간에 샘플을 회수하는 불특정 임무가 계획되었다. 2011년 캐싱 로버 MAX-C의 취소와 이후 예산 제약으로 인한 NASA의 엑소마스 철수로 임무는 종료되었다. 이 철수는 과학계에 "충격적"이었다고 묘사되었다.

2011년 초, 2013-2022년 기간의 임무 계획 우선순위를 제시한 미국 국립 연구 위원회의 행성과학 10년 조사는 MSR 캠페인을 해당 기간의 최우선 플래그십 임무로 선언했다. 특히, "축소된"(덜 야심찬) 형태의 제안된 Mars Astrobiology Explorer-Cacher (MAX-C) 임무를 승인했다. 이 임무 계획은 2011년 4월에 공식적으로 취소되었다.

마스 2020 퍼서비어런스 로버 임무의 주요 임무 요구 사항은 MSR 준비를 돕는 것이었다. 로버는 2021년 2월 18일 예제로 분화구에 착륙하여 샘플을 채취하고 나중에 회수할 수 있도록 43개의 원통형 튜브에 보관했다.

섬네일|샘플 튜브 중 하나. 그 외관은 스타워즈 영화의 라이트세이버와 유사하다는 지적을 받았다.

 마스 2020 임무 

섬네일|퍼서비어런스 로버
마스 2020 임무는 2021년 2월 예제로 분화구에 퍼서비어런스 로버를 착륙시켰다. 이 로버는 여러 샘플을 수집했으며, 앞으로도 계속 수집하여 MSR 캠페인에서 나중에 회수할 수 있도록 실린더에 포장할 것이다. 예제로는 고대 호수 바닥으로 보이며, 지상 샘플링에 적합하다. 또한 잠재적인 임무 수명을 고려하여 샘플을 샘플 귀환 착륙선으로 직접 반환하는 임무도 할당되었다.
섬네일|쓰리 포크스(Three Forks)의 화성 샘플 저장고|left

2022년 12월 21일부터 퍼서비어런스는 MSR 캠페인이 퍼서비어런스에 문제가 발생하더라도 성공할 수 있도록 수집한 샘플 중 10개를 백업 저장고(쓰리 포크스)에 예치하는 캠페인을 시작했다.

 제안 
 NASA-ESA 

섬네일|300px|화성 샘플 귀환 프로그램(삽화; 2022년 7월 27일)
섬네일|화성 암석 샘플을 지구로 가져오는 화성 샘플 귀환 캠페인
NASA-ESA 계획은 세 가지 임무를 사용하여 샘플을 반환하는 것이다: 2020년에 발사되어 현재 운용 중인 샘플 수집 임무(퍼서비어런스), 샘플 회수 임무(샘플 회수 착륙선 + 화성 상승선 + 샘플 이송 팔 + 2대의 인제뉴어티급 헬리콥터), 그리고 귀환 임무(지구 귀환 궤도선).

NASA와 ESA의 제안은 아직 설계 단계에 있지만, 샘플 수집의 첫 단계는 현재 화성의 퍼서비어런스 로버에 의해 실행되고 있으며, 샘플 회수 착륙선(두 번째 단계)의 구성 요소는 지구에서 테스트 단계에 있다. 2023년 8월 현재, 후속 단계들은 상당한 비용 초과에 직면해 있었다. 2023년 11월, NASA는 자금 부족 가능성 때문에 프로그램을 축소했다고 보고되었다. 2024년 1월 현재, 이 계획은 예산 및 일정 문제로 인해 지속적인 조사를 받고 있으며, 새로운 전면 개편 계획이 추진되고 있다. 2024년 4월, NASA는 원래 예상 비용 70억 달러와 예상 샘플 귀환 시점 2033년이 받아들일 수 없는 110억 달러와 2040년 귀환으로 업데이트되었다고 보고하며, 더 나은 해결책을 찾기 위해 노력하고 있다고 밝혔다.

 중국 
중국은 톈원 3호라고 불릴 화성 샘플 귀환 임무 계획을 발표했다. 이 임무는 2028년 말에 착륙선과 상승선을 창정 5호에, 궤도선과 귀환 모듈은 창정 3B에 별도로 발사하여 2031년 7월에 샘플을 지구로 귀환시킬 예정이다.

이전 계획은 샘플 수집, 상승, 궤도 랑데부, 귀환 비행 등 모든 임무 단계를 수행할 수 있는 대형 우주선을 사용하는 것이었다. 이는 초중량 발사체인 창정 9호가 필요했을 것이다. 또 다른 계획은 톈원-1을 사용하여 샘플을 보관하고 회수하는 것이었다.

 프랑스 
프랑스는 수년간 샘플 귀환을 위해 노력해왔다. 여기에는 회수된 샘플을 위한 외계 샘플 큐레이션 시설 개념과 수많은 제안이 포함되었다. 그들은 다른 국가와의 공동 임무의 일환으로 샘플을 포획하고 귀환시킬 화성 샘플 귀환 궤도선 개발에 참여했다.

 일본 
2015년 6월 9일, 일본 항공우주탐사기구 (JAXA)는 포보스 또는 데이모스에서 샘플을 회수하는 Martian Moons eXploration (MMX)이라는 계획을 발표했다. 포보스의 궤도는 화성에 더 가깝고, 그 표면은 화성에서 분출된 입자를 포착했을 수 있다. 지구에서의 발사는 2026년으로 예정되어 있으며, 지구 귀환은 2031년이다. 일본은 또한 국제 화성 샘플 귀환 임무에 참여하는 데 관심을 보였다.

 러시아 

러시아의 화성 샘플 귀환 임무 개념은 마스-그런트이다. 이는 포보스 그룬트의 설계 유산을 채택했다. 2011년 계획은 궤도선과 착륙선(하지만 로버 기능은 없음)을 포함하는 2단계 아키텍처를 구상했으며, 로봇 팔로 착륙선 주변에서 샘플을 수집했다.

 역오염 

섬네일|소행성 101955 베누에서 회수된 오시리스-렉스 샘플 귀환 캡슐 (유타)
화성에 생명체가 존재하는지 여부는 아직 해결되지 않았다. 따라서 MSR은 잠재적으로 생존 가능한 유기체를 지구로 옮겨 역오염을 초래할 수 있다. 이는 외계 유기체가 지구 생물권에 도입되는 것을 의미한다. 과학적 합의는 병원성 또는 생태계 교란을 통한 대규모 영향의 가능성이 작다는 것이다. 회수된 샘플은 과학자들이 안전하다고 판단할 때까지 잠재적인 생물학적 위험물로 취급될 것이다. 목표는 화성 입자 방출 확률이 백만 분의 1 미만이 되도록 하는 것이다.

제안된 NASA 화성 샘플 귀환 임무는 국가환경정책법 (NEPA) 절차가 완료될 때까지 NASA의 승인을 받지 않을 것이다. 또한, 우주 조약 제7조 및 기타 법적 틀에 따라 유기체 방출이 발생할 경우, 방출국(들)은 그로 인한 손해에 대해 책임이 있다.

샘플 귀환 임무는 화성 환경과 샘플 용기 외부 간의 접촉을 방지하는 임무를 맡을 것이다.

낙하산 실패 위험을 제거하기 위해 현재 계획은 열 보호 시스템을 사용하여 캡슐이 종단 속도로 충돌할 때 충격을 완화하는 것이다. 샘플 용기는 충격력을 견딜 수 있도록 설계될 것이다. 회수된 샘플을 받기 위해 NASA는 맞춤형 생물 안전 등급 4 격리 시설인 화성 샘플 귀환 수령 시설(MSRRF)을 제안했다.

다른 과학자와 엔지니어들, 특히 화성 학회의 로버트 주브린은 저널 오브 코스몰로지(Journal of Cosmology)에서 오염 위험이 기능적으로 0이므로 걱정할 필요가 거의 없다고 주장했다. 그들은 화성 운석 충돌을 통해 수조 킬로그램의 물질이 화성과 지구 사이에 교환되었음에도 불구하고 알려진 사건이 없다는 점 등을 언급한다.

화성 샘플 귀환 반대 국제 위원회(ICAMSR)는 배리 디그레고리오(Barry DiGregorio)가 이끄는 옹호 단체로, 화성 샘플 귀환 임무에 반대하는 운동을 벌인다. ICAMSR은 생물학적 위험의 가능성이 낮다는 것을 인정하지만, 제안된 격리 조치를 안전하지 않다고 본다. ICAMSR은 화성 현지 연구를 더 많이 하고, 샘플을 지구로 가져오기 전에 국제우주정거장에서 예비 생물학적 위험 테스트를 할 것을 주장한다. 디그레고리오는 또한 일반적인 바이러스와 같은 일부 병원균이 우주에서 유래했으며 일부 대량 절멸과 범유행을 일으켰을 가능성이 있다는 견해를 지지한다. 지구 질병과 외계 병원균을 연결하는 이러한 주장은 과학계에서 거부되었다.

 같이 보기 
 태양계 탐사 연표

 각주 

 외부 링크 
 화성 샘플 귀환 미디어 릴 NASA 및 JPL 제작 (비디오)

분류:화성 탐사선
분류:유럽 우주국의 우주 탐사선