화성 샘플 반송 임무

Mars sample-return mission
화성 샘플 리턴 – 아티스트 컨셉

화성 샘플 반송(MSR) 임무는 화성에서 암석과 먼지 샘플을 채취하여 지구로 반송하는 제안된 임무입니다.[1]이러한 임무는 탑재된 센서가 허용하는 것보다 더 광범위한 분석을 가능하게 할 것입니다.[2]

가장 최근의 개념은 NASA-ESA 제안, CNSA 제안, Tianwen-3, Roscosmos 제안, Mars-Grunt, JAXA 제안, MMX(Martian Moons eExploration)입니다.비록 NASA와 ESA의 샘플을 지구로 돌려보내는 계획은 2023년 현재 여전히 설계 단계에 있지만, 퍼서비어런스 탐사선에 의해 샘플이 화성에서 수집되었습니다.[3]

반환된 화성 표본으로부터 지구 생물권의 교차 오염 위험이 제기되었지만, 이러한 발생의 위험은 극히 낮은 것으로 간주됩니다.[4]

과학적 가치

비엔나 자연사 박물관의 화성 운석

일단 지구로 돌아오면, 저장된 샘플들은 이용 가능한 가장 정교한 과학 기구들로 연구될 수 있습니다.워싱턴에 있는 나사 본부의 과학 부국장 토마스 주르부헨은 이러한 연구가 많은 분야에서 몇 가지 새로운 발견을 가능하게 할 것으로 기대하고 있습니다.[5]샘플은 앞으로 아직 존재하지 않는 기기에 의해 다시 분석될 수 있습니다.[6]

2006년에 화성탐사프로그램 분석 그룹은 화성탐사와 관련된 55개의 중요한 조사를 확인했습니다.2008년, 그들은 조사의 약 절반이 "MSR에 의해 어느 정도 해결될 수 있다"는 결론을 내렸고, MSR을 "전체 목록을 향해 가장 큰 진전을 이루는 단일 임무"로 만들었습니다.게다가 반환된 샘플 없이는 상당 부분의 조사가 의미 있게 진전될 수 없는 것으로 알려졌습니다.[7]

화성 샘플의 한 원천은 화성에서 분출된 암석으로 지구에 도착한 화성 운석으로 생각되는 것입니다.2023년 8월 기준으로 알려진 79,000개 이상의 운석 중 356개의 운석이 화성으로 확인되었습니다.[8]이 운석들은 화성에서 온 것으로 추정되는데, 그 이유는 그들의 원소와 동위 원소의 구성 성분이 화성에서 분석된 암석과 대기 가스와 비슷하기 때문입니다.[9]

역사

화성 샘플 반송 미션의 아티스트 컨셉, 1993
참고 항목: NASA-ESA 화성 샘플 반환 § 역사

1990년 이전

아폴로가 아직 개발 중이고 사람들이 화성 상승을 위해 탑승할 것이라는 기대와 함께 화성을 비행한 최초의 우주선이 아직 발사되지 않았을 때, 화성에서 돌아오는 것은 기술 문헌에 등장했습니다.[10]당시 화성 대기의 밀도는 알려지지 않았기 때문에 록히드사의 공학자는 15톤 발사체가 랑데부 궤도에 도달하기 위한 다양한 공기역학적 항력 조건에 대한 궤도 옵션 분석을 보고했습니다.

NASA에서는 1970년대 초 바이킹 화성 착륙선이 개발 중이던 시기에 화성에서 돌아오는 샘플을 랭글리 연구소와 제트 추진 연구소가 공동으로 연구했습니다. 랭글리의 한 저자는 "화성 표면 대 궤도 발사체"는 질량이 "서브(sub)"를 가질 것이기 때문에 고성능이 필요할 것이라고 언급했습니다.초기 임무 단계, 화성으로의 운반 및 화성에서의 발사 준비를 위해 "질량과 시스템 요구사항에 상당한 영향을 끼친다".[11]

적어도 30년 동안, 과학자들은 화성에서 지질학적인 표본의 반환을 주장해왔습니다.[12]초기 개념 중 하나는 화성 탐사를 위한 샘플 수집(Sample Collection for Investigation of Mars, SCM) 제안이었는데, 이 제안은 착륙이나 궤도를 돌지 않고 먼지와 공기 샘플을 수집하기 위해 화성의 상층 대기를 통과하는 방목 통로에 우주선을 보내는 것을 포함했습니다.[13]

소련은 1975년 화성 샘플 반송 임무인 화성 5NM을 검토했지만 발사할 N1 로켓의 거듭된 실패로 무산됐습니다.1979년에 계획되었던 화성 5M (Mars-79)은 복잡성과 기술적인 문제로 인해 취소되었습니다.[14]

1980년대 중반, JPL 임무 계획자들은 MSR이 "90년대에 예산과 다른 압력에 의해 추진되었고, 왕복 여행은 "큰 추진 요구 사항을 부과할 것"이라고 언급했습니다.[15]그들은 지구 귀환을 위한 화성 궤도선과 400kg의 탐사선과 2미터톤 이상의 질량을 가진 "화성 귀환 차량"을 포함하여 9.5미터톤의 페이로드를 지구에서 발사하는 개념에 대한 개념적인 대량 예산을 제시했습니다.20kg의 샘플 캐니스터는 화성의 모든 지역에서 채취한 과학적 품질의 코어를 포함한 5kg의 샘플을 담고 있습니다.

1980년대 후반, 다수의 NASA 센터가 제안된 화성 탐사선 샘플 반송 임무(MRSR)에 참여했습니다.[16][17]JPL 저자들이 설명한 바와 같이, MRSR을 위한 한 가지 옵션은 화성 궤도선과 지구 귀환 차량, 700kg 로버, 그리고 상당한 질량 절약을 위해 펌프 공급 액체 추진력을 사용하는 2.7톤 화성 상승 차량(MAV)을 포함한 12톤 패키지의 단일 발사에 의존했습니다.[18]MAV의 20kg 샘플 패키지에는 화성 토양 5kg이 들어 있었습니다.존슨 우주 센터의 저자는 그 후 1998년에 펌프로 공급된 1단과 압력으로 공급된 2단을 포함하여 1400~1500 kg 범위의 MAV 질량을 가진 발사를 언급했습니다.[19]

1990년 이후

1993년 9월 화성 관찰자의 실패 이후 형성된 미국의 화성 탐사 프로그램은 화성 샘플 반환을 지원했습니다.[20]하나의 아키텍처는 2000년대 초반에 글렌 J. 맥퍼슨에 의해 제안되었습니다.[2]

1996년, 화성 운석 ALH84001에서 명백한 미세 화석이 발견되었을 때 화성에 생명체가 존재할 가능성이 제기되었습니다.이 가설은 결국 기각되었지만, 화성 표본 반환에 대한 새로운 관심으로 이어졌습니다.[21]

1990년대 중반, NASA는 JPL과 록히드 마틴에 자금을 지원하여 100kg MAV를 사용하여 500g의 화성 샘플을 반환하고 랑데부를 위해 작은 화성 궤도선을 만나 지구로 돌아오는 개념을 포함한 저렴한 소규모 MSR 미션 아키텍처를 연구했습니다.[22]인간 화성 탐사를 오랫동안 옹호해온 로버트 주브린은 1996년에 MSR에 대한 가장 좋은 접근법은 화성 궤도에서의 랑데부는 너무 위험할 것이고 직접 귀환하는 MAV는 500 kg의 질량을 가질 것이라고 추정했기 때문에, MSR에 대한 가장 좋은 접근법은 화성에서 만들어진 추진제를 사용하여 지구로 직접 발사하는 것이라고 결론지었습니다.지구에서 연료를 충분히 공급한다면 화성에 저렴하게 보내기에는 너무 무거울 것입니다.[23]국제 피어 검토자가 동의했습니다.[24]1997년에.기존의 소형 로켓 기술(고체 추진제와 액체 추진제 모두)을 정밀 분석한 결과, 기존에 알려진 추진 부품들이 수백 kg 정도의 경량화된 MAV를 제작하기에는 너무 무거울 것으로 나타났으며, "소규모의 새로운 하드웨어 개발에 발사체 설계 원리의 적용"이 제안되었습니다.[25]

1998년에 JPL은 2005년에 MSR 임무를 위해 고안된 화성 발사에서 600 킬로그램 이하의 압력 공급 액체 2중 추진체 MAV의 설계를 제시했습니다.[26]동일한 JPL 저자는 펌프 공급 추진력을 사용하여 경량 저압 액체 추진제 탱크와 소형 고압 추력 챔버를 허용함으로써 소형화하고자 하는 단일 스테이지 200kg MAV를 공동 연구했습니다.[27]펌프 공급 작동의 이러한 대량 장점은 단일 추진제를 사용하여 화성 궤도에 도달하는 것과 일치하는 대량 예산을 가진 개념적인 100kg MAV에 적용되었으며, 부분적으로 단일 탱크의 단순성에 의해 가능하며, 일반적으로 단일 추진제로 수행되는 화성 착륙에도 적용됩니다.[28]고압 추진기와 펌프는 1994년 실험용 21kg 로켓의 비행에서 입증된 바 있습니다.[29]

1999년 말 현재, MSR 임무는 2003년과 2005년에 지구에서 발사될 것으로 예상되고 있습니다.[30]각각 탐사선과 화성 탐사선을 운반하기로 되어 있었고, 2005년에는 지구 귀환 기능을 갖춘 프랑스 화성 궤도선이 포함될 예정이었습니다.당시 140kg의 MAV는 "산업체와 계약하는 과정에서" 1단에 원격 측정 장치와 단순화된 경량 상부 단이 분리되기 전에 300RPM으로 차량을 회전시킬 추력 장치를 포함할 예정이었습니다.각각의 MAV 위에는 지름 3.6kg, 지름 16cm의 구형 탑재체가 500g의 샘플을 포함하고 있으며 지구 귀환 궤도선과의 만남을 용이하게 하기 위해 수명이 긴 비콘을 작동시키는 태양 전지를 가지고 있습니다.궤도선은 두 MAV가 전달한 샘플 컨테이너를 포착하여 별도의 지구 진입 차량에 배치합니다.NASA의 화성 탐사 프로그램이 2008년까지 샘플을 반환할 것으로 간주한 이 미션 컨셉은 프로그램 검토 후 취소되었습니다.[31][32]

2006년 중반, 국제 화성 탐사 작업 그룹(IMEWG)은 2018-2023년 기간 동안 국제적으로 후원되고 실행된 화성 표본 반환 임무의 과학적, 공학적 요구 사항을 설명하기 위해 국제 화성 탐사 작업 그룹(IMEWG)에 의해 승인되었습니다.[7]

2009년 10월, NASA와 ESA는 "2020년대에 화성에서 샘플을 반환하는 것"을 궁극적인 목표로 하는 ExoMars 프로그램을 진행하기 위해 화성 탐사 공동 이니셔티브를 설립했습니다.[33][34]ExoMars의 첫 번째 미션은 2020-2022년 기간에 샘플을 반환하는 불특정 미션과 함께 2018년에 시작될 계획이었습니다.[36]캐싱 탐사선 MAX-C는 2011년에 취소되었고, 이후 NASA는 예산 제한으로 인해 ExoMars에서 철수하여 임무를 종료했습니다.[37]과학계에 있어서 이번 철수는 "외상적인" 것으로 묘사되었습니다.[37]

2011년 초, 2013-2022년 동안의 임무 계획 우선순위를 제시한 미국 국립 연구 위원회의 행성 과학 10년 조사(Planetary Science Decadal Survey)는 MSR 캠페인을 가장 우선적인 플래그십 임무로 선언했습니다.[38]특히, 그것은 제안된 화성 천체생물학 탐사기-캐처(MAX-C) 임무를 "망원경"( 덜 야심적인) 형태로 승인했습니다.이 계획은 2011년 4월에 공식적으로 취소되었습니다.

화성 2020 퍼서비어런스 탐사선의 핵심 임무 요건은 MSR을 준비하는 데 도움이 된다는 것이었습니다.[39][40][41]탐사선은 2021년 2월 18일 샘플을 수집하고 나중에 회수할 수 있도록 43개의 원통형 튜브에 저장하기 위해 제로 크레이터에 착륙했습니다.

검체 튜브 중 하나의 이미지.그것의 외모는 스타워즈 영화에 나오는 광선검과 비슷한 점이 있는 것으로 알려졌습니다.[42]

2020년 화성 탐사

주요 기사: NASA-ESA 화성 샘플 리턴 미션, Mars 2020, Perceance (로버), 그리고 Mars 2020의 타임라인
퍼서비어런스 로버

2021년 2월 화성 2020 탐사선 퍼서비어런스는 제로 분화구에 착륙했습니다.여러 개의 샘플을 수집했으며, MSR 캠페인에서 나중에 반환할 수 있도록 실린더에 포장하여 계속해서 샘플을 수집할 예정입니다.제로는 지상 샘플링에 적합한 고대 호수 바닥인 것으로 보입니다.[43][44][45]또한 잠재적인 임무 수명을 고려하여 샘플 반송 랜더에 샘플을 직접 반송하는 임무도 부여됩니다.

3개의 포크에 있는 마스 샘플 디포
NASA-ESA 화성 샘플 리턴을 지원하기 위해 암석, 암석(화성 토양), 대기 샘플이 퍼서비어런스에 의해 캐싱되고 있습니다.현재 43개 시료관 중 화성암 시료관 8개, 퇴적암 시료관 11개,[46] 레골리스 시료관 2개, 대기 시료관 1개,[47] 증인관 3개 등 18개가 캐싱됐습니다.[48]발사 전 43개의 튜브 중 5개는 "목격자 튜브"로 지정되었고 화성 주변 환경의 미립자를 포획할 수 있는 물질로 채워졌습니다.43개의 튜브 중 3개의 증인 샘플 튜브는 지구로 반환되지 않고 샘플 캐니스터에 30개의 튜브 슬롯만 있기 때문에 로버에 남아 있게 됩니다.이와 함께 43개의 튜브 중 10개는 백업용 Three Forks 샘플 디포에 남아있습니다.[49]

2022년 12월 21일부터 퍼서비어런스는 수집한 샘플 중 10개를 백업 저장소인 Three Forks에 보관하는 캠페인을 시작하여 퍼서비어런스가 문제에 직면할 경우 MSR 캠페인이 성공할 수 있도록 보장했습니다.

제안.

나사-ESA

주요 기사: NASA-ESA 화성 샘플 귀환 임무
화성시료 반환 프로그램[50]
(미술작품; 2022년 7월 27일)
화성 암석 샘플 지구로 가져오기 위한 화성 샘플 반환 캠페인

NASA-ESA 플래그십 플랜은[51] 2020년에 발사되어 현재 운용 중인 샘플 채취 미션(Perserance), 2026년 또는 2028년에 발사된 샘플 회수 미션(샘플 회수 랜더 + 화성 상승 차량 + 샘플 이송 암 + 2대의 Ingenuity급 헬리콥터), 3가지 미션을 이용하여 샘플을 반송하는 것입니다.그리고 2026년에 귀환 임무(Earth Return Orbiter)를 수행할 것입니다.[52][53][54]이 임무는 화성이 한때 생명체를 품고 있었는지에 대한 의문을 해결하기를 희망합니다.

NASA와 ESA의 제안은 여전히 설계 단계에 있으며 2023년 8월 현재 상당한 비용 초과에 직면해 있지만,[55][56] 현재 화성의 퍼서비어런스 탐사선이 샘플을 수집하는 첫 번째 다리를 실행하고 있으며 샘플 회수 착륙선(두 번째 다리)의 구성 요소는 지구에서 테스트 단계에 있습니다.[3][57][58]

중국

중국은 '톈원 3호'로 명명될 화성 샘플 귀환 임무 계획을 발표했습니다.[59]이 임무는 2028년 말에 발사될 예정이며, 착륙선과 상승 차량은 대장정 5호에, 궤도선과 귀환 모듈은 대장정 3B호에 각각 발사될 예정입니다.샘플들은 2031년 7월에 지구로 돌아올 것입니다.[60]

이전의 계획은 샘플 수집, 상승, 궤도 랑데부, 그리고 귀환 비행을 포함한 모든 임무 단계를 수행할 수 있는 거대한 우주선을 사용했을 것입니다.이를 위해서는 초강력 3월 9일 발사체가 필요했을 것입니다.[61][62][63]또 다른 계획은 Tianwen-1을 사용하여 샘플을 회수하기 위해 캐시하는 것입니다.[64]

프랑스.

프랑스는 수년간 샘플 반환을 위해 노력해 왔습니다.여기에는 반환된 샘플에 대한 외계 샘플 큐레이션 시설의 개념과 수많은 제안이 포함되었습니다.그들은 다른 나라들과의 공동 임무의 일환으로 샘플을 포획하고 반환하는 화성 샘플 반환 궤도선의 개발에 착수했습니다.[65]

일본

2015년 6월 9일, 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)는 포보스 또는 데이모스에서 샘플을 회수하는 MMX(Martian Moons Exploration)라는 계획을 발표했습니다.[66][67]포보스의 궤도는 화성에 더 가깝고 그 표면은 화성에서 분출된 입자들을 포착했을 수도 있습니다.[68]지구에서의 발사는 2024년 9월에 계획되어 있으며, 2029년에 지구로 돌아올 예정입니다.[69]일본은 국제적인 화성 샘플 반환 임무에 참여하는 것에도 관심을 보였습니다.

러시아

주요 기사:마스그룬트

러시아의 화성 샘플 반환 미션 컨셉은 Mars-Grunt입니다.[70][71][72][73][74]그것은 포보스 그룬트 디자인 유산을 채택했습니다.[71]2011년 계획에서는 궤도선과 착륙선이 있는 2단계 구조를 구상했습니다.[75] (그러나 회전 기능은 없음) 로봇 팔에 의해 착륙선 주변에서 샘플을 수집했습니다.[70][76]

등 오염

자세한 정보:외계 샘플 큐레이션 및 행성 보호
소행성 101955 베누에서 유타주 OSIRIS-REX 샘플 귀환 캡슐

화성에 생명체가 존재하는지는 아직 밝혀지지 않았습니다.따라서 MSR은 잠재적으로 생존 가능한 유기체를 지구로 이전하여 등 오염을 초래할 수 있습니다. 이는 지구 생물권에 외계 생명체를 도입하는 것입니다.과학적 합의는 발병이나 생태계 파괴를 통한 대규모 효과의 가능성이 작다는 것입니다.[7][77][78][79][80]반환된 샘플은 과학자들이 샘플이 안전하다고 판단할 때까지 잠재적으로 생물학적 위험성이 있는 것으로 취급됩니다.목표는 화성 입자의 방출 확률이 100만분의 1 이하라는 것입니다.[77]

제안된 NASA 화성 샘플 반환 임무는 NEPA(National Environmental Policy Act) 절차가 완료될 때까지 NASA의 승인을 받지 못할 것입니다.[81]또한 우주 조약 제7조 및 기타 법적 프레임워크에 따라 생물의 방출이 발생하면 방출국은 결과적인 손해에 대한 책임을 져야 합니다.[82]

샘플 반송 임무는 화성 환경과 샘플 컨테이너 외부와의 접촉을 막는 임무를 맡게 됩니다.[77][81]

낙하산 고장의 위험을 제거하기 위해, 현재 계획은 충격시 캡슐을 완충하기 위해 열 보호 시스템을 사용하는 것입니다.샘플 용기는 충격력을 견딜 수 있도록 설계됩니다.[81]반환된 샘플을 받기 위해 NASA는 맞춤형 바이오안전 레벨 4 격납 시설인 Mars Sample-Return Receiving facility(MSRRF)를 제안했습니다.[83]

다른 과학자들과 기술자들, 특히 화성 학회의 로버트 주브린은 우주론 저널에서 오염 위험은 기능적으로 제로이며 거의 걱정할 필요가 없다고 주장했습니다.그들은, 무엇보다도, 화성과 지구 사이에 운석 충돌을 통해 수조 킬로그램의 물질이 교환되었지만, 알려진 사건이 없었다는 점을 이유로 들고 있습니다.[84]

국제 화성 표본 반환 반대 위원회(ICAMSR)는 Barry DiGregorio가 이끄는 화성 표본 반환 반대 운동 단체입니다.ICAMSR은 생물학적 위험에 대한 낮은 가능성을 인정하지만, 제안된 봉쇄 조치는 안전하지 않다고 간주합니다.ICAMSR은 화성에 대한 더 많은 현장 연구와 시료를 지구로 가져오기 전에 국제 우주 정거장에서 예비적인 생물학적 위험 실험을 옹호합니다.[85][86]디그레고리오는 1976년 바이킹 착륙선의 미생물 생명체 발견에 관한 나사 은폐 음모론을 받아들입니다.[87][88]DiGregorio는 또한 일반적인 바이러스와 같은 몇몇 병원체들이 우주에서 기원하며 아마도 대규모 멸종과 전염병을 일으켰을 것이라는 견해를 지지합니다.[89][90]지상병과 외계 병원체를 연결하는 이러한 주장들은 과학계에 의해 거부되었습니다.[89]

참고 항목

참고문헌

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외부 링크