과학자들은 태양계에서 가장 큰 터널을 조사하기 위해 알약벌레에서 영감을 얻은 로봇을 보내고 싶어합니다. “롤리폴리 로봇”이라고 불리는 이 로봇은 화성 동굴 내부에 분산되어 범위를 매핑할 수천 개의 작은 민들레 모양의 드론을 운반할 것입니다. 이 아이디어는 로봇 공학이 자연이 이미 마스터한 솔루션을 복사해야 한다는 개념인 생체 모방 기술을 기반으로 기술을 개발하는 뉴멕시코 공과대학교 부교수인 모스타파 하사날리안(Mostafa Hassanalian)에게서 나왔습니다.
화성의 용암동굴은 거대합니다. 연구자들은 이미 미국 대륙 길이의 3배에 해당하는 길이가 1,200km가 넘는 터널 시스템을 확인했습니다. 이 터널 중 일부는 너비가 800피트 이상에 달하며 이는 지구상 캘리포니아 북동부의 화산 동굴보다 8배 더 큽니다. 그러나 터널 시스템이 클수록 현재 기술로 탐색하기가 더 어려워집니다.
화성 탐사선의 한계
큐리오시티(Curiosity)와 퍼시비어런스(Perseverance) 로버는 화성 탐사에 혁명을 일으켰지만 용암동굴 진입에 있어서는 한계에 도달했습니다. Hassanalian은 탐사선이 스쿨버스 크기이므로 많은 동굴 구멍에 들어갈 수 없다고 설명합니다. 화성의 대기는 또한 극도의 도전을 제시합니다. 바람은 시속 97km에 달할 수 있으며 수년에 걸쳐 탐사선의 조각이 찢어집니다.
기존의 탐사 시도는 극복할 수 없는 장애물에 직면합니다. 거대 탐사선은 좁은 터널 내부를 탐색할 수 없습니다. 기존 센서는 햇빛이 없는 환경에서는 작동하지 않습니다. 우주 공학에는 자연의 가장 큰 비밀인 미시적 규모의 가벼움과 효율성을 복사한 완전히 다른 접근 방식이 필요했습니다.
롤리폴리 로봇의 작동 원리
이 개념은 위협을 받을 때 공 모양으로 몸을 굽히는 알약벌레를 기반으로 한 로봇의 구현으로 시작됩니다. 이 롤리폴리 로봇은 낙하산을 장착하고 동굴 천장에 있는 구멍을 통해 발사됩니다. 동굴 바닥으로 내려오면 로봇은 내부에 있는 “민들레 드론”인 수천 개의 작은 생체모방 드론을 방출합니다.
민들레 드론은 화성의 강한 바람에 의해 추진되도록 설계되었습니다. 그들은 터널 내부를 수 마일 이동하면서 무선 신호를 통해 데이터를 전송하는 동시에 시스템의 전체 범위를 매핑합니다. 판독값에는 습도, 온도가 포함되며 결국 터널 네트워크의 전체 지도가 생성됩니다.
Hassanalian과 그의 팀은 천연 민들레 씨앗이 더 많은 햇빛을 반사하고 더 시원하고 가벼워지기 때문에 흰색이라는 것을 깨달았습니다. 드론은 더 멀리 여행할 수 있도록 흰색으로 칠해질 것입니다. Hassanalian 자신도 인식하고 있듯이 생체모방은 미세한 규모에서 가장 잘 작동합니다. 비행기가 날개를 펄럭이지 않는 것은 놀라운 일이 아닙니다.
아직 해결되지 않은 기술적 과제
가장 큰 과제 중 하나는 드론을 충전하기에 충분한 바람을 확보하는 것입니다. 인공 물체가 화성의 용암 동굴에 들어간 적이 없기 때문에 과학자들은 동굴 내부의 풍속이 얼마나 될지 정확히 알지 못합니다. 연구자들은 동굴 천장에 있는 구멍이 자연적으로 터널을 환기시켜 강한 바람을 발생시키는 것으로 믿고 있습니다. 예방 조치로 로봇에는 고출력 팬도 장착되어 있습니다.
또 다른 장애물은 햇빛이 부족하다는 것입니다. 우주선의 가장 일반적인 전력원인 태양전지판은 완전한 어둠 속에서는 작동하지 않습니다. Hassanalian은 기계적 변형을 통해 전하를 생성하는 유연한 폴리머에서 생성된 압전기로 드론이 작동하도록 설계하여 이 문제를 해결했습니다.
드론은 비행하면서 지속적으로 데이터를 전송해야 합니다. 무선 전송은 화성에서 작동하지만 이렇게 작은 장치에서는 충분한 전력이 필요합니다. 팀은 드론의 무게를 손상시키지 않으면서 통신 시스템을 최적화하기 위해 노력하고 있습니다.
화산 동굴 탐험을 위한 글로벌 경쟁
Hassanalian만이 이 개척지를 추구하는 유일한 과학자는 아닙니다. 말라가대학교 우주로봇연구소가 이끄는 유럽 연구자 그룹은 2023년 스페인 란사로테 섬에서 발견된 용암동굴에 대한 일련의 테스트를 시작했습니다. 이 테스트의 목표는 화성에 대한 향후 임무를 준비하기 위해 터널 시스템을 매핑하는 것입니다.
NASA는 공중탐사 능력도 시연했다. Ingenuity 헬리콥터는 화성 표면 상공을 72회 비행하여 외계 환경에서 드론의 잠재력을 입증했습니다. 그러나 Ingenuity는 야외 비행을 위해 설계되었으며 2024년 실패하기 전까지 용암 동굴을 탐험할 기회가 없었습니다.
NASA가 개발한 드론 계획은 화성의 타르시스(Tharsis) 지역에 있는 순상 화산인 아르시아 몬스(Arsia Mons)에 특별한 관심이 있음을 나타냅니다. 이 지역에는 에베레스트 산보다 거의 3배 더 높은 올림푸스 몬스를 포함하여 태양계에서 가장 큰 화산이 있습니다. Arsia Mons는 화산 지붕이 무너진 곳에 눈에 보이는 구멍이 있어 광대한 터널 시스템에 창문이 생기기 때문에 특히 유망합니다.
화성의 용암동굴이 중요한 이유
화산 구멍의 열 판독값에 따르면 터널 내부 온도는 표면만큼 크게 변하지 않는 것으로 나타났습니다. 이는 언젠가 인간이 이 동굴 안에서 살 수 있다는 희망을 불러일으킵니다. 화성에 서식하는 생명체가 이러한 보호된 환경에서 살아남았을 수도 있다는 추측도 있습니다.
타르시스(Tharsis) 지역만 해도 왜소행성 세레스(Ceres)만큼 크기입니다. 이 혹이 형성되었을 때 너무 많은 질량이 추가되어 화성은 약 20도 기울어진 것으로 생각됩니다. 정확한 이유에 대해서는 과학자들이 논쟁을 벌이고 있지만 이론에는 화성 역사 초기의 대규모 충돌이나 불안정한 맨틀 기둥이 포함됩니다.
NASA는 또한 토성의 가장 큰 달인 달 타이탄(Moon Titan)의 동굴 가능성을 조사하고 있으며 그 표면을 탐사하기 위해 존스 홉킨스의 “잠자리” 우주선을 선택했습니다. 화성의 유인 탐사는 2030년대 초까지 예상되지 않지만, 정찰 드론은 지구에서 인류의 장기적인 생존에 필수적일 수 있습니다.
연구의 다음 단계
Hassanalian 팀은 현재 설계 및 예비 테스트 단계에 있습니다. 엔지니어들은 민들레 드론의 분산 시스템을 개선하고, 배터리 수명을 최적화하며, 데이터 수집 센서를 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 지상 화산동굴에 대한 테스트는 계속해서 귀중한 데이터를 제공하고 있습니다.
이 임무의 시작을 위한 구체적인 일정은 아직 확립되지 않았습니다. 그러나 여러 우주 기관인 NASA, ESA(유럽 우주국) 및 연구 대학의 관심이 집중되면서 화성 용암동굴 탐사가 10년 이내에 이론적인 개념에서 실제 운영으로 전환될 것으로 나타났습니다.
민들레 드론은 우주 탐사의 패러다임 전환을 나타냅니다. 과학자들은 점점 더 크고 복잡한 기계를 출시하는 대신 자연에서 영감을 받은 더 작고 단순한 기계라는 반대 방향으로 움직이고 있습니다. 이 접근 방식은 용암 동굴 탐험의 실제 문제를 해결할 뿐만 아니라 태양계 전체의 적대적인 환경을 조사할 수 있는 가능성을 열어줍니다.