일본 MMX, 화성 위성 최초 샘플 확보 목표…2031년 지구 귀환 예정

포보스의 일부를 지구로 가져오기 위한 5년 여정

일본은 2026년 10월 20일 가고시마현 다네가시마 우주센터에서 화성 위성 탐사선 MMX(Martian Moons eXploration)를 발사할 계획이다. 화성의 위성 포보스에서 10그램이 넘는 물질을 채취해 지구로 가져오는 임무다. 탐사선은 2027년 8월 화성에 도착하고, 2031년 샘플 캡슐을 호주에 전달할 예정이다.

일본우주항공연구개발기구(JAXA)는 지금까지 어떤 임무도 성공하지 못한 화성계 샘플 귀환에 도전하고 있다. 모래와 토양, 암석으로 이뤄진 소량의 샘플은 포보스와 동반 위성 데이모스가 한때 독립적인 소행성이었는지, 아니면 화성과의 거대한 충돌로 우주에 흩어진 파편에서 형성됐는지를 밝히는 데 도움이 될 수 있다.

미 항공우주국(NASA)은 10월 8일 발표한 임무 브리핑 안내에서 미국 동부시간 기준 10월 19일 발사를 명시했다. 일본 시간으로는 10월 20일이다. 일본의 발사 관련 보도에 따르면 H3 로켓으로 일본 표준시 오전 4시 40분께 발사할 예정이다.

MMX는 관측 탐사선과 착륙선, 소형 로버, 지구 대기권 재진입을 견디도록 설계된 캡슐을 결합한 임무다. 탐사선 개발은 2016년 시작됐으며 제작비는 약 553억 엔이었다. 일본은 소행성 샘플을 가져온 하야부사와 하야부사2의 경험을 바탕으로 화성까지 갔다가 돌아오는 훨씬 긴 여정에 나선다.

JAXA의 가와카쓰 야스히로 프로젝트 매니저는 완성된 탐사선이 팀의 출발선이라고 설명했다. 발사는 까다로운 임무의 시작일 뿐이다. 화성에 도착하고 안전한 착륙 지점을 선택한 뒤, 중력이 매우 약한 환경에서 물질을 채취해 지구로 가져와야 한다.

발사 일정은 어떻게 되나?

NASA와 유럽우주국(ESA)은 모두 일본 시간 기준 10월 20일을 발사 예정일로 안내하고 있다. JAXA의 임무 개요에는 2026 회계연도라는 더 넓은 목표 기간이 명시돼 있다. 일본 회계연도는 2026년 4월부터 2027년 3월까지다.

앞서 발사는 2026년 11월이나 12월로 계획됐지만, 10월 일정은 NASA의 날짜가 명시된 발표와 ESA 자료표에 등장한다. MMX는 발사 준비를 위해 2026년 3월 31일 다네가시마에 도착했다. 당초 2024년으로 예정됐던 발사는 H3 로켓 문제로 연기됐다.

H3 로켓은 2025년 12월에도 실패를 겪었다. 탐사선을 둘러싼 보호 덮개인 페어링 분리 과정에서 이상이 발생한 것이 원인으로 확인됐다. 화성까지 효율적으로 이동할 수 있는 발사 기회는 약 26개월마다 돌아오기 때문에 탐사선과 로켓 모두의 준비 상태가 특히 중요하다.

주요 일정은 5년에 걸쳐 진행된다.

• 2026년 10월 20일 일본 시간: 다네가시마에서 H3 로켓 발사 예정.
• 2027년 8월: 화성 도착 예정. 이후 포보스와 데이모스 관측.
• 2028년 12월 이후: NASA가 밝힌 포보스 샘플 채취의 가장 이른 가능 시점.
• 2029년 초: 이데픽스 로버 투입 예정.
• 2030년: 화성 출발 예정.
• 2031년: 샘플 캡슐의 호주 도착 예정.

탐사선의 착륙과 샘플 채취 시점은 아직 확정되지 않았다. NASA는 가장 이른 시점으로 2028년 12월을 제시했지만, 임무 관련 보도는 2029년이나 2030년 채취를 예상한다. JAXA는 포보스 근처에서 보내는 시간은 관측 계획에 따라 달라질 것이라고 밝혔다.

위성의 기원이 중요한 이유

포보스의 지름은 약 20~30킬로미터이며, 화성 표면에서 약 6,000킬로미터 떨어진 궤도를 돈다. 수십 년간 우주선이 화성을 탐사해 왔지만, 포보스와 데이모스 모두 MMX가 계획한 수준의 집중적인 근접 조사를 받은 적은 없다.

과학자들은 두 위성의 형성 과정을 설명하는 두 가지 주요 가설을 검증하고 있다. 포획설에 따르면 두 위성은 소행성이었다가 화성의 중력에 붙잡혔다. 충돌설은 큰 천체가 초기 화성과 충돌하면서 파편을 우주로 날려 보냈고, 그 파편이 나중에 위성을 형성했다는 설명이다.

암석에는 생성된 장소의 흔적이 남는다. 암석의 화학 성분과 광물 조합을 조사하면 화성 물질과 비슷한지, 고대 소행성과 닮았는지 알아낼 수 있다. MMX는 두 위성을 측정하고 포보스에서 채취한 물질을 실험실에서 분석해 결과를 종합할 예정이다.

홋카이도대 교수이자 MMX 프로젝트 과학자인 구라마토 기요시는 9월 브리핑에서 샘플을 통해 두 가설을 구분할 수 있을 것으로 보는 이유를 설명했다. 그는 일본어로 다음과 같이 말했다.

이 두 과정에서 예상되는 화학 조성과 광물 조합은 완전히 다르기 때문에 샘플을 조사하면 의문을 확실히 해결할 수 있습니다.

JAXA는 화성계가 시간의 흐름에 따라 어떻게 변했는지도 알아내려 한다. 위성들이 충돌로 형성됐다면 그 물질에는 초기 화성의 환경에 대한 흔적이 보존됐을 수 있다. 포획된 소행성이라면 물과 같은 물질이 태양계를 이동한 방식을 밝혀줄 수 있다.

포보스가 화성의 일부를 간직할 가능성

포보스에는 또 다른 과학적 가치가 있을 수 있다. 충돌로 화성에서 튕겨 나와 나중에 위성에 쌓인 입자다. 화성의 대형 충돌구를 토대로 한 계산에 따르면 MMX가 채취하는 물질의 약 0.1%가 화성에서 왔을 수 있다.

샘플이 10그램이라면 그 비율은 약 0.01그램, 즉 10밀리그램의 화성 물질에 해당한다. 이는 샘플에 들어 있을 물질에 대한 예측이며, 실제 조성은 캡슐이 귀환한 뒤 과학자들이 확인할 예정이다.

화성 주변의 우주 환경을 연구하는 도쿄대 세키 가나코 교수는 포보스에 도달한 물질이 화성 표면에서 직접 채취한 샘플을 보완할 수 있다고 설명했다. 로버는 특정 장소의 암석을 채취하지만, 충돌로 우주에 튕겨 나온 물질은 화성의 더 넓은 지역에서 온 단서를 담고 있을 수 있다.

다른 곳에서도 샘플 확보 계획이 바뀌고 있다. 미국 정부가 비용 상승을 이유로 NASA와 ESA의 화성 샘플 귀환 계획을 2026년 1월 취소한 것으로 보도됐다. 중국은 2028년께 톈원 3호를 발사하고 2031년께 화성에서 채취한 물질을 가져올 계획이다.

MMX가 샘플을 채취할 곳은 포보스다. 이 임무의 과학적 가치는 위성의 기원을 연구하고, 표면 물질에 흩어져 있을 수 있는 화성 입자를 조사하는 데 있다. 두 가지 모두 소량의 샘플이라도 지구의 실험실로 가져올 가치가 있음을 보여준다.

세 부분으로 구성된 대형 탐사선

MMX는 높이가 약 5미터이며 태양 전지판을 펼쳤을 때 폭은 9미터로, JAXA의 가장 큰 탐사선 가운데 하나다. ESA의 MMX 자료표에는 연료를 포함한 질량이 약 4,200킬로그램으로 나와 있다. 일본의 발사 관련 보도는 4,480킬로그램으로 제시하며, 그중 약 3분의 2가 연료라고 설명한다.

탐사선은 각기 다른 역할을 맡은 세 모듈로 구성된다. 추진 모듈은 화성까지 가는 데 필요한 엔진과 연료를 제공한다. 탐사 모듈에는 착륙 다리와 과학 장비, 샘플 채취 장비가 실린다. 귀환 모듈은 캡슐을 지구로 가져오는 데 필요한 장비를 갖춘다.

MMX는 각 모듈의 임무가 끝나면 단계적으로 분리한다. 질량이 줄면 이후 기동에 필요한 연료도 감소한다. 귀환 모듈에는 자체 추진 시스템과 태양광 전력 시스템, 지구와 통신하기 위한 대형 안테나가 탑재된다.

미쓰비시전기는 JAXA와 함께 탐사선을 개발했으며, 가마쿠라 제작소 책임자 아래 전담팀을 꾸렸다. 이 회사는 일본의 SLIM 달 착륙선과 국제우주정거장 화물선 개발에도 참여했다.

미쓰비시전기의 프로젝트 책임자인 우에하라 아키쓰네는 세 모듈의 병행 개발과 약한 중력을 모사한 환경에서의 착륙 다리 시험을 주요 공학적 과제로 꼽았다. 모듈이 연결된 상태로 임무를 수행하는 동안 각 모듈이 개별적으로, 또 하나의 탐사선으로서 모두 제대로 작동해야 했다.

로버가 거의 무게를 느끼지 못하는 곳에 착륙하기

포보스의 중력은 지구의 약 2,000분의 1에 불과하다. 이 때문에 착륙 방식도 달라진다. 탐사선은 표면에서 튕겨 나가지 않도록 부드럽게 내려앉아야 한다. 네 개의 착륙 다리는 충격을 흡수하고 MMX를 안정적으로 지탱하도록 설계됐다.

무게 25킬로그램인 이데픽스 로버를 보면 차이를 쉽게 알 수 있다. ESA에 따르면 포보스에서 이 로버가 받는 중력은 지구에서 15그램짜리 물체가 받는 것과 비슷하다. 질량은 여전히 25킬로그램이지만, 위성의 약한 중력 때문에 로버를 끌어당기는 힘은 훨씬 작다.

프랑스 우주청(CNES)과 독일항공우주센터(DLR)가 공동으로 이데픽스를 개발했다. 로버는 본 탐사선이 착륙하기 전에 표면에 도착해 지형과 표면 물질에 관한 정보를 수집하고 착륙 준비를 지원한다.

이데픽스에는 카메라와 복사계, 라만 분광기가 탑재된다. 카메라는 지면을 살피고 이동을 돕는다. 복사계는 열복사를 측정하고, 분광기는 빛을 이용해 광물을 식별한다. DLR은 낙하탑과 매우 약한 중력 환경을 모사하는 시뮬레이터를 비롯한 시험 장비를 제공했다.

착륙 전 MMX는 준위성 궤도에서 포보스를 관측한다. 쉽게 말해 탐사선은 화성 주변을 돌면서 포보스 가까이에 머무르는 경로를 따라 반복 관측을 할 수 있다. ESA는 지도 작성과 로버 운용, 샘플 채취 등을 포함해 위성 근처에서 약 3년간 임무를 수행할 계획이다.

소량이지만 가치 있는 샘플을 채취하는 두 가지 방법

MMX에는 두 가지 샘플 채취 장치가 실린다. 코어러는 표면 아래 약 2센티미터 깊이에서 물질을 채취한다. 공압식 샘플러는 가압된 기체로 느슨한 표면 물질을 들어 올려 용기에 담는다.

JAXA의 채취 목표량은 10그램 초과이며, ESA는 최소 10그램을 목표로 제시한다. 두 장치는 표면 바로 아래 물질과 표면에 쌓인 느슨한 입자를 각각 채취할 수 있게 한다.

NASA의 기여 사업으로 블루 오리진의 허니비 로보틱스가 공압식 샘플러를 개발했다. 중력이 약한 환경에서 샘플을 채취하려면 탐사선이 지면에 닿는 방식과 입자가 채취 장비 안으로 이동하는 과정을 모두 제어해야 한다.

ESA의 MMX 프로젝트 과학자인 엘리엇 세프턴-내시는 샘플을 지구로 가져오는 이점을 설명했다. 가장 정밀한 실험실 장비 중 일부는 너무 크고 민감해 우주로 보내기 어렵다. 지구에서는 우주선에 실을 수 없는 장비를 사용해 입자를 조사할 수 있다.

일본은 이미 이 접근법의 과학적 가치를 입증했다. 하야부사는 소행성 이토카와의 물질을 가져왔고, 하야부사2는 2020년 12월 류구 샘플을 지구로 귀환시켰다. MMX는 그 경험을 다른 행성의 위성으로 확장하며, 화성계까지 갔다가 돌아오는 여정이라는 과제를 더한다.

착륙 전에 장비로 측정할 내용

NASA의 MEGANE 장비는 포보스 표면에서 방출되는 중성자와 감마선의 에너지를 측정해 원소 조성을 조사한다. 원소마다 측정값에 서로 다른 패턴이 나타나 위성이 무엇으로 이뤄졌는지 파악할 수 있다.

NASA의 MMX 임무 페이지는 메릴랜드주의 존스홉킨스 응용물리연구소를 MEGANE 개발 기관으로 소개하고 있으며, 캘리포니아주의 로렌스 리버모어 국립연구소도 개발에 협력했다. 장비의 측정 결과는 위성 표면의 화학적 성질과 기원 문제를 연결하는 데 도움이 된다.

프랑스의 MIRS 적외선 분광기는 적외선을 이용해 표면 조성을 조사한다. 파리 천문대 LESIA가 다른 프랑스 연구소 네 곳 및 CNES와 함께 개발하고 있다. 카메라와 레이저 거리 측정 장비도 지도 작성과 착륙 지역 선정에 활용된다.

독일 예나에 있는 프라운호퍼 응용광학·정밀공학연구소는 소형 레이저 시스템을 제공한다. 탐사선에는 화성 주변 환경의 먼지와 방사선, 하전 입자를 측정하는 장비도 실린다.

JAXA와 일본방송협회(NHK)는 4K와 8K 해상도로 영상을 기록할 수 있는 카메라를 공동 개발했다. 과학적 측정과 함께 이 카메라들은 임무 주변 환경을 상세히 보여줄 예정이다. 가와카쓰는 카메라가 촬영할 영상을 기대한다고 말했다.

MMX는 화성 대기와 주변 우주 환경도 관측한다. JAXA는 대기 물질이 순환하고 우주로 빠져나가는 과정을 추적해 오랜 세월에 걸쳐 화성이 어떻게 변했는지 설명하고자 한다.

캡슐 귀환에는 국제 협력이 필요하다

JAXA가 MMX를 주도하고 NASA와 CNES, DLR, ESA가 협력한다. ESA는 통신용 트랜스폰더와 전력 증폭기를 제공했으며, 에스트랙 지상국 네트워크를 통해 명령을 보내고 탐사선 상태 정보와 과학 데이터를 수신할 예정이다.

NASA의 심우주통신망은 통신과 항법을 지원한다. NASA는 마셜 우주비행센터가 관리하는 디스커버리 프로그램을 통해 미국 과학팀 참가자들의 연구도 지원한다. NASA는 10월 15일 오후 4시(미 동부 일광절약시간)에 기여 내용을 설명하는 브리핑을 열기로 했다.

JAXA 우주과학연구소는 MMX 프로젝트 설명에서 새로운 심우주 지상국을 통한 통신 개선을 임무의 기술 목표 중 하나로 제시한다. 다른 목표에는 화성까지 갔다가 돌아오는 여정과 천체 샘플 채취 기술의 개선이 포함된다.

귀환 여정에는 약 1년이 걸릴 것으로 예상된다. 지구에 가까워지면 MMX는 지름 약 60센티미터의 샘플 캡슐을 방출한다. 방열판이 대기권 진입 과정에서 캡슐을 보호하며, 캡슐은 호주 사막에 착륙할 예정이다.

회수된 캡슐은 이후 도쿄 인근 사가미하라에 있는 JAXA 우주과학연구소로 옮겨진다. 직원들은 전문 실험실에서 캡슐을 열고 물질을 꺼내 목록화한 뒤 과학 연구에 활용할 수 있도록 샘플을 제공한다.

과거 포보스 탐사 시도는 이 목적지가 얼마나 까다로운지 보여준다. 1988년 발사된 소련의 포보스 1호와 포보스 2호는 계획된 임무를 마치기 전에 통신이 끊겼다. 러시아의 포보스-그룬트 임무는 2011년 지구 궤도를 벗어나지 못하고 실패했다.

MMX는 지속적인 관측과 표면 탐사, 샘플 채취, 귀환까지 전 과정을 완수하는 것을 목표로 한다. 성공하면 과학자들은 화성계의 실제 물질을 연구할 수 있고, 일본은 화성까지 갔다가 돌아오는 실질적인 경험을 얻게 된다.

핵심 내용

• MMX는 일본 시간 기준 2026년 10월 20일 다네가시마에서 H3 로켓으로 발사될 예정이다.
• 탐사선은 2027년 8월 화성에 도착해 2031년 샘플을 지구로 가져올 것으로 예상된다.
• JAXA는 코어러와 공압식 샘플러를 이용해 포보스에서 10그램이 넘는 샘플을 채취하는 것을 목표로 한다.
• 이데픽스 로버는 본 탐사선 착륙에 앞서 표면을 탐사한다.
• 과학자들은 화성 위성이 충돌 파편에서 형성됐는지, 포획된 소행성인지 검증할 예정이다.
• 샘플에는 화성에서 튕겨 나간 물질이 소량 포함될 수 있다.
• 귀환 캡슐은 호주에 착륙한 뒤 사가미하라의 JAXA 실험실로 옮겨질 예정이다.