인류의 가장 오래된 질문에 답하기 위한 경쟁
중국은 지금까지 어느 나라도 이루지 못한 목표, 즉 화성의 물리적 시료를 지구로 가져오는 일을 실현하기 위한 입지를 다지고 있다. 2028년 두 차례 발사될 예정인 톈원 3호 임무는 2031년까지 화성 물질을 최소 500그램 가져오는 것을 목표로 한다. 성공하면 심우주 탐사의 역사적인 첫 성과를 거두는 동시에 과학의 가장 근본적인 질문 가운데 하나에 답할 가능성이 있다. 임무 총설계자인 류지중은 3월 중국 연례 정치 행사에서 핵심 기술의 돌파구를 마련했으며, 올해 비행 모델 개발 단계에 들어갈 예정이라고 발표했다. 이 일정대로라면 중국은 화성과 지구를 오가는 경쟁 국제 임무보다 먼저 목표를 달성할 가능성이 있으며, 그 의미는 국가적 위상을 훨씬 넘어선다.
목차
이번 임무는 수년간의 계획이 결실을 맺는 사업으로, 중국의 앞선 화성 탐사 성공을 바탕으로 한다. 2021년 톈원 1호 임무의 일환으로 주룽 탐사차가 화성에 착륙하면서 중국은 화성 표면에서 탐사차를 운용한 두 번째 국가가 됐다. 해당 임무는 지표 아래 토양과 자갈에 섞인 물얼음의 증거를 발견했고, 이 성과는 정밀한 실험실 분석을 위한 실물 시료 귀환에 대한 과학계의 관심을 높였다. 수백만 킬로미터 떨어진 지구에서 소형 장비를 싣고 탐사해야 하는 로봇 탐사선과 달리, 귀환 시료가 있다면 과학자들은 지상 실험실의 모든 역량을 활용해 미세 화석, 유기 화합물, 이웃 행성에 생명체가 존재했는지를 보여줄 수 있는 화학적 흔적을 찾을 수 있다.
이번 임무의 중요성은 과학적 호기심에만 그치지 않는다. 톈원 3호가 성공하면 생명체가 존재할 가능성이 있는 다른 행성에서 인류가 물질을 가져오는 첫 사례가 된다. 이는 중국을 행성 탐사의 선도국으로 자리매김하게 하고 국제 과학 협력의 새로운 기회를 열 수 있다. 류지중은 언론 발표에서 이번 사업을 매우 도전적이고 선구적인 주요 항공우주 프로젝트라고 설명했다.
톈원 3호 임무는 매우 도전적이고 혁신적이며 선도적인 주요 항공우주 프로젝트입니다. 인류 최초의 화성 시료 귀환을 실현해 우주과학, 우주기술, 우주 응용의 고품질 통합 발전을 크게 촉진할 것으로 기대됩니다.
전례 없는 임무를 위한 기술 설계
단일 발사에 의존했던 기존 화성 임무와 달리, 톈원 3호는 여러 우주선 사이의 정밀한 조율이 필요한 복잡한 2회 발사 구조를 채택한다. 창정 5호 운반로켓 두 기가 2028년 말 화성 발사 최적기에 발사되며, 각각 임무의 별도 구성 요소를 실어 나른다. 한 로켓에는 궤도선과 지구 귀환선이 결합된 탑재체가 실리고, 다른 로켓에는 상승선과 서비스 모듈을 갖춘 착륙선이 탑재된다. 이 같은 이중 발사 방식은 착륙 시스템과 귀환 시스템을 동시에 화성으로 보내는 데 필요한 막대한 에너지 문제를 해결하는 한편, 각 구성 요소가 맡은 임무에 필요한 연료를 충분히 싣도록 한다.
임무는 3년이 넘는 기간 동안 진행되며 13개의 단계로 이뤄진다. 7~8개월간의 행성 간 비행 후 착륙선은 과학적 가치와 공학적 제약을 고려해 선정한 북위 17~30도 사이의 지점에 착륙한다. 진입 과정에서 감속에 필요한 대기 밀도를 확보하려면 화성의 전 지구 평균 고도보다 최소 3킬로미터 낮은 곳에 착륙해야 한다. 착륙선은 표면에서 약 1년간 작동하며, 표면 채취, 심부 시추, 수백 미터 떨어진 지점에서 드론을 활용한 채취 등 여러 방법으로 시료를 수집한다.
상승 단계는 우주비행 역사상 가장 큰 기술적 난관 가운데 하나다. 시료를 채취해 밀봉한 뒤 상승선은 착륙선을 발사대로 삼아 화성 표면에서 이륙하고, 행성 표면에서 최초로 화성 궤도에 진입해야 한다. 궤도에 오른 상승선은 대기 중인 궤도선과 만나 도킹한 뒤 귀중한 화물을 넘겨주며, 이후 귀환선이 지구로 향하는 여정을 시작한다. 화성 궤도에서의 이 같은 랑데부는 한 번도 시도된 적이 없다. 통신 지연이 최대 20분에 달해 지상 관제팀이 실시간으로 안내할 수 없는 환경에서 정밀한 항법이 요구된다.
고대 생명체의 흔적을 찾아 시추
톈원 3호를 이끄는 주요 과학적 목표는 생명체가 한때 화성에 존재했음을 보여주는 물리적·화학적 지표인 생명흔적을 찾는 것이다. 앞선 임무들이 유기 분자와 고대 호수 바닥을 발견했지만, 지구의 첨단 실험실에서 시료를 분석할 수 있다면 과거 미생물 생명체의 확실한 증거를 찾을 가능성이 가장 크다. 이러한 가능성을 최대한 높이기 위해 임무 기획자들은 화성 표면 아래 2미터까지 시추하는 야심 찬 시료 채취 전략을 마련했다. 이는 지금까지 어떤 화성 임무도 시도하지 않은 깊이이며, 다른 프로그램이 계획한 얕은 표면 채취보다 훨씬 깊다.
이 깊이는 우주생물학 연구의 성공에 중요하다. 화성에는 전 지구적 자기장이 없고 대기도 희박해, 표면은 우주 방사선에 지속해서 노출되고 시간이 지나면서 유기 물질을 파괴하는 강한 산화성 화학물질의 영향도 받는다. 임무는 이 가혹한 표면층 아래를 시추해 수십억 년 동안 방사선으로부터 보호된 퇴적층에 도달하고자 한다. 그곳에는 화성에 액체 상태의 물과 더 짙은 대기가 있었던 시대의 유기 화합물이나 미세 화석이 보존돼 있을 가능성이 있다. 시추 장치는 화성의 혹독한 환경에서 시료의 온전성을 유지하면서 기반암 같은 장애물을 감지하고 피해야 한다.
착륙 지점 선정 과정에도 임무의 생물학적 초점이 반영돼 있다. 과학자들은 80곳이 넘는 후보지 가운데 잠재적 후보지 86곳을 추려냈으며, 이를 아마조니스 평원, 유토피아 평원, 크리세 평원에 집중된 최우선 후보지 19곳으로 좁혔다. 이 지역에는 고대 해안선, 삼각주 퇴적물, 점토 광물, 협곡 지형이 있다. 이런 지형은 생명체가 출현하고 보존됐을 수 있는 물이 풍부한 환경에서 형성된다. 연구팀은 2026년 말까지 과학적 가치와 공학적 안전성을 가장 잘 균형 잡은 최종 후보지 3곳을 선정할 예정이다. 선정 기준은 과거 물의 활동을 보여주는 함수 광물이 있는 지역을 우선하면서, 안전한 착륙을 위해 경사각 8도 미만, 암석 분포 비율 10% 미만이라는 엄격한 조건도 충족하도록 한다.
베이징, 국제 협력의 문을 열다
중국은 임무의 기술적 준비 상황에 자신감을 보이며 2025년 3월 11일 톈원 3호에 국제 협력을 허용한다고 발표했다. 공모를 통해 국제 파트너가 개발한 과학 장비에 지구 귀환 궤도선의 탑재 용량 15킬로그램과 화성 궤도선의 추가 탑재 용량 5킬로그램을 제공한다. 이는 역사상 가장 중요한 우주 임무 가운데 하나가 될 가능성이 있는 사업의 과학적 성과를 함께 만들어가려는 중대한 변화다. 제안서는 2025년 6월 30일까지 제출해야 하며, 최종 선정은 같은 해 10월로 예정돼 있다.
국제 연구팀은 톈원 3호 우주선의 지원이 필요한 동승 탑재체나 임무의 전반적인 과학 목표에 부합하는 독립 과학 장비를 제안할 수 있다. 선정된 파트너는 2028년 발사 전에 우주선에 통합할 수 있도록 2027년까지 비행 하드웨어를 납품해야 한다. 제안된 연구는 생명체 탐색, 화성 지질 연구, 대기 과정 조사에 보탬이 돼야 하지만, 임무의 가치를 넓히는 혁신적인 연구도 환영한다. 이 협력 체계는 톈원 3호를 단일 국가의 프로젝트가 아니라 인류 공동의 과학적 관심사를 발전시키는 국제 플랫폼으로 자리매김하게 한다.
임무 수석과학자이자 중국과학원 원사인 허우쩡첸은 최근 네이처 아스트로노미에 게재된 논문에서 협력 접근법을 강조했다. 그는 목표를 설정하는 단계에서 중국이 국제 회의를 열었으며, 행성 보호 절차를 충족한 뒤 귀환 시료에 대한 접근을 전 세계 연구자에게 허용할 계획이라고 밝혔다. 허우는 이번 임무가 국제사회에 화성을 이해할 전례 없는 기회를 제공하고, 화성 물질의 역사적 첫 귀환에 참여하고자 하는 유럽과 아시아 등 우주 개발국의 협력을 이끌어내길 바란다고 말했다.
행성 보호와 기술적 안전장치
다른 행성의 물질을 지구로 가져오는 일은 임무 기획자들이 각별히 신중하게 다뤄야 할 중대한 안전 문제를 제기한다. 우주연구위원회가 마련한 행성 보호 규정은 지구 생물이 화성을 오염시키는 전방 오염과 잠재적 화성 생명체가 지구를 오염시키는 후방 오염을 모두 방지하기 위한 엄격한 조치를 요구한다. 중국은 이번 임무의 과학적 신뢰성이 생물학적 발견의 원천이 지구에서 옮겨온 오염물이 아니라 실제 화성임을 확인하는 데 달려 있음을 인식하고, 국제 기준을 따르겠다고 밝혔다. 엄격한 오염 관리는 임무의 모든 단계에서 해결해야 할 핵심 과제다.
이러한 위험을 관리하기 위해 중국은 중국과학원 물리과학연구소 인근인 허페이 외곽에 화성 시료 전용 연구소를 건설하고 있다. 이 시설에는 초청정실과 생물안전 격리 구역이 마련되며, 귀환 시료는 과학계 전반에 공개되기 전에 종합 검사, 멸균, 생물학적 위험 평가를 거친다. 지구 생태계를 위협할 수 있는 활성 생물학적 인자가 없다는 사실을 엄격한 분석으로 확인할 때까지 시료는 지구 환경과 격리된 상태로 보관된다. 안전성이 확인된 뒤에야 전 세계 지정 연구소에 물질을 배포해 정밀 분석을 진행한다.
연구팀은 화성 표면 시료 채취와 밀봉, 화성 표면에서의 상승, 궤도상 랑데부, 시료 이송 장치 등 임무에 필수적인 핵심 기술에서 이미 돌파구를 마련했다. 시료를 채취하고 확실하게 밀봉해 지구까지 온전하게 가져올 수 있는 특수 토양 채취 시스템도 개발해야 한다. 류지중은 화성 시료 귀환이 아폴로 계획 이후 가장 기술적으로 어려운 우주 탐사 임무이며, 이러한 시료 귀환은 아직 실현된 적이 없다고 말했다. 난관은 기계 시스템에만 국한되지 않는다. 화성 표면에서 대기권 재진입과 실험실 분석에 이르기까지 시료의 온전성을 유지해야 하는 생물학적 격리와 관리 이력 절차도 포함된다.
우주 탐사의 국제 역학 변화
중국이 2028년 발사를 향해 나아가는 가운데, 경쟁 계획인 미 항공우주국(NASA)의 화성 시료 귀환(MSR) 프로그램은 상당한 불확실성에 직면해 있다. 2025년 초 제정된 미 하원 세출 법안은 현재의 MSR 임무 구성을 사실상 취소하고, 시료 귀환 임무 대신 향후 화성 기술 연구에 1억1천만 달러를 배정했다. 미 상원은 새로운 MSR 사업을 요구하는 승인 법안을 검토했지만, 미국은 현재 2030년대 이전에 화성 시료를 귀환시킬 뚜렷한 경로가 없는 상황이다. 이에 중국이 먼저 이정표를 달성하고 그에 따르는 과학적·외교적 이점을 확보할 기회가 생겼다.
이처럼 일정이 달라지면 과학적 위상을 넘어 전략적 파급 효과가 생긴다. 화성 시료를 가장 먼저 가져오는 국가는 전 세계 연구계에 이 귀중한 물질을 처음 배분하는 권한을 갖게 되며, 이는 수십 년간 우주생물학 연구의 방향에 영향을 줄 수 있다. 화성 시료는 태양계의 두 행성에서 생명체가 독립적으로 출현했는지를 밝혀낼 수 있다. 이는 생물학에 대한 우리의 이해를 근본적으로 바꾸고, 우주 곳곳에 생명체가 흔할 수 있음을 시사하는 발견이 될 것이다. 다른 프로그램이 지연되는 동안 중국이 성공한다면 국제 협력과 탑재체 참여 기회가 점차 베이징의 우주 사업으로 향할 수도 있다.
중국의 진전은 확대되는 심우주 역량이라는 더 큰 흐름 속에서 이뤄지고 있다. 2025년 발사된 톈원 2호는 현재 지구 근접 소행성 카모오알레와로 향하고 있으며, 약 7억 킬로미터를 비행했다. 올해 목표에 도착해 시료 채취를 진행한 뒤 2027년 말까지 지구로 귀환할 예정이다. 더 먼 미래에는 목성계를 연구하고 궁극적으로 목성의 얼음 위성 가운데 하나인 칼리스토 궤도에 진입하기 위한 톈원 4호가 2030년 전후 발사될 계획이다. 달에서 화성, 태양계 외곽으로 이어지는 꾸준한 탐사 진전은 심우주 과학에 대한 중국의 체계적인 접근과 장기적인 우주 탐사 참여 의지를 보여준다.
시제품에서 화성까지
현재 비행 모델 개발이 시작됐고 2026년에는 시제품 단계에서 정식 하드웨어 제작 단계로 넘어가면서, 톈원 3호 연구팀은 설계 연구에서 실제 조립으로 전환하고 있다. 임무는 지구 발사, 화성 전이, 진입·하강·착륙, 표면 시료 채취, 상승, 화성 궤도 랑데부, 지구 귀환, 대기권 재진입 등 13단계로 이뤄진다. 각 단계는 수억 킬로미터에 걸쳐 정밀하게 수행돼야 한다. 발사부터 2031년 시료 귀환까지 전 과정에 3년 넘게 걸리며, 우주선에는 우주생물학 연구를 지원할 첨단 과학 탑재체가 실린다.
임무에 선정된 장비는 생명체 탐색이라는 목표를 반영한다. 착륙선에는 지하 지층을 조사하는 화성 지하 투과 레이더와 유기 물질 및 광물을 탐지하는 라만·형광 분석기가 탑재된다. 후자는 NASA의 퍼서비어런스 탐사차 장비와 비슷하다. 궤도선은 특수 자력계와 고에너지 입자 검출기를 이용해 대기 탈출 과정과 자기장을 연구하며, 영상 장비는 중적외선 및 다중분광 대역에서 표면 조성을 지도화한다. 이러한 장비는 임무 과학팀이 정한 9개 연구 주제를 뒷받침한다. 연구 주제는 생명 관련 원소와 환경 조건, 표면 지형부터 내부 역학에 이르는 지질학적 역사를 다룬다.
개발이 계속되는 가운데, 중국 지도부가 중국의 창의성과 국제적 영향력을 보여주는 사업이라고 설명한 이번 임무에는 국내외 과학자들의 참여가 열려 있다. 톈원 3호가 고대 화성 생명체의 확실한 증거를 찾든, 생명체는 없었지만 지질학적으로 흥미로운 세계의 역사를 들려주는 시료를 가져오든, 여러 세대의 과학자들이 품어온 질문에 답을 내놓을 것으로 기대된다. 이번 사업은 인류가 지구를 넘어 나아가는 다음 단계다. 지구는 인류의 요람이지만 인류가 영원히 요람에 머물 수는 없다는 철학을 따른다.
핵심 내용
- 톈원 3호는 창정 5호 로켓을 이용해 2028년 두 차례 발사되며, 2031년 지구 귀환을 계획하고 있다
- 임무는 표면 채취와 깊이 2미터 시추를 통해 화성 토양과 암석을 최소 500그램 수집하는 것을 목표로 한다
- 주요 과학 목표는 화성의 생명흔적과 과거 또는 현재 생명체의 증거를 찾는 것이다
- 임무는 화성 궤도에서 랑데부할 별도의 우주선 두 대로 구성되며, 이는 전례 없는 시도다
- 중국은 2025년 3월 국제 파트너에게 임무 참여를 개방하고 외국 과학 장비에 총 20킬로그램의 탑재 용량을 제공했다
- 공학적 제약에 따라 착륙 지점은 북위 17~30도 사이이자 화성 평균 고도보다 최소 3킬로미터 낮은 곳으로 제한된다
- 허페이의 전용 격리 시설은 지구 오염을 막기 위한 엄격한 행성 보호 절차에 따라 귀환 시료를 처리한다
- 화성 상승과 궤도 랑데부를 포함한 핵심 기술 개발에 성공한 뒤 2026년 비행 하드웨어 제작 단계에 들어간다
