NASA는 Artemis 프로그램의 일환으로 달 남극 인근에서 장기적인 과학 및 유인 탐사 임무를 지원하기 위한 종합적인 인프라 기술 체계를 개발하고 있다. 이 체계는 착륙선이나 탐사 로버에만 국한되지 않고, 지속적인 존재에 필요한 모든 핵심 요소를 포함한다. 여기에는 에너지의 생산과 저장, 통신과 항법, 착륙 플랫폼과 도로 건설, 달 토양 처리, 현지 자원에서 물과 산소 추출, 먼지와 극심한 열로부터 장비 보호가 포함된다.
NASA는 이러한 기술이 지상과 달의 중력을 모사하는 환경, 그리고 달 표면에서 직접 시험되고 있다고 밝혔다. 목표는 개별 임무에서 확장 가능한 운영으로 전환하는 것이다. 이러한 운영은 로봇과 우주비행사를 지원하고, 이후 화성 탐사의 기반을 마련할 수 있다.
에너지: 운영 지속의 조건
달 표면에서 작업하려면 지속적인 에너지가 가장 큰 요구 사항 중 하나다. 달의 낮과 밤은 각각 지구 기준으로 약 15일 동안 지속되기 때문이다. NASA는 Vertical Solar Array Technology(VSAT)를 개발하고 있다. 이는 최대 20미터 길이의 기둥에 수직 태양광 배열을 설치해, 평탄하지 않은 지형에서도 자율적으로 전개·수축하고 이동할 수 있는 시스템이다.
NASA는 또한 Regenerative Fuel Cell을 개발하고 있다. 이 기술은 에너지를 화학적으로 저장한 뒤 연료전지를 통해 다시 회수하며, 전기분해와 태양 에너지를 이용해 재충전한다. 이 기술은 최신 배터리보다 높은 에너지 밀도를 목표로 하며, 임무에 필요한 질량을 줄일 수 있다. 다른 프로젝트로는 Astrobotic의 착륙선과 CubeRover 사이에서 케이블을 통해 고전압을 전송하는 것을 시험하는 LunaGrid-Lite, 달의 밤과 영구 음영 지역에서 열과 전력을 제공하는 Zeno Power의 Harmonia 시스템이 있다. NASA는 또한 달 최초의 핵분열 원자로인 Lunar Reactor-1이 2030년에 표면에 착륙할 예정이라고 발표했다.
로봇공학과 현지 자원 활용
달 기지에는 장거리와 접근이 어려운 지역에서 자율적으로 작동할 수 있는 시스템이 필요하다. CADRE 프로젝트는 기지국과 여행 가방 크기의 소형 로버 3대로 구성되며, 서로 협력해 표면과 지하를 지도화하고 장애물을 피하며 지표 투과 레이더 조사를 수행한다. HI-RATE는 LIDAR 센서, 고성능 우주 프로세서, 인지·계획·제어 소프트웨어를 결합해 지구의 운용자에 대한 의존도를 낮추면서 로버가 더 먼 거리를 더 빠르게 이동할 수 있도록 하는 것을 목표로 한다.
극도로 추운 환경을 위해 설계된 로봇 팔 COLDArm은 장기간 지속되는 밤을 포함해 달 표면의 전체 열 범위에서 생존용 히터 없이 작동하도록 설계됐다. 이 구성 요소들은 열·진동 시험과 진공 환경에서 먼지 및 달 토양 모사체를 사용한 시험을 통해 기술성숙도 TRL 6에 도달했다.
현지 자원 활용 프로그램, 즉 ISRU는 달에 존재하는 물질을 수집하고 처리하며 저장하고 사용하는 데 초점을 맞춘다. 응용 분야에는 물 얼음을 추출해 호흡 가능한 산소를 생산하고, 금속을 건설에 사용하는 것이 포함된다. 로봇 굴착기 Infrastructure Pilot Excavator(IPEx)는 착륙 플랫폼과 방벽을 건설하고 건설 현장을 준비하기 위해 대량의 달 토양을 운반하는 것을 목표로 한다. NASA는 한 번의 임무에서 약 20미터톤을 운반하는 목표 능력을 제시하고 있으며, 페이지의 요약 데이터에는 11일 동안 10톤을 100미터 거리로 운반하는 시험이 언급되어 있다.
현지 처리의 예로는 집중 태양 에너지를 사용해 달 토양 모사체에서 일산화탄소를 추출하고 산소를 생산하는 Carbothermal Reduction Demonstration(CaRD) 프로젝트가 있다. 또한 Molten Regolith Electrolysis Tech Maturation(MRE) 프로젝트는 산소와 금속을 추출하는 반응기를 개발했으며, 제조에 사용할 수 있는 금속이 풍부한 부산물을 생산한다.
달 환경이 공학적 도전 과제가 되는 이유는 무엇인가?
장비는 적도에서 달의 낮 동안 최대 화씨 302도에 이르는 온도와 밤 동안 화씨 -292도까지 떨어지는 온도에서 작동해야 한다. 영구 음영 지역의 온도는 화씨 -418도까지 내려갈 수 있다. 이에 따라 NASA는 PALETTE 프로젝트를 통해 단열재와 열 분배 및 방출 시스템을 개발하고 있으며, 마모성이 강한 먼지에 대응하는 기술도 개발하고 있다.
Electrodynamic Dust Shield(EDS)는 전기장을 사용해 표면에서 먼지를 들어 올리고 제거한다. 이 기술은 2025년 Firefly Aerospace의 Blue Ghost Mission 1 임무에서 달 토양을 제거하는 능력을 입증했다. SCALPSS 카메라는 착륙선의 추진기 제트와 표면의 상호작용을 3차원 이미지로 촬영하며, 이를 통해 착륙 중 토양 침식과 먼지 분포를 이해하는 데 도움을 준다.
이 발전이 중요한 이유는 무엇인가?
NASA의 로드맵은 달 기지 건설이 단일 기술에 의존하는 것이 아니라 에너지, 통신, 컴퓨팅, 로봇공학, 현지 자원의 통합에 달려 있음을 보여 준다. Nokia의 달 통신 4G/LTE 시스템은 2025년에 달에 도착해 지구로 운용 데이터를 전송했으며, High Performance Spaceflight Computing(HPSC) 프로세서는 현재 우주비행 컴퓨터보다 최소 100배 높은 컴퓨팅 능력을 갖추도록 개발됐다. 동시에 에너지 효율과 고장 내성이 개선됐다. 실제로 이러한 능력은 로버, 발전소, 건설 장비가 더욱 복잡한 임무를 조율하고 현지에서 결정을 내릴 수 있게 하며, 지구에서 즉각적인 명령을 받는 데 전적으로 의존하지 않도록 한다.
NASA는 이 과정에서 기업, 대학, 정부 기관과의 협력에 의존하고 있다. 예를 들어 Mason은 Redwire Space와 함께 토양을 평탄화하고 압축한 뒤 전자레인지로 소결해 단단한 표면을 건설하는 데 투자하고 있다. 또한 Interlune과는 수소와 헬륨-3 같은 자원을 탐사하는 도구를 개발하기 위해 1년 반 동안 690만 달러 규모의 계약을 체결했다. NASA는 또한 Lunar Autonomy Challenge 도구를 비롯한 디지털 트윈과 인공지능 기술이 일부 개발 및 시험 과정에서 물리적 자원의 50% 이상을 가상 도구로 대체할 수 있다고 밝혔다.