1. 서론
경제적 관점에서 우주분야는 3,391억$ 규모(’16)의 거대한 시장으로 현재 한국은 0.8% 점유율 보이는데, 새로운 시장으로 반도체, 자동차, 조선산업 이후의 새로운 도전 산업으로 육성이 필요하다. 전세계 우주시장규모 총 3,391억$에서 발사체 & 위성 5.7%, 우주탐사 23.2%, 위성활용 서비스 & 장비 71.1%이다. 선진국 우주기관 예산 중 국제우주정거장 관련 운용, 우주실험과 우주인 선발 훈련 포함 예산(’17)은 NASA 18.1억$/9.5%, JAXA 307억￥/20.3%, ESA 6.3억￠/11%이고, 선진국 우주기관 우주탐사(달, 화성, 심우주) 예산규모/비중(’17)은 NASA 108억 $/56.6%, JAXA 520억 ￥/33.8%, ESA 8.25억￠/14.3%이다. 아울러 선진국 우주기관 우주탐사 중 유인우주탐사 비중(’17)은 NASA 80%, JAXA 75%, ESA 50%이다[1–3].
핵심전략 기술 개발 관점에서 우주는 정확하게 멀리 가기 경쟁인 바, 대형 추력 시스템, 정밀 심우주 항법, 자세제어, 대기권 재돌입, 심우주 통신과 에너지 기술 개발이 필요하다. 유인우주기술 개발 시 무인우주기술에서 퀀텀 점프가 가능하다.
대국민 비젼 제시를 위하여 우주탐사 특히 유인우주탐사는 국민과 청소년에게 꿈과 도전정신을 심어줄 수 있다. 국제협력 측면에서 ’20년대 유인달탐사와 ’30년대 유인 화성탐사는 대규모 국제협력으로 한국이 참여하게 되면 우주선진국과의 전략적인 협력으로 우주선진국 그룹의 일원이 되며, 국가위상 제고 효과가 클 것이다.
동북아 지정학적 측면을 고려할 때 중국, 일본, 러시아와 인도는 유인우주개발 선진국들로 이들 국가에 비해 너무 뒤쳐지지 않도록 전략기술로서 유인우주기술을 개발할 필요가 있다. 즉, 중국과 일본에 10년차로 추격할 필요가 있다. 국민 편익과 안전 강화를 위하여 우주개발은 국민안전과 국방안보에 도움이 되는 기술개발이 반드시 포함되어야 한다. ’21년 5월 문 대통령 방미시 한국의 과기정통부와 미국의 NASA는 대한민국이 유인 달탐사 아르테미스 약정(Artemis Accord) 추가 참여를 위하여 서명하였다. Artemis 프로그램 참여를 성공적으로 추진하기 위하여 대국민 설득과 예산확보를 위하여 우주탐사 관련 Story 개발이 필요할 것이다.
2. Artemis 유인달탐사 프로그램 추진 현황[4]
Artemis 프로그램의 1단계는 2025까지 미국의 우주인이 달에 착륙하는 것이다. 이를 위해 ‘22년 신형 우주발사체(SLS)로 발사되는 오리온 탐사선이 무인으로 달을 선회하고, ‘24년에는 4명의 우주인이 달을 선회하고, ’25년에는 4명의 우주인이 달 주위 우주정거장 Gateway에 도착하여 유인달착륙선(HLS, human landing system)으로 갈아탄 후 여성과 아시아/아프리카계 우주인 2명이 달에 착륙하여 1주일간 활동하게 된다. 1단계에서는 달궤도 유인 우주선, 유인 달착륙선, 비가압식 월면차, 선외활동용 우주복, 소형무인 달착륙선 기술과 시스템이 개발되어 활용될 것이다[1, 2](Fig. 1,2).
2단계(2026~2040)는 지속적인 달착륙을 통하여 월면 탐사활동과 인프라 확대(expanding and building)를 수행하게 된다. 전반부인 2A 단계(’26 - ’32)에는 달 체류 준비단계로서 달궤도 무인 수송선, 중형 무인 달착륙선(유인 활동 지원 등을 위한 물자 보급용), 다용도 로버, 가압식 월면차, 통신중계 및 전력 인프라, ISRU 검증 플랜트가 개발되어 활용될 것이다. 후반부인 2B 단계(’33 – ’40)에서는 실질적인 장기체류를 위한 유인거주시설, 재사용 유인 이착륙선, 원자력 전력원, 실용급 현지자원활용(ISRU, in-situ resource utilization)시설이 개발되어 사용될 것이다[1, 2].
3단계(2040~)는 월면 지속 체류 및 활용(sustained lunar opportunities)이 시작되는데, 본격적으로 달에서 장기 거주와 상업적인 활동이 수행된다. 3단계에서는 수 천 Km를 신속하게 이동할 수 있는 착륙지간 장거리 이동용 유인 호퍼(Hopper)가 개발될 것이다[1,2].
ISECG는 미국 NASA의 주도로 2007년에 설립된 전세계 23개 주요 우주기관들의 구속력 이 없는 협의체로, 한국항공우주연구원도 참여하고 있으며, 장기적인 국제공동 대형 우주탐사에 대한 정보교환, 전략수립과 로드맵을 작성하고, 이를 위해 정기적인 회의를 갖는다.
Artemis의 중요한 기술적 목표는 유인 이착륙, 화물 수송, 선외 활동, 장거리 이동, 장기거주, 인체활동, 현지자원활용(ISRU) 검증, 인프라 구축, 과학연구, 대중참여, 상업증진, 국제협력 증진이며, 현재 한국의 기여는 KPLO(’22)와 KLL(’29)이다.
각 단계에서 누적된 역량은 궁극적으로 유인 화성탐사라는 ISECG 공동의 장기목표 달성으로 이어질 것으로 기대된다.
우주탐사는 지금까지 정부만의 영역이었으나, 최근 들어 민간의 참여가 확대되고 있는데, 정부기관에서 우주탐사 미션에 민간의 수송 서비스를 이용하거나, 민간에서 독자적인 우주탐사 미션을 수행하는 경우 등이 발생하고 있다. ISECG 회원기관들은 민간 상업 주체들의 우주탐사 활동을 환영하며, 이들과의 협력을 통한 신기술 개발 및 비용 절감 등을 기대하고 있다.
Artemis 프로그램 주요 계량적 기술목표는 아래와 같다.
-
4명에 대한 유인 이착륙 실증
-
화물수송 실증은 단기 유인 미션에 1–2톤, 유인착륙선은 9톤 규모
-
선외활동(EVA) 재사용성, 달먼지 대응과 기동성 검증
-
누적 10,000 km 장거리 이동능력 실증
-
누적 500일 장기거주 시설의 신뢰성 및 운용절차 검증
-
무중력과 우주방사선 환경 장기체류시 인체건강 및 활동능력 검증으로 화성탐사에도 대비함
-
현지자원활용(ISRU) 실증으로 연간 50톤의 연료 생산
-
300 kW 전력생산과 1 Gps 통신 등 인프라 구축
-
과학연구 성과 창출
-
대중/청소년 참여 소통 증진을 통해 전국민 30% 이상의 동의
-
민간참여/상업 증진
-
국제협력 및 참여 기회 확대로 전세계 100여 개국 이상 참여 목표
Artemis 프로그램 단계별 Hardware 구성요소는 아래와 같다.
-
가압식 월면차; 2명의 우주인이 최대 42일간 탑승하면서 600 km 이동
-
달궤도 무인 수송선: 지구에서 달궤도 Gateway까지 2–3.4톤 화물 수송
-
중형 무인 달착륙선: 달 표면까지 1–2톤의 화물 수송
-
통신 중계 인프라: 지구-달궤도 Gateway-달표면 간 통신제공, Gateway를 중계노드로 사용하고, S, X, Ka 밴드와 광통신 사용
-
전력 인프라: 달표면에서 전력 생산과 저장장치로 17 kW 전력 제공
-
다용도 로버: 과학탐사와 현지자원활용(ISRU)을 위해 25–250 kg의 화물을 싣고 2,000 km 이동 가능
-
ISRU 검증 플랜트: 실용급 ISRU 시설의 1/100 규모 연료생산(연간 50 kg)
3. 한국의 Artemis 참여가능 Item 도출과 국내 기술수준 분석 [5–8]
위에서 이미 국제협력 대상으로 나타난 여러 Item들과 한국이 독자적으로 개발 가능한 여러 Item들이 있을 수 있다. 그러나 한국의 참여를 위하여 반드시 선행적으로 검토해야 할 조건과 기준들을 제시하였다.
Artemis 프로그램에 한국이 참여 가능한 여러 Item들을 도출하였고, 상기 기준에 따라 분석을 시행하였다(Fig. 3).
앞에서 제시한 판단기준으로 도출된 Artemis 참여 후보 Item을 분석한 결과, 아래와 같은 Hardware가 한국 참여 유망한 후보로 선정되었다.
-
궤도간 무인 수송선(LTV/OTV, Space Tug)은 전분야에서 적합하며, 특히 다양한 핵심기술이 포함되어 있음, 자중 3톤, 화물 1톤을 수송하며 화학추력기가 일반적이나 최근 절대 추력값은 작지만 비추력이 큰 전기추력기 사용이 늘고 있음, 이 궤도간 수송기술은 향후 화성과 소행성 탐사에서 가장 핵심적인 기술로 활용될 수 있음(LTV, Lunar Transfer Vehicle; OTV, Orbital Transfer Vehicle)
-
소형무인 달착륙선, 전분야에서 적합, 자중 2톤, 화물 500 kg 수송, 레이다/라이다 고도측정기술과 AI를 이용한 장애물 회피기술, 대용량 추력기 기술을 개발해야 하며, 향후 화성탐사와 소행성 샘플리턴에도 핵심적인 기술로서 사용될 것임
-
달 현지자원활용(ISRU) 기술을 이용하여, 달표면에서 얼음을 채취 전기분해하여 산소와 수소를 생산, 산소는 우주인 호흡용으로, 수소는 수소연료전지에 활용하여 전력을 생산하여 달 차량(Lunar Mobility)의 동력원과 주거모듈(Habitat module) 전력, 또한 산소와 수소는 액화하여 지구로 귀환하는 로켓의 연료로도 사용할 수 있음, 국내 수소에너지 기술에도 활용이 가능함
-
달 차량은 달 탐사의 핵심적인 필수장비로 개방 & 비가압형 소형 험지형 차량(무게 1 t, 2인승, 탑재중략 500 kg, 주행거리 100 km)이 필요함, 동력원은 수소연료전지로 달의 험지형을 달릴 수 있도록 하며, 험지주행능력을 갖추어, 국방안보 기술로도 활용 가능
-
생명/환경유지장치(Environment & Life Support System, ECLSS)는 유인우주선, 주거모듈과 우주복의 핵심기술로서 국민생활에서 미세먼지 제거, 대기중 오명물질 제거, 물 정화 등에 사용될 수 있고, 산업과 국방에도 폭 넓게 활용할 수 있음
-
달표면 태양 발전 장비는 국내 신재생 에너지 산업과도 연관이 깊지만, 다만 국민 안전과 국방에 대한 기여가 약함
-
달궤도 통신위성은 모든 핵심기술을 포함하고 있으며, 현재 한국의 역량으로 가장 국내개발이 용이한 Item임
-
달표면과 지구저궤도에서 로봇을 이용한 과학/산업 우주실험 수행은 New Space 시대 직접적인 비즈니스가 이루어지고 장기적인 우주체류 관련 생명/의학 기초연구를 수행할 수 있음
한국은 Artemis 프로그램 참여와 장기적으로 유인 화성탐사를 위해서는 장기적인 우주탐사 로드맵이 필요한 바, 본 연구에서 이를 제시하였다. 이를 위해 단계적으로 로드맵을 아래와 같이 제시하였다(Fig. 4).
20년대에는 기반이 되는 재진입, 심우주항법, 랑데부/도킹 등 우주핵심기술을 개발하고, 2030년까지 달궤도 수송선 시스템 개발과 유인달탐사 시스템의 부분참여(통신, 항법, 생명유지장치 등), 지구저궤도에서 우주산업화를 위한 우주제품 생산 기초연구
우주탐사를 수행하는 연구기관 내부에서 명분과 설득력 있는 논리와 전략을 개발, 대국민 설득, 예산 확보를 위한 정부부처, 예산당국과 국회 설득 그리고 해외 국제적인 우주탐사 코뮤니티에 대한 설득과 홍보를 위하여 누구나 듣고 쉽게 이해할 수 있는 이야기(story) 개발이 매우 필요하다.
달탐사를 통하여 국내 우주개발 기술의 진일보를 이루고, 우주강대국인 주변국(중, 일, 인도)에 비하여 우주개발이 너무 뒤쳐지지 않게 15년 이내로 추격함, “대형 심우주 안테나, 대형 추력기 기술, 심우주항법 기술 등 심우주탐사 기반기술 개발”
달탐사 2단계 착륙선 & 지구-달궤도간 화물수송선(Space Tug), “우주기술의 획기적인 진일보”, “본격적인 우주탐사를 통해 우주산업 확대와 일자리 창출”, “한국형 발사체를 이용한 우주탐사 착수”, “우주선진국으로서 국제협력 우주개발 프로그램에 주도적 참여”, “세계우주개발 Top 10 진입”, “중국과 일본 대비 우주기술 10년 이내 추격”
“미래형 우주기술인 유인우주기술 개발로 우주기술의 획기적인 발전”, “새로운 유인우주산업 발굴을 통해 우주산업 확장과 일자리 창출”, “향후 10년 전후 2차 한국 우주인을 선발하여 달에 착륙하고, 미래 에너지원인 핵융합발전 원료인 He3, 시험 추출”, “향후 10년 전후 2차 한국 우주인을 선발하여 달에 착륙하고, 달표면에 우주로봇과 우주관측 장비를 설치하여 지구에서 관측이 불가능한 천체관측과 소행성 위험 상시 감시”, “3차 한국 우주인을 선발하여 인류가 행성에서 생존하기 위한 기술로서 현지 물/얼음 자원으로부터 수소를 생산하여 달 차량을 운용하고 전기발전에 사용하는 수소 에너지 순환체계 구축”, “세계 우주개발 Top 7 진입 & 중국과 일본 대비 우주기술 7년 이내 추격”, 무인 화성탐사 Story(’35); 무인 궤도선 & 착륙선, “자주적인 심우주탐사 능력 확보”, “국제 우주과학 코뮤니티에 주도적인 참여와 기여”, “세계 우주개발 Top 5 진입 & 중국과 일본 대비 우주기술 5년 이내 추격”, “한국형 발사체의 심우주탐사 능력 검증 확인”
4. 결론
본 논문에서는 한국의 국제공동 유인달탐사 Artemis 프로그램 참여를 중심으로 향후 2050년까지 장기적인 유인우주탐사 전략과 로드맵을 아래와 같이 제시하였다. 이를 위해 현재 진행중인 Artemis 프로그램 분석과 국내 우주개발 수준 분석을 비교ㆍ검토하였다.
향후 대한민국의 우주발전의 최우선 전략은 우주산업과 관련 국내 산업을 확대하는 방향이어야 하며, 이를 위해 무인 Hardware 개발 중심에서, 위성과 발사체 산업체 이관 후, 임무개발과 유무인 우주개발과 탐사로 패러다임 전환이 필요하다. 국내 위성과 발사체 개발 능력이 성숙하였으므로 이를 활용한 유무인 임무개발과 우주탐사 추진이 필요하며, 특히 ’22년 하반기 발사되어 개발이 완료되는 한국형발사체와 기존의 위성기술 활용하는 우주임무 개발이 필요하다.
’20년대 글로벌하게 추진될 국제공동 유인 달탐사(Gateway, Artemis)와 ’30년대 유인 화성탐사는 한국의 우주기술 수준을 획기적으로 향상시킬 수 있는 절호의 기회로서 한국의 도전적이며 고유하고 지속적인 임무와 Hardware 기여로 참여가 필요하며, 또한 한국 우주인의 참여는 국민적 관심을 끌고 청소년에 도전정신과 꿈을 심어 줄 수 있다. 아울러 우주선진국으로 진입하는 계기가 되며, 국가위상이 높아질 것이 기대된다. 10년, 20년 후 한국이 우주기술과 경제력으로 감당할 만한 도전적인 달/화성탐사 임무 개발과 관련 핵심기술 개발, 그리고 임무 수행을 위한 한국 우주인 참여가 필요하다. 예를 들어 캐나다 로봇팔, 일본의 소행성/화성 위성 샘플 리턴 임무 등이 있다.
국가 우주발전을 위하여 국민, 산업체와 정부 그리고 국회의 공감대 형성이 필요한 바 획기적인 우주기술 개발과 한국 우주산업의 확대(고용창출)과 같은 결정적인 국가 과학기술, 경제, 국민안전 기여방안 도출이 필요하다. 달탐사 예산확보시(2015) 논리는 “한국 우주기술이 진일보하고 주변국에 너무 뒤떨어지지 않도록” 달탐사를 추진해야 한다는 것이다. 이와 같이 달탐사 임무를 필요성, 전략, 방법을 단순 명쾌하게 이야기(story)로 풀어내는 것이 필요하다. 예를 들어 우주생명/환경 유지장비는 미세먼지, 공해물질, 오염수로부터 국민안전을 보호하고 국방안보에도 활용 가능하다. 달 표면에서 채취한 He3는 인류의 궁극적인 에너지 문제를 해결할 수 있으며, 달에서 얼음을 채굴하여 전기분해로 수소를 생산하여 수소 연료전지를 이용하여 달차량을 운행하고 주거모듈에 전기를 공급하는 수소에너지 순환체계를 달에서 구축할 수 있다.
우주개발과 우주탐사 전략 수립 시 국방과 안보에 활용이, 가능한 발사체 & 대용량 추력기, 초정밀 심우주항법 & 자세 제어, 초장거리 통신, 초저온 극복 시스템, 태양전지 및 동위원소발전기, 대기권 재진입과 랑데부/도킹, 기술을 포함하는 전략적 핵심 우주기술 개발이 이루어 져야 한다.
우주산업화의 핵심인 New Space 산업 창출을 위하여 저궤도 우주공간에서 미세중력, 초진공, 초저온 환경을 이용한 과학실험, 우주제품 생산과 우주관광 산업화 필요하다. ’25년부터 ISS를 민간에게 개방하고, 저렴한 상업 유인우주선이 등장함에 따라, 한국 우주인(Astronaut & Space Crew)의 양성과 과학ㆍ산업기술 임무 개발이 필요하다. 예를 들어 줄기세포 생장을 통한 장기 배양, 신소재와 고성능 반도체, 고성능 광섬유(ZBLAN), 단백질 결정 생산과 제약 등이 유망한 분야이다.
산학연관/군 융합 협력체계 구축이 필요하다. 국내 우주개발 Player들이 증가하고 있어 기존의 항공우주연구원 외에 다수의 정부 정부부처(과기부, 국방부, 산업부, 중소기업부, 환경부, 기상청, 해양수산부 등), 천문연 등 출연연구원, 대학, 산업체/벤처들이 활발하게 우주개발에 참여하고 있으며 그 Player 수는 계속 늘어날 것이다. 이에 따라 우주청이나 우주전략본부와 같은 중앙 컨트롤 타워인 정부 Governance 조직이 필요하며, 항공우주연구원과 Player들 간의 업무분담이 필요하다. 참여기관은 수행하고자 하는 우주임무(space mission)와 관련된 핵심탑재체를 개발하고, 항공우주연구원은 플랫폼과 핵심기술 개발과 사업 관리를 담당하는 것이다. 유인 우주개발을 추진하기 위해서는 항공우주연구원과 관련 기관들에서 무인 우주개발에서 필요했던 기계와 전자 엔지니어 외에 다양한 과학 및 의학 전문인력을 채용하여 우주임무와 핵심기술 개발 전문가로 육성 필요한데, 예를 들어 우주의학, 생물학지질, 지질학, 재료과학, 제약분야 등이다.
대한민국의 주변국들인 중ㆍ일ㆍ러시아ㆍ인도는 유인우주개발 선진국들로 이들 국가들은 한반도에서 안보와 경제적 이해가 중첩되기 때문에 이들 이웃 국가들에 비해 너무 뒤쳐지지 않도록 전략기술로서 유인우주기술 개발이 필요한데, 최소 10년 이상의 격차가 벌어지지 않도록 추격하는 것이 필요하다[9].
NASA 및 해외 우주기관과 협력체계 구축이 필요하다. Artemis 유인 달탐사 협력분야가 결정되면 NASA와 Working Group을 구성한후, 협력의향서(LOI)를 체결하고, 공동 타당성 연구(feasibility study)를 수행 후 MOU를 체결해야 한다. 이를 통해 미국과의 전략적인 우주협력을 심화하고 유럽 일본과의 우주협력도 강화해야 한다. 이를 통해 우리는 원하는 유인우주탐사 임무를 경제적으로 효율적으로 달성할 수 있으며, 대한민국은 우주선진국 클럽에 가입하게 되어 국내외에 국격 향상의 효과를 얻을 수 있다.
