[22' Science Level Up] 행성 탐사 프로젝트 시작하기

2022년도 할만한 대회를 찾아보다가 사이언스 레벨업이라는 행성 탐사 로봇 제작 대회가 열렸다.

한국과학창의재단에서 주관하는 대회로, 다음 링크에 자세한 내용이 있다.

KOFAC 온라인 접수 시스템::

KOFAC 온라인 접수 시스템::

 

1. 과제

대회의 과제는 다음과 같다.

[과제]
 - 미래 우주시대를 대비하여 태양계 행성별 환경을 고려한 ‘행성탐사로봇’ 설계 및 구현

[제작요건]
• 태양계 행성* 중 1개를 선택하여, 해당 행성의 위성 환경까지 고려한 산출물을 구상‧설계‧제작해야한다.
* 수성, 금성, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 중 택1
• 가로x세로x높이 합 기준 3m 내외로 구상‧설계‧제작해야한다.
• 탐사로봇은 작동이 가능해야한다.

상황은 다음과 같은데 접어두도록 하겠다.

[상황제시]

'붉은 행성' 화성의 생명체 탐사 임무를 띠고 발사된 미국 로버 '퍼서비어런스'(Perseverance)호가 19일(이하 한국시간) 화성 도착 만 1년을 맞는다.

미국 우주항공국(NASA)의 5번째 화성 탐사 로버로, 시속 2만920㎞로 화성 대기를 뚫고 착륙하는 '공포의 7분'을 견뎌낸 퍼서비어런스는 약 30억년 전 강물이 흘러들던 호수로 추정되는 '예제로 크레이터'(Jezero Crater)에서 순조롭게 탐사 활동을 이어가고 있다.

착륙 이후 약 100일간의 기기 점검 및 과학 탐사 준비 과정을 제외하면 채 1년이 안 되는 짧은 기간이고 아직 탐사 초기 단계에 있지만 역대 어느 로버보다 많은 성과를 이뤄냈다.

퍼서비어런스호의 최대 임무는 고대 생명체 흔적을 찾는 것으로, 이를 위해서는 우선 퇴적물이 쌓여 형성된 퇴적암을 찾아내야 한다. 하지만 강물이 운반하는 퇴적물이 쌓여 형성된 고대 삼각주에서 예상보다 약간 더 멀리 떨어진 곳에 착륙하면서 퇴적암 대신 화성암을 찾아냈다. (중략)

퍼서비어런스는 화성암에 구멍을 뚫고 암석 코어 시료를 채취해 분필 크기의 티타늄 용기에 담아 보관 중이다.

시료 채취 과정에서 암석이 가루로 부서져 용기에 담기지 않거나 암석 잔해가 남아 용기 뚜껑이 닫히지 않는 등 난관에 봉착하기도 했지만 그때마다 해결책을 마련해 풀어가고 있다.

퍼서비어런스는 또 과학탐사 준비 기간에 화성 대기의 이산화탄소(CO₂)에서 우주비행사의 호흡이나 로켓 연료로 활용할 수 있는 산소(O)를 추출하는 시험을 성공적으로 했다.

또 슈퍼캠 원격 마이크로이미저 등 첨단 카메라의 고해상도 이미지를 통해 퇴적물이 쌓여있는 고대 삼각주와 대홍수의 흔적도 확인했다.

암석 장애물을 자동으로 피해 이동하는 등 자율주행 기능이 강화돼 '게일 크레이터'에서 탐사 중인 로버 '큐리오시티'(Curiosity)와 최고 속도는 같지만 더 먼 거리를 이동할 수 있는 점도 입증했다. (중략)

이 우주선은 화성 착륙선과 화성이륙체(MAV), 지구진입체 등으로 구성되는데, 화성에서 수거한 시료를 싣고 발사되는 경량급 로켓인 MAV는 록히드 마틴사가 주계약업체로 선정돼 개발을 진행 중이다.

화성 암석 시료가 지구에 도착한다면 로버의 현장 분석보다 훨씬 더 정밀한 결과를 얻을 수 있어 화성의 고대 생명체 존재 여부를 둘러싼 의문도 명확하게 풀릴 수 있을 것으로 기대되고 있다.

(자료출처 : 연합뉴스(https://www.yna.co.kr/view/AKR20220216094000009) 「화성 탐사 로버 퍼서비어런스 '화성살이' 1년 되돌아보니」 기사 중 발췌)

 

 

2. 수행 목적

다양하게 검색을 해보던 중 화성의 용암동굴이 존재한다는 사실을 알게 되었고, 그에 맞춰서 수행 목적을 다음과 같이 정하였다.

• 화성에 용암동굴이 존재한다는 것을 알게 된 이후, 보통 지구의 용암동굴이라면 물을 만나거나 풍화와 침식이 일어나 원래의 형태를 잃어버리기 때문에 아무런 작용도 받지 않았을 동굴에 로봇을 보내 지질학적인 자료를 찾는다.
• 초기 인간이 동굴에서 살았던 것과 같이 동굴에서 살았던 생명체의 흔적을 찾아보며, 화성에서의 생명체의 흔적과 근거를 찾는다.

 

3. 주제

주제는 다음과 같은 이유로 정하게 되었다.

• 2년전 기사에서 화성에서 용암동굴을 발견했다는 기사를 보고 판이 크게 없다고 알고 있던 화성에서 용암을 통한 동굴이 있다는 것에 놀라며, 어떠한 방식으로 동굴이 생성되었는지를 알아보고자 이 프로젝트를 하려고 하였다.
• 이에 관해 더 찾아보던 중 NASA에서 동굴탐사 프로젝트를 진행하려고 했지만, 갑자기 무산된 것에 대한 이유 또한 궁금해져서 직접 진행해보고, 로버를 만들고, 진짜로 잘 작동하는 지는 시뮬레이션을 통해 알아보고자 한다.

 

 

4. 관련 선행 조사

또한 관련 선행을 조사하기 위해서 환경을 분석하는 과정을 가지게 되었다.

 

• 화성은 주로 현무암과 안산암의 암석으로 되어있으며, 표면온도는 –140℃ ~ 20℃ 정도로 평균온도는 –80℃ 정도이다. 그리고 화성의 자기장은 지구의 1/800 정도로 자기장이 매우 약하다.
• 화성에서 [그림 1]과 같은 Lava Tubes 가 발견되었다. 용암튜브는 용암류의 내부가 흘러나가 표면의 껍데기 부분만 남아 굳어 터널을 만든 것이다.

[그림 1] 화성의 Lava Tubes

 

5. 착안점

이를 구성하게 된 착안점은 다음과 같다.

• 용암 터널은 먼지가 흩날리는 화성의 거친 표면과 대기로부터 인류를 보호해 줄 수 있다고 생각한다.
• 화성에는 태양계의 최대 화산인 올림푸스 산을 비롯하여 거대 화산들이 존재하여 지구보다 더 큰 용암 동굴이 매우 많을 것으로 추정된다. 여기서 용암 동굴은 생명체에게 치명적인 방사선을 막을 수 있어, 향후 거주가 가능할 것이라 생각해 탐구를 진행해보고자 한다.

 

6. 수행 내용 및 방법

(1) 수행목표(미션)

• 용암동굴 속 생명체의 흔적 찾기
  방사선이 존재하는 것과 같은 화성의 외부지형에 비해 생명체가 과연 용암 동굴 내에서 생존이 가능한지 알아보기

 

(2) 수행내용

• 화성의 용암동굴로 들어가, 내부의 모습을 관찰, LiDar 센서와 Camera를 통한 지도를 그리고 내부에 생명체의 흔적이 있는지 알아본다.
• 용암동굴 내부 환경을 온습도센서와 같은 센서를 이용하여 파악하고, 외부에선 살기 힘든 생명체가 조금이라도 안전하게 살 수 있는지 파악해본다.

 

(3) 수행방법

• 로버를 만들고, 각종 센서를 부착하여 센서에서 정확한 정보가 들어올 수 있도록 한다.
• 로버를 시험운행하여 현재 있는 학교에서 제대로 정보를 파악하는지, 장애물을 잘 피하며 탐사하는지 확인한다. 
  로버를 직접 화성에 보낼 수 없는 관계로 로버의 모습을 Gazebo 프로그램을 이용하여 모델링과 시뮬레이션을 돌려, 제대로 작동하는지 알아본다.

 

목표한 모습 (full)

 

목표한 모습(위)

목표한 모습(앞)

 

이를 바탕으로 만든 로봇과 대회 결과는 다음 글에 남기고자 한다.