주노는 올해 목성 궤도에 안착하는 데 성공한 미 항공우주국(NASA)의 목성 탐사선이다. 2003년 퇴역한 목성 탐사선 갈릴레오 이후 두 번째로 목성 궤도에 진입한 탐사선으로, 2011년 8월 발사돼 5년간 28억km를 비행한 끝에 목성 궤도에 안착하는데 성공하였다.

2011년 8월 6일 아틀라스V 로켓에 실려 발사된 목성 탐사선으로 무게 4t, 높이 3.5m, 지름 3.5m의 육각형 동체를 지니고 있으며, 고효율 태양전지가 장착된 태양전지판 3개가 달려 있다. 주노의 목성 궤도 진입은 2011년 8월 5일 플로리다주 케이프 커내버럴 기지에서 발사된 지 4년 11개월 만이다. 1995년 12월 ‘갈릴레오’ 탐사선이 진입한 이후 20년 반 만이다.

NASA의 주노 우주선은 태양에너지를 사용하는 우주선 중 태양에서 가장 멀리 떨어진 곳인 목성에 도달한 두 번째 우주선이 되었다. 태양에너지를 사용하는 우주선은 매우 많다. 그러나 이만큼 멀리 날아간 것은 아직 없었다. 거기에는 그만한 이유가 있다. 목성까지 도달하는 태양광의 양은 지구에 도달하는 양의 1/25에 불과하다. 이 정도 빛으로는 농구 경기장만한 우주선인 주노를 움직이기에 충분치 않을 수 있다. 그러나 주노는 해냈다. 그렇게 된 데에도 몇 가지 이유가 있다.

■■■ 태양 속으로

갈릴레오는 주노 이전 목성 궤도에 들어선 유일한 우주선이다. 1989년에 발사된 갈릴레오의 태양전지 패널의 효율은 먼 우주 항해를 하기에는 너무 낮았다. 받아들인 태양빛 에너지의 단 12%만 전력으로 변환시킬 수 있었던 것이다. 그러나 록히드 마틴 사가 주노를 설계하던 2003년, 태양전지의 효율은 그 두 배 이상인 28%로 높아졌다. 이 정도 효율은 태양에서 8억 km 떨어진 먼 우주에서 태양빛에만 의존해서 간신히 항해를 할 수 있는 정도의 수준이었다.

보통 큐리오시티 로버, 카시니, 뉴 호라이즌스, 갈릴레오 같은 무인 탐사선들은 RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator, 방사성동위원소 열전기 발전기)로 전력을 얻는다. RTG는 방사성 물질(플루토늄)에서 나오는 열로 전기를 생성시킨다. RTG는 전력 뿐 아니라 온기도 발생시킨다. RTG가 발생시키는 온기는 차가운 우주에서 민감한 전자 장비를 보호하는 데 필수적이다. 그러나 RTG에도 몇 가지 한계는 있다. RTG에 들어가는 방사능 물질은 매우 위험하기 때문에 발사는 매우 안전해야 한다. 게다가 엄청나게 비싸다. 더더욱 지금 같은 핵 확산 금지조약의 시대에는 생산하기도 어렵다. 이 때문에 NASA가 발사한 RTG 사용 우주선은 극소수이다.

주노 초장기 때만해도 주노의 RTG에 쓸 만큼의 플루토늄 재고가 있었다. 그러나 RTG는 주노에 결국 장착되지 못했다. 록히드 마틴의 주노 엔지니어 케빈 루돌프는 “저희는 주노에 RTG를 설치할 생각조차 해 본 적이 없습니다. 저희는 태양 에너지만으로 모든 것을 하고자 했습니다.”라고 RTG설치에 대한 근본적 불가 원칙을 주장했다.

왜냐하면 주노는 NASA의 저예산 뉴 프론티어 임무들(<뉴 호라이즌스>, 소행성 탐사선 <오시리스 렉스> 등) 중 하나이기 때문이다. 때문에 주노 개발팀은 가급적 싸고 간단하게 만들어야 했다. 루돌프는 “우리는 카시니에 장착됐던 RTG의 가격을 알고 있다. 그 RTG는 미국의 플루토늄 재고가 충분할 때 생산된 것이었다. 플루토늄의 공급이 원활할 때조차 도저히 구입할 능력이 안 될 정도로 비쌌다.”고 회고 했다.

■■■ 효율성을 중시한 제작

주노는 길이 9m짜리 태양전지 날개가 3장 있으며, 여기에 총 18,698장의 태양전지가 부착된다. 이들이 발전하는 전력량은 약 500와트다. 주노에 실린 과학 장비에 쓰일 전력을 공급하고, 전자 장비의 온도를 유지하고도 남는 전력량이다.

이것은 태양전지의 효율성 향상 뿐 아니라, 우주선의 모든 요소의 설계 개선에도 기인한다. 과학자들과 공학자들은 우주선의 모든 장비의 에너지 효율을 가급적 높이고자 했고, 심지어는 우주선의 항로 역시 태양전지를 최대한 활용할 수 있도록 설정하였다.

주노는 먼 우주 탐사 방법의 혁명을 가져왔다. 록히드 마틴의 엔지니어들은 우주 항해 기간 동안 주노가 태양 쪽을 보면서 태양에너지를 받아들일 수 있도록 설계했다. 독특한 극궤도를 채용한 덕택에 목성이 우주선을 태양으로부터 가려버리는 것을 막을 수 있고, 따라서 주노는 지속적으로 전력을 공급받을 수 있다.

이러한 시스템이 정상적으로 작동하는지 확인해보기 위해, 엔지니어들은 태양 전지를 온도 섭씨 영하 178도에 달하는 실험실 내에 넣어보았다. 영하 178도는 목성 탐사 시 접하게 될 온도이기도 하다. 태양 전지가 얼어붙자, 개발팀은 여기에 매우 약한 빛을 비추고, 목성의 높은 방사선을 재현하기 위해 전자총을 쏘았다.

루돌프는 “이 실험을 함으로서 주노를 목성까지 보내는 데 몇 개의 태양 전지가 필요한지 알 수 있습니다. 우리는 실험 결과 태양 전지의 총 면적은 50㎡가 되어야 한다는 사실 또한 알았습니다. 그리고 이 면적을 3개의 날개에 분산하기로 했습니다.”라고 말했다.

■■■ 해가 보인다고 다 괜찮은 건 아니다

이러한 설계는 무려 13년 전에 채택되었다. 주노는 먼 우주 탐사 수행방식의 혁명을 불러왔다. 이는 태양 에너지가 목성에 갈 미래의 우주선들의 표준 동력원이 될 수 있다는 의미다. 하지만 유감스럽게도 목성보다 더 멀리 떨어져 있는 천체, 예를 들어서 토성 같은 곳은 현재의 기술로는 태양에너지만으로는 탐사가 불가능하다. 토성은 목성에서 19억km나 더 가야 나온다. 그 정도 거리에서는 우주선을 움직일 만큼 강한 태양빛을 받을 수 없다. 그러나 지구의 태양에너지 기술이 계속 발전한다면, 그 효율은 증가할 것이고 언젠가는 더 먼 우주까지도 태양빛만으로 탐험할 수 있을 것이다.

현재 NASA의 플루토늄 재고는 매우 적다. 그래서 토성, 해왕성, 천왕성, 카이퍼 밸트 등에 대한 탐사 임무는 극단적으로 제한을 받을 수밖에 없다. 그러나 다행히도 작년에 미국 에너지부는 NASA와 협동으로 플루토늄 238을 새로 생산하기로 했다. 이는 결국 NASA의 RTG 연료로 쓰일 것이다.

주노는 27억 3천만 km를 여행한 끝에 드디어 목성에 도착했다. 목성 도착시 주노가 세운 기록은 몇 가지 더 있다. 주노는 시속 265,541km로 항해, 역사상 가장 빠른 우주선이 되었으며 또한 주노는 목성에 가장 가까이 접근한 우주선이 되었다. 결과적으로 역사상 가장 선명한 목성의 사진을 촬영할 수 있게 되었다. 저예산으로 만들어져 태양에너지를 동력으로 사용하는 무인 탐사선 치고는 나쁘지 않다.

주노의 임무를 통해 목성의 핵이 고체인지 아닌지가 밝혀질 것이다. 그리고 목성의 대기 안쪽을 들여다봄으로서 목성과 같은 거대 기체 행성의 탄생 과정을 더 잘 알 수 있을 것이다. 목성은 태양계에서 가장 거대한 행성이므로, 태양계 형성 과정은 물론 지구 형성 과정에 대한 많은 의문을 풀어줄 것이다.

By Shannon Stirone