NASA, 화성 샘플 귀환 계획 취소…중국은 2031년 암석 회수 목표

귀환할 운송 수단을 기다리는 유망한 화성 암석

사파이어 캐니언이라는 암석 조각이 화성에 있는 NASA 퍼서비어런스 로버 내부에 밀봉된 채 보관돼 있다. 고대 생명체의 흔적일 가능성을 살펴보려는 과학자들이 분석하고 싶어 하는 화학적 단서를 담고 있다. 이를 지구로 가져오려던 임무는 취소됐다. NASA의 당초 화성 샘플 귀환 계획 비용이 최대 110억 달러에 이를 것으로 추산됐고, 샘플 귀환 예정 시기도 2040년으로 미뤄졌기 때문이다.

중국은 다른 경로를 추진하고 있다. 중국 정부가 2025년 7월 공개한 톈원 3호 임무 개요에 따르면, 톈원 3호는 2028년께 발사돼 2031년께 화성 물질 최소 500g을 지구로 가져오는 것을 목표로 한다. 계획대로라면 중국은 화성에서 샘플을 채취해 지구로 가져오는 첫 국가가 된다.

NASA는 취소 전까지 샘플 회수 프로그램에 약 25억 달러를 투입했다. 퍼서비어런스는 이미 튜브 33개에 샘플을 담아 보관했다. 30억 년 넘게 전 강들이 흘러들어 호수를 이뤘던 예제로 크레이터를 수년간 탐사하며 샘플을 선정했다.

관건은 어느 나라가 먼저 도착하느냐에 그치지 않는다. 중국 임무는 다른 장소에서 자체적으로 물질을 채취할 계획이다. 고대 하천 수로 옆 점박이 암석에서 시추한 사파이어 캐니언은 다른 임무가 회수하지 않는 한 화성에 남게 된다.

NASA의 재러드 아이작먼 국장은 로봇이나 우주비행사를 이용해 언젠가 샘플을 가져올 계획이라고 밝혔다. 대체 임무나 일정은 발표되지 않았다. 한편 중국은 실제 발사할 우주선 제작에 착수하고 있다.

과학자들이 사파이어 캐니언에 주목하는 이유

퍼서비어런스는 2024년 7월, 네레트바 발리스 인근에서 체야바 폭포라는 화살촉 모양의 암석을 채취했다. 네레트바 발리스는 강물이 예제로의 고대 호수로 흘러들며 깎아 만든 계곡이다. 로버는 분필 조각 정도 크기의 원통형 암석을 시추해 튜브에 밀봉했다.

체야바 폭포는 표범 무늬를 닮은 작은 점들 때문에 주목받았다. 지구에서는 미생물이 퇴적물에 묻힌 유기물을 소비할 때 비슷한 특징이 생길 수 있다. 미생물 활동이 주변 철 광물의 화학적 조성을 바꿔 옅은색 점이나 테두리를 남기는 것이다.

퍼듀대학교 박사후연구원이자 퍼서비어런스 과학팀원인 애드리언 브로즈는 2025년 9월 발표된 이 암석 관련 연구 논문 작성에 참여했다. 그는 이번 발견이 두드러진 이유를 다음과 같이 설명했다.

이번이야말로 '잠재적 생명지표'에 해당하는 무언가를 찾아낸 첫 사례라고 생각합니다

생명지표란 생명체가 만들어냈을 가능성이 있는 물리적 또는 화학적 특징을 말한다. 사파이어 캐니언의 점들을 미생물이 만들었는지, 아니면 일반적인 화학 반응으로 생겼는지 밝혀내는 것이 과학자들의 과제다. 주변 이암에도 비슷한 특징이 다수 있어, 연구자들은 더 넓은 지질학적 환경을 조사할 수 있다.

퍼서비어런스가 2021년 2월 도착하기 훨씬 전부터 물이 이 지형을 빚어 왔다. 과거 강과 호수가 있었던 예제로는 수십억 년 전 살았던 생물의 흔적을 보존했을 가능성이 있는 암석을 찾기에 유망한 곳이다.

지구의 실험실이 중요한 이유

퍼서비어런스에는 암석의 화학적 조성과 구조를 조사하는 장비가 실려 있지만, 과학 장비는 일부 샘플을 나중에 지구에서 연구할 수 있도록 선별하는 목적도 고려해 선정됐다. 로버는 전력과 중량, 장비가 제한된 상태로 작동해야 한다. 지구의 실험실에서는 동일한 샘플의 아주 작은 조각에도 훨씬 다양한 분석 기법을 적용할 수 있다.

퍼듀대학교 지구·대기·행성과학 교수이자 퍼서비어런스 팀원인 브리오니 호건은 샘플을 직접 조사해야 하는 이유를 다음과 같이 설명했다.

이런 연구를 계속하고 단서를 찾아낼 수는 있지만, 샘플을 가져오기 전까지는 결코 확실히 알 수 없습니다.

화성 운석 앨런힐스 84001은 이런 연구가 얼마나 까다로운지 보여준다. 1984년 남극에서 발견된 이 운석은 처음에는 고대 생명체의 잔해일 가능성이 있는 흔적을 담은 것으로 해석됐다. 이후 연구에서는 지질학적 과정으로도 생물 흔적과 비슷한 특징이 생길 수 있다는 점이 밝혀졌다.

따라서 사파이어 캐니언을 연구하는 과학자들은 같은 설명을 뒷받침하는 여러 종류의 증거를 찾아야 한다. 광물 구조와 유기 분자, 화학적 변화와 암석의 형성 이력 사이의 관계 등을 조사할 수 있다. 샘플을 지구에서 확보하면 여러 실험실에서 시험을 반복하고 결과를 비교할 수도 있다.

샘플 회수 계획이 감당하기 어려운 비용이 된 과정

유럽우주국과 함께 마련한 NASA의 화성 샘플 귀환 프로그램은 여러 우주선과 임무를 연계해야 했다. 착륙선이 작은 상승 로켓을 화성에 가져가면 퍼서비어런스가 샘플을 착륙선으로 운반하고, 샘플을 용기에 넣어 궤도로 발사하는 방식이었다.

화성 상공에서 대기 중인 유럽 우주선이 용기를 포획해 지구로 가져온 뒤, 안전하게 착륙할 수 있는 캡슐을 방출할 계획이었다. 화성에서 물질을 발사하고 궤도에서 포획하는 일은 모두 우주 탐사 사상 첫 시도가 될 예정이었다.

공학적 난제는 우주선이 발사와 착륙에 적합한 무게를 유지하면서 필요한 장비와 추진제를 충분히 운반하는 것이었다. NASA의 중계 방식은 여러 우주선에 임무를 나눠 맡겼다. 동시에 지연이나 기술적 문제가 발생할 수 있는 지점이 늘어나 전체 임무에 영향을 미칠 가능성도 커졌다.

지구와 화성의 발사 조건이 유리해지는 시기는 약 26개월마다 찾아온다. 그 기회를 놓치면 일정이 약 2년 더 늦어질 수 있어 우주선 개발 시한이 특히 중요하다.

당초 계획의 예상 최대 비용은 110억 달러였다. 2024년 수정안의 예상 비용은 약 70억 달러였지만, 여전히 감당 가능한지, 낮아진 비용 추산을 실제로 달성할 수 있는지를 둘러싼 의문이 남았다. NASA의 2026회계연도 예산안은 화성 샘플 귀환 프로그램 폐지를 제안했고, 의회는 1월 취소를 승인했다.

화성 샘플 회수는 2011년 NASA의 행성과학 최우선 과제로 선정됐다. 프로그램이 취소되면서 과학적으로 가치 있는 암석을 성공적으로 채취하고도 이를 직접 연구할 방법이 없는 상황이 됐다.

경쟁 구도를 바꾼 주요 일정

귀환 체계가 복잡해지면서 NASA 계획은 여러 차례 바뀌었다. 중국은 화성 착륙과 달 샘플 임무 경험을 바탕으로 채취와 귀환을 하나의 임무로 묶었다.

두 계획의 현재 상황에 이르기까지 주요 전개는 다음과 같다.

• 2021년 2월: 퍼서비어런스가 고대 환경을 조사하고 샘플을 채취하기 위해 예제로 크레이터에 착륙했다.
• 2021년 5월: 중국의 톈원 1호가 화성에 착륙해 주룽 로버를 배치했다.
• 2022년: NASA는 퍼서비어런스가 샘플을 운반하고 회수 헬리콥터를 예비 수단으로 활용하는 방식으로 회수 계획을 수정했다. 샘플 귀환 예상 시기는 2033년으로 늦춰졌다.
• 2024년: 중국은 창어 6호로 달 뒷면 샘플을 가져왔다. NASA는 화성 샘플 회수 프로그램을 재검토했고, 퍼서비어런스는 7월 사파이어 캐니언을 채취했다.
• 2025년 7월: 중국 정부가 톈원 3호를 2028년께 발사하고 2031년께 샘플을 귀환시키는 계획을 공개했다.
• 1월: 의회가 2026회계연도 예산안의 폐지 제안에 따라 NASA의 화성 샘플 귀환 프로그램 취소를 승인했다.
• 2026년 3월: 톈원 3호 총설계자 류지중은 2026년 중 비행체 하드웨어 개발에 착수할 것이라고 밝혔다.
• 2026년 말: 중국 과학팀은 착륙 후보지를 최종 후보 3곳으로 좁힐 계획이다.

3월에 발표된 중국의 하드웨어 개발 착수는 시제품 작업을 넘어서는 단계다. 공식 일정은 여전히 2028년께 발사, 2031년께 귀환이다. 보도된 2031년 발사 시점은 이 일정과 맞지 않는다.

톈원 3호의 샘플 채취 및 귀환 방식

2028년 말 중국 하이난섬 원창에서 창정 5호 로켓 두 기를 발사할 계획이다. 한 기에는 착륙선과 상승 장비를, 다른 한 기에는 궤도선과 샘플을 지구로 가져올 시스템을 실을 예정이다.

중국 정부에 따르면 화성까지 비행하는 데 7~8개월이 걸리고, 도착 후 약 1년간 임무를 수행한다. 이 전체 일정 가운데 착륙선의 주요 지표면 샘플 채취 작업은 약 70일간 진행될 것으로 예상된다.

톈원 3호는 표면 물질을 긁어모으고, 최대 2m 깊이까지 시추하며, 드론을 보내 추가 물질을 채취하는 세 가지 방법을 사용할 계획이다. 로버는 탑재하지 않는다. 임무 수석과학자이자 중국과학원 원사인 허정첸은 드론이 착륙 지점에서 수백 미터 떨어진 장소까지 도달할 수 있다고 밝혔다.

시추 장비는 지표면 아래 물질을 채취하고, 드론은 착륙선 주변을 넘어 샘플 채취 범위를 넓힐 수 있다. 이 방식들을 함께 활용하면 우주선 옆에서 표면 물질만 채취하는 것보다 다양한 샘플을 확보할 수 있다는 구상이다.

채취 후 상승체가 최소 500g의 샘플이 든 밀봉 용기를 화성 궤도로 발사한다. 대기 중인 궤도선이 이를 받아 귀환 여정을 시작한다. 중국의 달 탐사 임무에서 얻은 경험이 도움이 되겠지만, 화성에서 이륙하고 궤도에서 랑데부하는 데는 여전히 새로운 역량이 필요하다.

안전한 착륙이 중국의 탐사 지역을 제한한다

허정첸이 2025년 7월 공개한 공식 개요에 따르면 톈원 3호 과학팀은 80곳이 넘는 초기 착륙 후보지를 19곳으로 좁혔다. 최종 후보 3곳은 2026년 말까지 선정할 예정이다. 과학자들은 생명체가 살 수 있었고 흔적이 보존됐을 가능성이 있는 환경을 갖춘 곳을 선호한다.

공학적 제약도 엄격하다. 착륙지는 북위 17~30도 사이여야 한다. 임무 설명에 따르면 착륙지는 화성 평균 고도보다 최소 3km 낮아야 한다. 그래야 우주선이 더 긴 대기층을 통과하며 하강 속도를 줄일 수 있다.

우주선이 착륙할 수 있는 범위인 예상 착륙 타원은 약 50×20km다. 드론의 샘플 채취 범위와 비교하면 넓은 지역이다. 따라서 임무는 작은 노두 한 곳이 아니라 넓은 지역에서 유용한 물질을 얻을 수 있는 장소를 찾아야 한다.

퍼서비어런스는 예제로를 이동하며 지질학적 맥락을 꼼꼼히 기록해 암석을 선정하는 다른 방식을 취했다. 과학자들은 각 샘플의 채취 위치와 주변 지층, 고대 물의 흔적과의 관계를 알고 있다. 톈원 3호는 수년간 로버로 사전 탐사를 하지 않고 한정된 지역에서 샘플을 채취할 예정이다.

중국이 검토 중인 후보지에는 예제로가 포함되지 않았다. 톈원 3호가 샘플 귀환에 성공하면 화성을 새롭게 들여다볼 기회가 열리지만, 사파이어 캐니언은 여전히 회수 임무를 기다리게 된다. 두 샘플은 화성의 서로 다른 지역에 관한 서로 다른 질문에 답할 것이다.

과학자들이 조사할 내용과 샘플 보호 방법

톈원 3호의 과학적 목표에는 생명체의 흔적일 가능성이 있는 증거 탐색, 화성의 생명체 부양 능력 변화 연구, 지질학적 역사 조사 등이 포함된다. 이런 목표는 생명체 여부에 관한 질문을 화성의 물과 대기, 암석에 관한 연구와 연결한다.

임무 개요 작성에 참여한 홍콩대학교 우주생물학 교수 리이량은 여러 가지 조사 방향을 제시했다. 연구자들은 생물학적 기능과 관련된 분자, 미세한 화석 흔적, 동위원소 비율의 변화를 찾게 된다.

동위원소는 질량이 서로 다른 같은 화학 원소의 형태다. 생명체의 작용은 특정 동위원소를 더 많이 사용하기도 한다. 지구에서는 광합성 과정에서 더 가벼운 탄소를 주로 사용해 탄소 동위원소 비율에 측정 가능한 변화를 남기는 경향이 있다. 연구자들은 화성에서 이와 유사한 패턴을 찾고, 샘플의 광물 및 다른 화학적 특징과 함께 분석할 예정이다.

중국은 생물학적 안전 설비와 오염을 엄격히 통제하는 작업 공간을 갖춘 보안 연구소도 계획하고 있다. 허정첸은 우주연구위원회가 정한 행성보호 정책에 따라 샘플 채취와 밀봉, 운송, 처리, 생물학적 위험 평가를 아우르는 관리 체계를 마련할 것이라고 밝혔다.

행성보호에는 두 가지 목적이 있다. 지구 생물이 화성을 오염시키지 않도록 하고, 다른 천체에서 가져온 물질을 안전하게 보관하는 것이다. 샘플을 청정하게 다루면 화학적 흔적이 화성에서 비롯됐는지, 채취와 분석 과정에서 샘플에 들어갔는지 판단하는 데도 도움이 된다.

허정첸은 안전 요건을 충족하는 경우 국제 과학자들도 귀환 샘플을 연구할 수 있다고 밝혔다. 여러 실험실이 참여하면 검사 범위를 넓히고 연구자들이 서로의 결과를 검증할 수 있다.

NASA와 유럽에 남은 가능성

NASA는 민간 기업과 국제 협력의 참여를 포함해 더 단순하고 비용이 적게 드는 샘플 회수 방안을 검토하고 있다고 밝혔다. 록히드마틴은 인사이트 화성 착륙선과 오시리스-렉스 소행성 샘플 임무의 경험을 활용해 30개의 퍼서비어런스 샘플을 2037년까지 가져오는 임무를 30억 달러 미만의 고정 가격으로 수행하겠다고 제안했다.

회사가 제시한 가격 상한을 기준으로 하면 이 제안의 비용은 당초 최대 110억 달러 추산액의 3분의 2보다 적다. 제안된 귀환 시점은 중국이 목표로 삼은 2031년보다 6년 늦다. NASA는 이 제안을 채택하지 않았다.

의회가 합의한 지출 법안에는 ‘화성 미래 임무’ 예산 1억1천만 달러가 포함됐다. 이 예산은 착륙 기술 개선과 향후 탐사에 활용될 역량 개발을 지원할 수 있으며, 추후 샘플 회수 임무에도 도움이 될 수 있다.

유럽우주국은 회수 착륙선보다 개발이 더 진전된 지구 귀환 궤도선을 개조해 궤도에서 화성을 연구할 수 있을지 검토하고 있다. 일본은 소행성 충돌로 화성에서 떨어져 나간 물질이 들어 있을 가능성이 있는 화성의 위성 포보스에서 샘플을 가져오는 임무도 추진하고 있다.

퍼서비어런스와 큐리오시티는 탑재 장비를 이용한 조사를 계속할 예정이다. 퍼서비어런스가 밀봉한 샘플은 향후 임무에 활용할 수 있고, 로버에는 추가 발견을 위해 아직 사용하지 않은 튜브도 남아 있다.

NASA 화성탐사프로그램 분석그룹 의장인 빅토리아 해밀턴은 취소가 과학계에 미친 영향을 다음과 같이 설명했다.

매우 실망스럽습니다.

NASA는 이미 유망한 암석을 찾아 채취하는 어려운 작업을 마쳤다. 이제 중국이 새로운 샘플을 지구로 가져올 더 구체적인 경로를 갖추고 있다. 과학자들의 핵심 목표는 화성의 역사를 설명하고, 그 역사에 생명체가 존재했는지 밝혀낼 수 있는 물질을 확보하는 것이다.

핵심 내용

• 비용 증가와 일정 지연으로 NASA의 화성 샘플 귀환 프로그램이 취소돼 퍼서비어런스가 채취한 샘플은 화성에 남게 됐다.
• 사파이어 캐니언에는 생물학적 기원일 가능성을 시험해 볼 만한 점들이 있다.
• 중국은 톈원 3호를 2028년께 발사하고 최소 500g의 샘플을 2031년께 가져오는 것을 공식 목표로 삼고 있다.
• 톈원 3호는 로버 없이 표면 채취와 최대 2m 깊이 시추, 드론을 이용한 채취를 계획하고 있다.
• 중국은 2026년 말까지 착륙 후보지 3곳을 선정할 계획이다. 예제로는 검토 중인 후보지에 포함되지 않았다.
• 록히드마틴의 샘플 회수 임무 제안은 아직 채택되지 않았고, NASA는 대체 일정도 발표하지 않았다.