By THEO NICITOPOULOS, WIRED UK

이르면 2025년, 미국 항공우주국(NASA) 소속 우주비행사가 달로 이동한다. 1970년대 이후 최초로 진행되는 인류의 달 표면 재방문 계획이자 인류 역사상 첫 번째 달의 남극 지역 탐험 계획이 될 것이다. 달의 남극에서 발견한 결과가 미래 달 탐사 과정을 바꿀 수도 있다.

우주비행사는 영원히 햇빛이 들어오지 않는 남극의 깊은 분화구 내부를 조사할 예정이다. 영원히 그림자가 존재하는 지대이자 물을 가두어 둔 채로 지하에 얼음을 생성할 정도로 온도가 매우 낮은 영역이다. 달의 남극 표면 아래에 생성된 얼음은 식수와 연료 공급원으로 활용할 수 있다. 더불어 미래에 달 탐사에 나서는 우주비행사가 달 표면에 장기간 점유하는 데 도움이 될 수 있다.

하지만 NASA는 2025년 유인 달 탐사에 앞서 달의 표면 아래 물이 있는 곳으로 추측하는 곳으로 이동 가능한 경로를 포함한 착륙 지점을 선택해야 한다. NASA는 이미 고해상도 달 표면 모델을 활용해, 착륙 지점 목록을 작성한 계획을 준비했다. 이제 최적의 착륙 지점을 판단하는 데 도움이 될 새로운 도구가 있다. 어느 한 연구팀이 달 표면 3D 지도를 제작할 새로운 방법을 추가로 개발했다. 연구팀이 새로 제시한 방법은 달 탐사 인력과 탐사선이 달에서 접하게 될 실제 지형을 더 정확하게 그려낼 수 있다.

연구팀의 방식은 약 50년 전 사용한 기법을 바탕으로 한다. 바로 분화구 고도 변화나 경사 각도와 같은 변화를 비롯한 달 표면의 지형을 드러내는 방법이다.

코펜하겐대학교 닐스 보어 연구소(Niels Bohr Institute) 소속 지구 물리학자이자 신규 지도 제작 기법을 설명한 논문의 제1 저자인 이리스 페르난데스(Iris Fernandes) 박사는 “그림자를 볼 때, 자연스럽게 맨눈으로 물체의 모양과 형성 과정도 보게 된다”라고 말했다. 기본적으로 연구팀의 지형 모델 제작 기법과 같은 원리이다. 다만, 연구팀은 달 표면의 다중 그림자 이미지와 각각의 위성 이미지로 포착한 빛의 유입 각도 데이터, 고도 변화 데이터를 활용해, 사진 속 그림자의 3D 모델을 생성한다.

예를 들어, 다른 각도에서 햇빛이 달의 표면에 들어올 때, 분화구 그림자 사진을 촬영할 수 있다. 그리고 분화구 벽면이 생성한 그림자 각도를 계산한다.

과거, 연구팀이 제시한 그림자 기법을 사용할 때는 지형의 모습을 포함한 일부 조건을 가정해야 했다. 이후 그림자 기법으로 실제와 어느 정도 비슷한 고도 변화 모델을 생성한다. 정확한 각도 범위에 해당하는 그림자 이미지를 완성할 때까지 같은 과정을 반복한다. 페르난데스 박사는 “기존 그림자 기법의 시행착오는 달의 표면 지도를 완성하는 데 오랜 시간이 걸렸다”라고 언급했다.

페르난데스 박사는 동료인 클라우스 모스가드(Klaus Mosegaard) 박사와 햇빛 유입 각도와 지형의 형태와 관련된 방정식을 풀면서 그림자 기법을 연구했다. 방정식으로 지형 모델을 생성한 사례는 이번이 처음이다. 결과적으로 지형 관련 조건을 가정할 필요가 없는 상태에서 한 번에 고해상도 지형 지도를 생성할 수 있는 새로운 기법이 탄생했다. 물론, 기존 기법보다 지도 생성 속도가 빠르다. 여러 지역에서 지형 모델을 생성할 때 큰 도움이 될 수 있는 기법이다.
 
연구팀은 달의 뒷면인 ‘지혜의 바다(Mare Ingenii)’ 중심 지점에서 그림자 기법을 실험했다. 연구팀은 알고리즘에 달의 궤도를 꾸준히 돌면서 정보를 수집하는 위성인 NASA 달 정찰 궤도선(LRO)으로 촬영한 사진을 포함한 여러 사진으로 확인한 빛의 유입 각도 데이터를 입력했다. LRO에 장착된 고도계로 수집한 고도 데이터도 알고리즘에 입력했다. 그 결과, 달의 그림자 사진과 일치하는 고해상도 지형 모델을 매우 정확하게 생성한 동시에 고도 사진 해상도가 훨씬 더 개선되었다. LRO의 레이저 고도계로 수집한 고도 데이터 해상도는 픽셀당 60m이다. 반면, 연구팀의 그림자 기법으로 최종 생성한 지형 이미지의 해상도는 초당 0.9m이다. 지름이 3m 수준으로 매우 작은 분화구까지 식별할 수 있는 수준이다. 연구팀의 그림자 기법 개발 과정에 참여하지 않은 NASA 고더드 우주비행센터(Goddard Space Flight Center) 소속 행성 지질학자인 노아 페트로(Noah Petro) 박사는 “달의 지형을 이해하는 데 다른 접근방식을 택해, 인간과 로봇 탐사선 준비에 도움이 될 수 있다”라고 전했다.

LRO는 2009년부터 달의 궤도를 돌면서 데이터를 수집했다. LRO로 확보한 데이터는 달의 표면 98%를 담은 디지털 지형 모델 생성 작업에 활용했다. 바로 연구팀이 새로 제시한 그림자 기법에 사용한 데이터를 포함한 모든 고해상도 지형 모델의 기본 지도이다. LRO 데이터를 활용해 제작한 고해상도 지도 모두 달 표면 탐사 계획의 기반이 되었다. 달 착륙 지점으로 지형이 평탄하면서 바위가 없는 지점을 선택해야 한다. 경사가 완만한 분화구가 출발 지점과 도착 지점으로 이상이며, 탐사선은 해당 경로를 따라 이동할 수 있다.

고해상도 달 표면 지도로 빛의 조건 모델도 생성할 수 있다. 콜로라도대학교 볼더 산하 대기 및 우주 물리학 연구소 소속 행성 과학자 폴 헤인(Paul Hayne) 박사는 그림자와 햇빛이 생성되는 시간과 지점 예측은 추후 달 탐사 계획에 중요하다고 말한다. 장비와 탐사선을 충전하기 위해 착륙 후보 지점은 적어도 낮에 태양 방사선을 받을 수 있어야 한다. 햇빛이 들어오는 영역이 분화구 바로 옆이라면, 도움이 될 것이다. 그림자 영역까지 이동하는 데 시간이 걸릴 수 있기 때문이다. 다시 말해, 분화구에서 이동하는 즉시 탐사선을 충전해야 할 수도 있다는 의미이다.

지형 정보를 더 자세히 이해한다면, NASA가 얼음이 있는 영역을 찾고자 살펴볼 그림자 영역을 판단하는 데 도움이 될 수도 있다. 예를 들어, 분화구 벽면의 경사를 이용해 분화구 형성 시기와 그림자와 기온이 얼음을 생성할 만한 조건에 해당하는가 파악할 심층 정보를 생성할 수 있다. 헤인 박사는 “종종 정확도가 높은 지형 모델을 시간에 따른 시간에 따른 스냅샷으로 변경해, 얼음을 오랫동안 안정적으로 보관할 만한 영역을 찾아야 할 때도 있다”라고 설명했다.

달 탐사 계획과 관련된 모든 상황에서 새로 개발한 그림자 기법이 내비게이션을 다룰 때도 유용하게 활용할 수 있다. 탐사선은 정확하게 계산한 경로를 따라 이동할 수 있어야 한다. 탐사선에 탑재된 모션 감지 기기는 탐사선의 경로 이동을 도울 수 있으나 센서와 계산 오류가 발생하면 먼 거리를 추가해, 경로를 이탈하게 될 수 있다. 독일 항공우주센터 로봇 및 메카트로닉스 연구소 소속 로봇 과학자 마틴 슈스터(Martin Schuster) 박사는 오류를 개선할 방법 중 하나로 탐사선이 내장된 카메라를 활용해 고해상도 지형 모델을 직접 생성하는 방법을 제시했다. 이미 알려진 특성과 비교하여 탐사선이 직접 위치를 파악한 뒤 적합하게 경로를 변경하면서 경로 이탈을 방지할 수 있다. 슈스터 박사는 “즉석 지형 모델을 그림자 기법으로 새로 생성한 모델과 같이 외부에서 완성한 고해상도 모델과 비교하는 방식으로 탐사선 위치를 파악할 수 있다”라고 언급했다. 다만, 정확한 지형 지도의 해상도가 너무 낮다면, 탐사선이 정확히 계산한 이동 경로를 따르기 더 어려워질 수도 있다.

달과 지구의 거리는 약 25만 마일이다. 지구에서 달까지 이동하기 어렵다. 게다가 우주비행사가 달 표면에서 예상치 못한 문제를 겪게 된다면, 지구에서 보낸 통신에 응답할 능력이 제한된다. 우주비행사와 탐사선이 달에서 직면하게 될 지형 특성을 예측하는 것이 매우 중요한 까닭이다. 또한, 인간의 목숨을 구하는 데 큰 도움이 될 수도 있다. 가장 훌륭하면서 정확한 달 표면 지도 제작 방식을 찾는 일은 달 탐사 준비에 통합된 부분이다. 페트로 박사는 “확보할 수 있는 모든 데이터를 활용해, 탐사하고자 하는 지역의 모든 정보를 파악하는 것을 원한다”라고 말했다.

** 위 기사는 와이어드UK(WIRED.co.uk)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
A Clever Way to Map the Moon’s Surface—Using Shadows