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꿈의 우주복

화성을 비롯한 먼 우주로 유인탐사를 떠나려면 엄청난 장벽들을 극복해야 한다. 가장 먼저 목적지까지 왕복이 가능한 경제적인 추진시스템과 1년 이상의 우주 체류기간 동안 승무원들을 치명적 우주방사선으로부터 보호해 줄 우주선의 개발이 필수다.

이들은 1년 혹은 10년 내에 완성할 수 있는 기술이 아니지만 언젠가 개발에 성공했을 때 소행성의 거친 표면과 화성의 막강한 먼지폭풍 등 다양한 외계 환경을 견뎌낼 우주복이 없다면 무용지물에 불과하다.

이를 위해선 무엇보다 새로운 능력을 지닌 신소재를 풍부하게 확보하고 있어야 한다. 만일 이들 후보군 중에서 최적의 소재를 선별해 전도성 나노와이어나 전기활성 폴리머를 만들고, 이를 우주복 내에 삽입하면 우주비행사들이 움직일 때 팔다리가 접혀지는 압력으로 추가적인 전력을 얻을 수 있다. 이 전력은 헬멧의 바이저를 총천연색 헤드업디스플레이(HUD)로 활용할 동력원으로 쓸 수 있으며 음성인식을 통해 HUD에 현지 지도와 이동경로를 표시해줄 내비게이션시스템을 운용할 수도 있다.

또한 우주복 외피에 바이오센서를 내장하면 센서가 획득한 데이터를 활용, 이동속도와 이동경로 설정에 있어 에너지와 산소 소비를 최소화할 수 있는 방안을 찾을 수도 있다.

MCP 역시 그에 적합한 신소재를 갖고 있는지에 따라 개발시기가 달라진다. 그리고 현 상황을 감안할 때 우주복 전체의 MCP 구현은 어렵다고 보는 연구자들조차 장갑 등 일부 구성품에서는 오래지 않아 MCP 방식이 접목될 것으로 내다본다.

소재만 있다면 목적지에 맞춰 우주복의 구성품을 교체할 수도 있다. 일례로 소행성을 탐사한다면 발바닥 부위에 도마뱀붙이의 발을 모방한 건식 접착제를 바른 우주복을 쓰는 것이다. 그러면 자전 속도가 빠른 미세중력 천체를 포함, 거의 모든 표면에서 미끄러지거나 발이 떨어져서 우주미아가 될 염려 없이 탐사를 수행할 수 있다.

반면 탐사지가 화성일 경우 단열성과 체온유지에 최적화된 우주복을 입으면 된다. 화성은 영상 20℃에서 영하 140℃를 오가는 기온이 탐사의 최대 적이기 때문이다. NASA의 Z-1 우주복 개발에 참여했던 에이미 로스 박사도 "화성은 계절이 있는 만큼 우주복도 얇은 봄용과 두터운 겨울용을 개발할 필요가 있다"고 밝혔다.

이와 관련해 뉴먼 박사는 바이오슈트에 덧입을 수 있는 우주 코트를 염두에 두고 있다. 내부에 가스를 충전한 에어로젤은 단열 능력이 탁월해 이것으로 원단을 만들면 화성에서 겪을 최악의 추위도 견딜 수 있다는 게 그녀의 판단이다.

한편 ILC 도버는 스스로 청결을 유지하는 연잎에서 영감을 얻어 탐사 로버와 차량, 거주구역의 오염을 막을 코팅재를 개발하고 있으며 파이널 프런티어는 방사능을 차단할 가볍고도 유연한 차폐재를 나노구조, 또는 분말형 혼합 소재로 만들 생각이다.

사실 방사능은 미래의 우주복이 반드시 극복해야할 강적 중 강적이다. 현 EMU는 방사능 방호 능력이 취약해 NASA가 우주비행사의 우주유영 횟수를 제한하고 있다. 이렇듯 우주복은 눈에 보이지 않는 섬세하고 복잡한 과학기술력의 결정체다. 그 자체만으로도 놀라운 존재지만 우주복에 적용된 각각의 소재들, 그리고 각 소재들의 상호작용에 의해 복잡함은 수십~수백배 배가된다.

미래의 우주복, 아니 우주복의 미래를 결정지을 요체가 바로 여기에 있다. 아폴로 프로젝트 시절의 우주복을 단순히 강화시키는 수준을 넘어 다양한 분야의 연구결과를 융합해 지상 최강, 최고의 작품을 탄생시켜야 한다는 말이다.

같은 맥락에서 유인 우주탐사의 미래는 소재공학자들이 얼마나 많은 소재를 개발하는지에 달려 있다고 해도 실언은 아니다. 개발된 소재 중 일부는 우주에 나가보지도 못하겠지만 그들로 인해 인류는 몇 차례의 상징적인 탐사에서 벗어나 수억㎞ 밖의 외계 천체에 발자욱을 남길 수 있을 것이다.



여압 (pressurization) 우주, 외계행성 등 지구보다 기압이 낮은 곳에서 압력을 높여 지표면과 유사한 기압 상태를 구현하는 것.



맞춤복
미래의 우주복은 가스 여압 방식 대신 형상 기억 합금을 활용한 기계식 역압 시스템(MCP)이 채용될 것이다. 니티놀(nitinol)이라는 니켈-티타늄 합금으로 만든 미국 미데테크놀로지의 형상기억섬유가 그 후보의 하나다. 이 섬유로 제작된 우주복은 열을 가하면 우주비행사의 몸에 꼭 맞도록 모양이 변화돼 활동성을 배가할 수 있다.

완벽 밀착
어깻죽지, 옆구리 등 인체의 오목한 부위를 제대로 압박해 여압하려면 금속 이외의 형상기억 소재가 필요하다. 미국 뉴욕에 위치한 시러큐스 바이오머티리얼즈가 여기에 활용 가능한 원천기술을 개발 중이다. 전기가 가해지면 열을 생성하는 탄소나노섬유를 이용, 사전에 설정된 모양으로 팽창하는 발포재가 그것이다.

보호 외피
MCP가 오작동하면 주요 장기가 손상될 수 있기 때문에 완전 여압식 외피로 이를 방지한다. 이 외피는 우주비행사의 움직임을 방해하지 않으면서 신체를 완벽 방호하는데 단단한 소재와 유연한 소재의 연결부위가 편안하고, 중량을 최소화할 수 있도록 착용자의 몸에 맞춰 3D 프린터로 인쇄된다.

체온 유지
95%가 공기인 실리카 에어로젤은 외부의 극심한 온도변화에서 우주비행사를 지켜줄 막강 단열성을 지닌다. 이와 관련 미국 애크런대학 연구팀이 실리카 나노 뼈대를 유연한 폴리머로 코팅해 내구성과 유연성을 높인 에어로젤을 개발했다. 공기에 수소를 넣어 방사능 차단 효과도 발휘한다.

스파이더맨
미국 매사추세츠대학 팀이 개발한 건식접착제가 발바닥, 손바닥 등에 발라져 있어 이동 중 미끄러지거나 손에 들고 있던 공구를 놓칠 염려가 적다. 이 접착제는 도마뱀붙이의 발을 모방, 탄소섬유와 케블라 섬유가 엮여져 있어 접착력이 타의 추종을 불허하면서도 언제든 손쉽게 떼어낼 수 있다.

증강현실 헬멧 바이저
헬멧의 바이저 소재로 기존의 플라스틱 대신 ALON이라는 투명 세라믹이 채용될 전망이다. 방탄유리보다 얇지만 강도는 3배나 높다. 여기에 F-16 전투기에 장착된 루머스옵티컬의 헤드업디스플레이(HUD)도 탑재된다. 이 HUD는 광학 프리즘을 이용, 총천연색 증강현실을 구현할 수 있다.

냉각시스템 발전소
현 우주복은 90m 길이의 튜브 내에 물을 순환시켜 체온을 식힌다. 미국 퍼듀대학 연구팀은 튜브의 단열능력을 극대화하며 전기에너지까지 얻을 수 있는 기술을 개발했다. 열을 흡수해 전기를 생산하는 열전기 나노결정을 유리섬유나 폴리머에 코팅해
단열재로 사용하는 방식이다.

자가 치료
지금까지는 우주복과 장갑이 찢어지는 걸 막으려면 더 강한 소재로 감싸는 방법이 유일했다. ILC 도버는 그런 불편함이 없는 폴리머 소재를 개발 중이다. 이 폴리머는 특수 화학물질을 넣은 마이크로캡슐로 제작, 우주복이 찢어져 캡슐이 터지면 화학물질이 유출되면서 찢긴 부위를 메운다.

인공 중력 헬스클럽
오랫동안 저중력 상태에 노출되면 골밀도 저하와 근육 위축 등이 야기된다. 때문에 우주비행사는 매일 1.5시간씩 운동을 해야 한다. 드래이퍼 랩은 최근 우주복을 입고도 운동을 할 수 있는 기기를 개발했다. 소형 자이로스코프로 이뤄진 이 기기를 팔과 다리에 붙이면 지구 중력과 유사한 저항을 생성한다. 운동효과에 더해 방향감각 상실도 막을 수 있다.

예비 전력
생명유지 시스템에 전원을 공급하는 배터리는 반복적 재충전이 불가피하다. 미국 미시간공대 팀이 개발한 산화아연 나노와이어는 압력을 전력으로 변환하는데 이를 우주복의 무릎과 팔꿈치에 삽입하면 움직일 때마다 귀중한 전력을 공짜로 확보할 수 있다.

SF 영화 속 우주복의 허와 실 영화 속 우주복은 얼마나 현실적일까? 실제 우주복 설계사들이 말하는 진실은 이렇다. 2001: 스페이스 오딧세이 (1968년) 오비털 아웃피터즈의 수석설계사인 크리스 길먼에 의하면 이 영화에 등장하는 주름진 우주복은 상상의 산물이 아니다. 제2차 세계대전 당시 미 공군의 실험용 여압복 'XH-5'를 변형한 것으로, 벌레를 닮은 모습 때문에 토마토 벌레 우주복이라 불렸다고 한다. 미션 투 마스 (2000년) 일반인들의 눈에 익숙한 거추장스럽고, 육중하며, 기체 여압식 우주복이다. 하지만 길먼에게는 아니다. "리얼리즘을 지향한 것 같기는 합니다. 그런데 등뒤에 붙어있는 작은 스위치와 램프는 도대체 뭘까요? 누가 조작하고, 누굴 보라고 만든 걸까요?" 프로메테우스 (2012년) MIT의 다바 뉴먼 박사는 이 우주복이 자신의 아이디어를 차용했다며 현실과 동떨어진 부분이 많다고 지적했다. "일례로 공기가 있는 외계행성이라도 헬멧을 벗기 전에 우주복 내부 기압을 외부와 맞춰야 해요. 여기에는 시간이 걸리죠. 그냥 벗으면 큰일나요."