SF 영화에서 화성 이주 장면을 볼 때마다 "뭔가 너무 쉽게 그리는 것 아닌가?" 하는 생각이 들었습니다. 저도 처음엔 그냥 로켓 타고 가서 돔 같은 거 짓고 살면 되겠지 싶었는데, 파고들수록 생각보다 훨씬 복잡한 문제들이 얽혀 있다는 걸 알게 됐습니다. 특히 "인류가 화성에 가려면 누가 제일 먼저 가야 하는가"라는 질문이 생각보다 꽤 중요한 질문이었습니다.
우주생물학이 말하는 화성 이주 1순위
흔히 우주 개척하면 엔지니어나 물리학자를 먼저 떠올리기 마련입니다. 저도 그렇게 생각했습니다. 그런데 실제로 따져보면, 화성에 제일 먼저 가야 할 존재는 사람이 아니라 미생물입니다.
그 이유는 지구 역사에서 찾을 수 있습니다. 지구에 산소가 쌓인 건 인간도 식물도 아닌 미생물 덕분이었습니다. 약 27억 년 전 남조류(시아노박테리아)가 광합성을 시작하면서 대기 중 산소 농도가 서서히 높아졌고, 이 사건을 '대산화 사건(GOE, Great Oxidation Event)'이라고 부릅니다. 여기서 GOE란 지구 대기의 산소 조성이 급격히 증가한 약 23억 년 전 전후의 지질학적 사건으로, 당시 미생물이 지구 환경 자체를 바꿨다는 증거입니다. 화성 테라포밍도 같은 원리입니다. 먼저 미생물이 가서 수억 년에 걸쳐 환경을 바꿔야 그다음 단계가 가능해집니다.
우주생물학(Astrobiology)이란 우주에서 생명체의 기원·분포·진화를 연구하는 학문으로, 최근 이 분야에서 극한 환경에서 살아남는 미생물 연구가 활발합니다. 실제로 남극 맥머도 드라이밸리의 암석 틈에서 광합성을 하는 세균이 발견되었는데, 이런 극한 미생물을 화성으로 보내 먼저 산소 생산을 시킨다는 아이디어가 나오는 것도 이 때문입니다.
그런데 제가 이 부분에서 한 가지 걸리는 게 있었습니다. 미생물 먼저 보내면 된다는 말이 너무 낙관적으로 들렸기 때문입니다. 화성 토양에는 과염소산염(Perchlorate)이 대량 포함되어 있습니다. 과염소산염이란 강력한 산화제로, 인간에게는 갑상선 기능을 방해하는 독극물이며 대부분의 지구 미생물에게도 치명적인 물질입니다. 화성에 얼음 형태의 물이 존재하는 건 확인됐지만, 액체 상태가 되면 이 과염소산염이 녹아든 고농도 염수가 될 가능성이 높습니다. 일반 미생물을 그냥 던져놓는다고 살아남을 환경이 아닌 셈입니다.
테라포밍의 진짜 장벽,자기장
테라포밍(Terraforming)이란 행성의 환경을 지구와 유사하게 바꾸는 작업 전체를 가리키는 말입니다. 온도, 대기 조성, 수분 등을 조절해 인간이 거주할 수 있도록 만드는 장기 프로젝트입니다. 개념만 들으면 그럴듯한데, 막상 물리학적으로 따지기 시작하면 벽이 하나씩 나타납니다.
가장 먼저 부딪히는 벽이 바로 자기장 문제입니다. 지구는 내부의 액체 철-니켈 핵이 대류 하면서 거대한 자기장을 만들어냅니다. 이 자기장이 태양풍(Solar Wind)을 막아주는 방패 역할을 합니다. 태양풍이란 태양에서 끊임없이 방출되는 고에너지 하전 입자의 흐름으로, 자기장이 없는 행성에 그대로 부딪히면 대기 분자들을 하나씩 우주 밖으로 날려버리는 '대기 박리(Atmospheric Sputtering)' 현상을 일으킵니다.
화성이 바로 그 상태입니다. 현재 화성의 대기압은 지구의 약 0.6% 수준에 불과한데(출처: NASA Mars Exploration), 과거 화성에 물이 흘렀다는 지질 증거가 있는 걸 감안하면 원래는 더 두꺼운 대기가 있었지만 자기장이 사라지면서 태양풍에 깎여나갔다는 게 유력한 설명입니다.
그렇다면 인공 자기장을 만들면 되지 않을까? 저도 처음엔 그렇게 생각했습니다. 그런데 이게 말처럼 단순하지 않습니다. 행성 규모의 자기장을 인위적으로 만들려면 엄청난 전류가 흐르는 초전도 코일을 화성 전체를 감싸는 규모로 설치해야 합니다. 초전도체(Superconductor)란 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 0이 되는 물질로, 한번 전류를 흘리면 손실 없이 영구적으로 유지되는 특성을 가집니다. 이론적으로는 가능한 방법이지만, 현재 인류의 기술 수준으로는 공상 과학에 가깝습니다.
화성에 자기장이 없을 때 생기는 문제를 정리하면 다음과 같습니다.
- 태양풍에 의한 대기 박리가 지속되어 기껏 만든 산소 대기가 우주로 날아감
- 고에너지 방사선이 지표면에 직접 도달해 미생물을 포함한 생명체 사멸
- 화성 표면 토양이 태양풍과 반응해 더욱 강한 산화성 물질을 생성
이 때문에 현실적인 대안으로 지표면이 아니라 지하로 들어가자는 아이디어가 나옵니다. 화성의 암석층이 방사선을 어느 정도 차단해 주니까, 지하 기지를 만들고 태양광을 전기로 변환해서 그 에너지로 스마트팜을 운영하는 방식입니다. 솔직히 이게 현재로서는 가장 현실적인 시나리오로 보입니다.
우주 진공에서 인체가 버티는 시간과 핵융합의 역설
화성 이야기를 하다 보니 더 근본적인 질문이 생겼습니다. 우주복 없이 우주 공간에 나가면 몸이 정말 풍선처럼 터질까? 일반적으로 영화에서 묘사되는 것처럼 몸이 폭발하는 이미지를 믿는 분들이 많은데, 제 경험상 이건 꽤 다른 이야기입니다.
실제로는 피부의 탄성이 생각보다 강해서 폭발하지는 않습니다. 그보다 더 먼저 문제가 되는 게 폐 조직입니다. 갑작스럽게 외부 압력이 0으로 떨어지면 폐포(Alveolus) 내부 압력과의 차이 때문에 폐포가 과팽창하면서 파열될 위험이 있습니다. 폐포란 폐 안에 있는 포도송이 모양의 아주 작은 기낭으로, 실제 산소와 이산화탄소가 교환되는 장소입니다.
흥미로운 건 온도 문제입니다. 일반적으로 우주 공간은 극도로 춥다고 알려져 있지만, 진공 상태에서는 열전도(Thermal Conduction)가 일어나지 않습니다. 열전도란 물질 사이의 직접 접촉을 통해 열이 이동하는 현상인데, 전달할 입자가 없는 진공에서는 이 방식으로는 체온을 뺏길 수 없습니다. 그 대신 체표면의 수분이 즉시 기화하면서 기화열을 빼앗아 가고, 복사 냉각도 발생합니다. 스테판-볼츠만 법칙에 따르면 모든 물체는 온도에 비례해 전자기파 형태로 에너지를 방출하기 때문입니다.
태양이 수억 년 동안 타는 이유도 비슷한 맥락에서 흥미롭습니다. 태양 전체가 한꺼번에 연소하는 게 아니라, 태양 중심부 약 1%의 부피에서만 핵융합(Nuclear Fusion) 반응이 일어납니다. 핵융합이란 가벼운 원자핵들이 충돌·결합해 더 무거운 원자핵이 되면서 막대한 에너지를 방출하는 반응으로, 이 반응이 일어나려면 약 1,000만 도 이상의 온도와 엄청난 밀도가 동시에 충족되어야 합니다. 질량 기준으로는 태양 핵이 약 20~30%를 차지하지만, 나머지 바깥쪽 수소들은 반응에 참여조차 못하고 있습니다. NASA의 태양 관측 데이터에 따르면 태양은 앞으로도 약 50억 년은 현재와 비슷한 방식으로 타오를 것으로 추정됩니다(출처: NASA Solar System Exploration).
화성 테라포밍이라는 주제를 파고들수록, 이것이 단순히 "가서 기지 짓고 살면 된다"는 문제가 아니라는 게 분명해집니다. 자기장, 대기 유지, 토양 독성, 저 중력이 인체에 미치는 장기적 영향까지 하나하나가 다 독립적인 거대한 공학 과제입니다. 특히 화성의 저중력 환경에서 장기 거주 시 골밀도가 매달 약 1~1.5% 감소한다는 연구 결과는 단순히 "점프하며 재밌게 살면 된다"는 낙관적 시각과는 거리가 있습니다. 그럼에도 불구하고, 인류가 이 도전을 포기하지 않을 거라는 것도 압니다. 관심 있는 분이라면 NASA의 화성 탐사 관련 최신 발표를 주기적으로 확인해 보시는 걸 권합니다. 지금도 꽤 빠르게 업데이트되고 있습니다.