생활과학 잡학사전™ by 과학문화재단

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2007-05-25T12:31:24Z

ddd

고맙습니다

2007-05-25T12:29:28Z

어머니 고맙습니다

아침 무지개는 비가 올 징조이옵니다.

2007-03-19T12:45:38Z

아침 무지개는 비가 올 징조이옵니다.

김소저, 오늘 아침 하늘을 보셨습니까? 대기를 가득 채운 물기가 건너 하늘의 햇빛에 물들어 무지개가 생겼더이다. 고운 모습이 반갑기야 하겠소만, 행차를 하실 양이면 어서 돌아가 우산이라도 챙기시길 바랍니다. 서쪽 하늘의 물방울이 바람을 타고 날아와, 분명 비가 되어 그대 발부리를 적실 겝니다.

따뜻한 마음이 담긴 선조들의 일기예보, 과학기술부와 한국과학문화재단이 함께합니다.

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현실적인 우주 이야기_우주 감성 포화 1분전

2007-03-05T18:21:34Z

♣ 집에 한권은 있을 법한 과학 교양서

온가족이 함께 읽는 우주의 비밀
요아힘 부블라트, 한경희 역. 2002, 생각의나무.

이 책은 중력의 법칙을 발견한 뉴턴의 이후, 아인슈타인과 호킹에 이르기까지의 장고한 이야기를 담고 있다. 세상의 보이지 않는 힘과 법칙을 알아내고자 겨룬 물리학과 상대성이론, 블랙홀까지 세계와 이론과의 깊은 투쟁과 발견의 발달사를 보여준다고 할 수 있겠다.

과학이란 자칫 과학자들만의 주관적인 판단이 빗발치는 논쟁의 공간으로 보여질 수 있다. 책에서는 시간개념이 단지 ‘인간의 시간 유전자가 만들어내는 화학작용에 의한 환상’ 이라고 설명하며 가장 원시적인 형태의 과학인 ‘시간’ 마저 개인의 주관에 따를 수 있음을 시사하고 있었다.

대중들은 과학, 특히 우주과학을 전문가들만의 것이라고 생각한다. 하지만 과학적 지식은 인류 공동의 공헌에서 비롯한 재산이며 따라서 이러한 지식을 공유할 필요가 있다. 대중적인 과학 교양서로서, 딱딱한 지식이 아닌 삶의 일부분으로서 과학이 자리할 수 있게 도와줄 수 있는 좋은 책이다.

♣ 우주 공학도를 꿈꾸는 청소년들에게

우주 엔지니어의 꿈
김경호. 2006, 에세이.

100인의 에세이작가 시리즈의 41번째 책인 김경호 에세이 집이다.

개인의 에세이집이 우주지식에 어떠한 도움이 되는지 의아하겠지만 지은이는 항공공학과에서 석박사 과정을 마친 로켓엔진 개발의 실무자다. 즉 우주엔지니어다.

그가 일선에서 엔지니어로서 느끼는 단편적인 이야기들과 동시에 깊은 사색의 시간을 함께할 수 있는 에세이집. 전체적으로 5부로 구성되어 있는데 개인의 포부와 희망은 물론 우주강국으로서 우리나라의 좌표정립에 대해서도 살짝 언급하고 있다.

러시아의 로켓 기술에 반해 이 길로 뛰어들어 우주항공 전문업체의 임원이 되기까지의 그의 올곧은 삶의 단편들이 모두 고스란히 들어있다.

과학기술, 그 정점이라고 하는 우주과학의 최고봉 로켓제작과정에서의 고난과 일면 엔지니어에 대한 사회의 편견 등을 감수하고 묵묵히 외길은 걸은 그는 ‘한반도에서 엔지니어로 살아가는 것이 이렇게 힘들 줄 몰랐다’라는 언급까지 남겼는데.

실질적으로 우주항공과학 연구자가 되고 싶은 젊은 학도들에게 좋은 본보기가 될 만한 책이다.

♣ 박학다식을 꿈꾸는 이시대 지성인에게

평행우주 _ 우리가 알고 싶은 우주에 대한 모든 것
미치오 가쿠, 박병철 역. 2006, 김영사.

이제 우주에 대해 조금의 관심이라고 가지고 있는 독자라면 등장당시 가히 파격적이었던 블랙홀이론이나 초끈이론 등은 더 이상 놀라운 일이 아니다. 이미 널리 알려진 개념이 되어버렸기 때문이다. 이 책은 그러한 독자들을 위해 과감히 교양이 되어버린 지식의 비중은 줄이는 한편 첨단장비를 통해 얻은 최신의 정보들을 추가했다. 이로써 좀 더 현실적으로 정말 궁금했던 것들의 해답을 찾아가는 방식으로 쓰여있다.

대표적인 질문이라면 평행우주는 존재하는지, 시간여행은 가능한지, 우리의 우주에서 다른 우주로의 이동은 가능한지 등이 있겠다.

우주 연구자라고 해서 연구실에만 있던 것이 아니라 대중매체를 통해 끊임없이 사회와 소통해온 작가 미치오 카쿠는 우주론 연구의 핵심의 큰 맥락을 짚는 한편 독자들이 부담없이 읽어내려갈 수 있도록 많은 예를 사용해 이야기한다. 이 책에서도 다루고 있는 평행우주의 개념은 영화 『나비효과』나 『큐브2』 등에서도 사용되었다.

어린이 과학도서가 아닌 흥미로운 우주론에 대해 듣고 싶은 지성인에게 이 책을 권한다.

♣ 미래의 우주여행객에게

우주 여행 핸드북
에릭앤더슨 외, 권오열 역. 2006, 길벗.

대중에게 자칫 비현실적이고 황홀한 공상으로 자리할 수 있는 우주에 대해 지극히 현실적이고 실제로 우주여행을 하게 된다면 들고갈 수 있을 만한 책이다.

석양이 드리운 바다로의 여행이 그리 한적하지만은 않듯이 우주로의 여행도 황홀하지만은 않다. 우주에서도 인간은 끊임없이 먹어야 하고 수면을 취해야 하며 또 그만큼 생리적인 현상을 해결해야만 하기 때문이다.

지상에서는 지극히 일상적인 이러한 일련의 활동들을 우주선 안에서 어떻게 해결하고 또 처리해야 하는지에 대해 놀랍도록 현실적이고 실제적인 내용을 들을 수 있다. 더불어 우주에서의 비상사태에 대한 대응책도 짤막하게 나와있다.

제목 그대로 우주여행의 핸드북이 될 만한 책. 자신이 우주여행을 꿈꾸거나 우주여행을 동경하는 자녀가 있다면 권해주어도 괜찮을 만한 책이다.

- 명예취재원 권영

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외계인은? 신은? 그들은 과연 우주에 있을까?

2007-03-05T18:18:32Z

1.UFO와 외계인찾기

U.F.O. (Unidentified Flying Object). "미확인 비행물체"라는 뜻을 가진 이 세 글자는 이미 하나의 문화현상으로 발전되기도 했고, 수많은 신봉자를 낳기도 했다. 실제로 설명되지 않는 미확인 비행물체가 많이 발견되는 만큼 UFO를 비과학으로 못박는 것에는 무리가 있지만, 미확인 비행물체가 외계로부터 온 메시지인지 그저 정확히 분류되지 않은 자연현상인지는 구분해서 인식할 필요가 있다. 국내외에서 UFO관련 연구는 꾸준히 진행되고 있다. 다만 그것이 어떻게 해석되느냐에 따라 대중의 공감을 이끌어 내느냐, 신비주의 동호회 활동으로 그치느냐가 결정된다.

UFO와 외계인에 관련된 경험담은 다양한 종류와 함께 인류사를 관통할 만한 역사를 지니고 있다. 바꾸어 말하면 그만큼 쉽게 만들어지는 인간의 상상력이 만들어낸 문화의 소산일 수 있다는 얘기다. UFO의 등장, 외계인과의 조우, 납치와 그 이후의 이야기는 기억과 시간을 잃어버리거나 인체 실험을 당하고, 조종과 감시를 받고 있다는 등의 일반적인 패턴을 보인다. 특히 세기말에 불었던 외계인 열풍은 고대의 요정이나 신화이야기와 주인공만 바꾸면 서로 일맥상통한 면도 지니고 있다. 대중이 환상에 빠지는 것과 UFO가 외계인이 보낸 비행체와 동의어로 쓰이는 것을 경계하여 UAA(Unexplained Aerial Appearance)라는 용어가 제안 되기도 하였다.

1947년 7월 뉴멕시코 로즈웰에서 발견된 커다란 웅덩이와 이상한 물질들로 인해 불거진 “로즈웰 UFO 추락 사건”은 반세기가 넘는 동안 외계인들이 그곳에 있었다는 등의 수많은 미스터리를 낳았고, 미 공군에서 1994년 사건종료 공식 발표가 있은 후에도 논란은 사그러질 줄 몰랐다. 미국 정부가 UFO잔해물을 재빨리 수거해 공개하지 않았다는 주장이 설득력 있게 전파되었다. 하지만 로즈웰에서 발견된 외계인 사체 해부 현장을 담은 영상이 조작된 것으로 판명되고, 미군이 개발한 무중력 비행기를 테스트하다가 추락한 현장이라느니, 당시 소련의 미사일 공격의 흔적이라는 주장들을 포함한 조금은 황당한 예견들이 쏟아지면서 이 사건은 점점 당대의 히스테리적인 해프닝이 되었다.

미스터리 서클(Mystery Circle)은 들판 한가운데 농작물이 잘리거나 눌려 기하학적 모양으로 새겨진 것을 뜻한다. 이것은 영화로 만들어지기도 했다. 큰 규모와 함께 주위에는 어떠한 다른 자국도 없고 예술 작품과 같은 대칭성과 조형미를 갖춘 이 작품들은 사람들로 하여금 그것이 사람이 하기엔 불가능하다고 여기게 만들었다. 이름에서 볼 수 있듯 아직도 많은 사람들은 모양이 만들어진 경위에 대해 각종 억측을 낳고 있고, 여기서도 어김없이 외계인이 등장한다. UFO의 신호였을까, 외계인의 흔적일까에 대한 증명없이 추측만 난무하는 가운데 이미 들판에 곡물그림을 그린 작품자(?)몇은 자백을 했다. 강철, 널빤지, 밧줄 그리고 정원에서 쓰이는 기계를 이용했다는 그들은 아마도 자신들의 작품이 신비로움을 만들어 냈다는 사실보다 사람들이 아직도 자신들의 말을 믿지 않고 있다는 사실에 더 놀랄지 모른다.

태양계 행성 중 그나마 가장 지구와 비슷한 환경을 가지고 있고 물이 흐른 흔적이 발견되었다는 이유로 태양계 행성 중 외계생명체가 존재할 것이란 가장 강력한 의혹(?)을 받고 있는 화성에 사람 얼굴 모양의 바위가 발견되어 떠들썩 했던 때가 있다. 이 너비 2km, 길이 2.6km, 높이 457m의 거대한 화성 인면암은 1976년 화성탐사선 바이킹 1호가 전송해온 사진에 기초한 것으로 이러한 인면암 이외에도 주변에 인공구조물로 보이는 물체들도 함께 큰 화제를 몰고 왔다. 특히 주변에 보이는 피라미드 형상은 스핑크스를 닮았다고 주장되는 인면암과 함께 고대 이집트와 화성 문명의 연관성에 대한 증거 자료로 제시되기도 한다. 물론 이 형상은 인류가 지구상에 등장하기 이전에 만들어진 것으로 밝혀졌고, 이 이상의 생명체와 문명에 대한 어떤 다른 근거도 존재하지 않는다. 바람과 부식에 의해 생긴 암석층과 빛의 장난이라는 설명이 가장 설득력을 얻고 있는 것으로 보인다.

물론 외계인을 찾기 위한 노력은 과학적인 수단과 기계를 동원하여 이루어지기도 한다. 예를 들면, 미국 국립전파천문대의 드레이크 박사가 제안한 드레이크 방정식(Drake Equation)과 SETI(Search for Extra-Terrestrial Intelligence) 프로젝트이다.

드레이크 방정식은 다음과 같은 식으로 표현된다.

N=Ns＊Fp＊Ne＊F₁＊Fi＊Ft＊(L/Ts)

N은 우리 은하계에서 찾을 수 있는 지적 문명의 수를 나타낸다. Ns, Fp, Ne의 의미는 천문학적 연구를 통해 알 수 있는 것으로 순서대로 각각 우리 은하 내에 있는 별의 수, 모든 별 중 행성을 가진 별의 비율, 각 항성계당 생명체가 살 수 있는 환경을 갖추고 있는 행성의 수를 뜻하고 다음으로 F₁,Fi는 생존 환경을 갖춘 행성에서 실제로 생명체가 나타날 수 있는 비율, 그러한 행성에서 여러 생명체가 나타날 때 인간과 같은 지적 생명체가 출현할 비율이다. 나머지 Ft, L, Ts 는 각각 지적 생명체 중 전파 송수신이 가능한 기술을 갖추고 외계와 송수신할 의지를 갖고 있을 비율, 전파송수신이 가능한 기술을 갖춘 생명체의 문명지속 시간, 은하에 있는 별들의 평균 수명을 나타내는 계수이다. 이 방정식은 천문학뿐 아니라 생물학 및 사회학의 요소가 모두 포함되어 있다. 정답은 방정식에서 찾는 우리 은하계의 지적 문명이 알고 있지 않을까.

SETI는 외계의 지적 문명이 전파를 보낸다는 가정 하에 전파망원경에 스펙트럼 분석기를 장착하여 포착된 전파주파수를 분석하는 작업이다. 미국 버클리대가 설립한 SETI@HOME 연구소에서부터 시작되었으며 전세계 네티즌이 설치한 SETI화면보호기를 통해 푸에르토리코에 있는 아레시보 천체 망원경이 수집한 데이터를 분석한다. 200광년 거리내의 1천 개 별들의 전파를 조사하며 1,000~2,000MHz의 전파를 1Hz단위로 쪼갠 20억 개의 채널을 분석하고 있으나 아직 외계에서 온 것으로 보이는 신호는 검색되지 않고 있다고 한다. (http://setiathome.ssl.berkeley.edu/)

2. 우주비행사가 본 신의 존재

달에 두 번 다녀왔으며, 566시간 이상의 우주 체재 시간과 22시간의 우주유영(선외 활동, EVA : Extra Vehicular Activity)기록을 가지고 있는 유진 서넌(Eugene Cernan)은 인터뷰에서 다음과 같은 말을 전한다.(우주로부터의 귀환, 다치바나 다카시, 1983)

“우주에서 지구를 볼 때 너무 아름다워 감동을 받게 된다. 이처럼 아름다운 것이 우연히 탄생되었을 리가 없다. 어느 날 어느 때 우연히 부딪힌 소립자와 소립자가 결합하여 우연히 이런 것이 생겨났다는 사실을 절대로 믿을 수 없다. 지구는 그만큼 아름답다. 무슨 목적없이, 무슨 의지 없이, 우연만으로 이만큼 아름다운 것이 형성될 리 없다. 그런 일은 논리적으로 있을 수 없다는 걸 우주에서 지구를 바라보며 확신했다. 나는 가톨릭의 열렬한 신자라고는 할 수 없지만, 신은 믿고 있다. 우주 체험을 거듭할 때마다 신은 유일신 이외에 다른 것이 될 수 없다고 확신하게 되었다.”

물리학자로서 우주실험실인 스카이랩 4호를 타고 우주비행을 했던 에드워드 깁슨(Edward Gibson)은 진정으로 보편적이고 정신적인 지도자, 신이라면 지방마다 다를 리가 없고 우주에서는 인위적인 국경선 사이로 다툼을 벌이는 것이 아주 우스워 보이는 것과 마찬가지로 종교대립이 바보 같은 짓으로 보인다고 말했다.

같은 스카이랩 4호의 선장이었던 제럴드 카 (Gerald Carr) 또한 여러 종교의 신은 같은 신을 다른 눈으로 보았을 때 붙여진 이름에 지나지 않으며, 조화를 이루고 있는 세계에서 신은 카오스 같아 보이는 현상뿐 아니라 모든 현상과 사물에 질서와 조화를 이루는 패턴이 존재한다며 그러한 패턴의 배후를 인격을 준 것이 신이라는 생각을 밝혔다.

우주비행사는 지구 밖에서 지구를 관찰하는 경험이란 “실험”을 통해 지구 밖에서 인간을 감시하고 통제하는 신이란 존재하지 않는다는 것과, 경이로운 지구를 이끌어 나가는 조화의 원리를 실감하였던 것이다. 환상과 편견으로는 인간밖에 보지 못한다. 정말 신을 만나고 싶다면, 우주비행사가 되어 지구를 바라보아야 할 것이다.

3. 과학의 눈으로 세상 보기

설명할 수 없는 현상이 바로 신비스러운 초자연적인 것이라는 발상은 위험하다. 반과학, 유사과학의 관찰, 가설, 실험 과정에서 보이는 대표적인 특징들은 다음과 같다.

-긍정적 사례들만 강조하고 부정적 사례는 무시
-반복하여 관찰되거나 실험할 수 없고 모든 경우에 적용 불가능
-검증 또는 반증이 가능하지 않거나 오류 범위가 지나치게 넓음
-입증되지 않은 사건에 의존하며 주관적으로 예측하고 감정에 호소

어떤 이론도 완전할 수는 없다. 진실을 찾기 위해서는 끊임없이 문제를 제기하고 수정하는 과정이 반복되어야 할 것이다. 하지만 비판적 사고로 진실과 환상은 구분하여 인식해야 한다. 과학은 실패와 오류를 하나씩 반박하고 제거해 나가는 과정을 통해 발전해왔고 앞으로도 그럴 것이기 때문이다.

미국의 천문학자 칼 세이건(Carl Sagan)은 “특별한 주장에는 특별한 증거가 필요하다”라고 했다. 환상 속에 살기를 원하는 이들에게는 환상적인 증거가 필요한 것이다. 보다 나은 삶을 위해서 반과학적 주장과 그 증거로 제시되는 사실들을 부정하기 위해 과학적 증거로 반증하는 일 또한 중요하지 않을 수 없다. 호기심에도 검증이 필요하다.

정준오 명예기자
astonut@naver.com

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우주에서의 전파

2007-03-05T18:06:24Z

모든 소리와 열 등 인간이 느낄 수 있는 오감들은 특별한 매질을 통해서 전달된다. 그 매질의 대표적인 것들이 공기나 물 등이다. 하지만 우주공간은 이렇다 할 매질이 존재하지 않는 진공상태다. 그렇다면 이러한 우주공간에서 어떻게 소리가 전달되는 걸까. 나아가 지구와 우주선과의 통신은 어떤 방법으로 이루어지는 걸까.

이론적으로 우주선 밖의 우주공간은 소리 없는, 그러나 빛은 존재하는 텅 빈 공간이다. 빛이 도달하지 않는 부분은 어둡고 살벌하게 조용한 공간일테고 말이다. 이는 빛은 별다른 매질이 없어도 전달되지만 소리는 이를 전달해 줄 수 있는 매질이 필요하기 때문이다.

지상과의 통신을 하려면 일단 우주선 안의 공기를 통해 말이 송신 마이크로 전달되어야 한다. 공기를 매질로 해서 마이크로 전달된 음성은 별다른 전기신호로 전환되어 ‘전파’에 실려 지구로 전달되게 된다. 지구에 일정한 시차를 두고 전달된 이 전기신호는 다시 음성으로 재생되며 지구에서는 다시 적절한 답변을 전기신호에 실어 우주로 쏘아 보내게 되고, 우주선에서는 다시 이 신호를 소리신호로 변환하여 정보를 얻을 수 있게 된다. 전파는 빛과 같아서 별다른 매질 없이도 전달될 수 있으므로 지상의 발/송신부와 우주선의 발/송신부가 연결되어있다면 전기 신호를 주고받을 수 있다.

우주선 안에서의 의사소통도 이렇게 복잡한 과정을 거쳐야 하는 것은 아니다. 진공상태와 무중력상태가 다르기 때문이다. 우주선은 호흡과 기압유지를 위해 인공적으로 조성된 공기가 있는 상태에서 중력이 작용하지 않는 공간이다. 따라서 우주선 안에서는 소리가 공기입자를 통해 전달될 수 있다. 별다른 도구 없이도 우주선 안 승객들끼리는 대화할 수 있다는 뜻이다.

그렇다면 우주선 안에서 인터넷을 이용해서 메일 등을 확인하는 일은 가능할까. 보통 인터넷은 케이블로 연결되어있다. 무선인터넷도 단말기가 설치된 지역 부근에서 이용이 가능하다. 우주선까지 광케이블을 연결할 수 있다면 그곳에서도 인터넷을 이용할 수 있을 것이다.

하지만 우주공간에서 빛의 성질을 응용한 전파로 통신(송.수신)을 할 경우 물리적인 거리가 멀기 때문에 빛이 도달하기까지의 시간이 소요된다. 즉 지상에서는 서로가 자연스레 대화하듯 전파를 나눠가질 수 있지만 우주선과의 통신에서는 송수신기의 지연시간을 제외하고 생각하더라도 일정분의 시차가 생긴다는 것이다.

이제까지 가장 먼 곳에서 우주선이 보내온 통신거리는 135억 km 였다고 한다. 보이저 1호에서 보낸 전파는 빛의 속도로 약 12시간 30분 정도가 소요되는 정도의 거리였다고. 그 이후로는 보이저 호와 연락이 두절되었다고 한다.

이론상으로 전파가 도달할 수 없는 거리는 없으며 충분한 시간과 노후되지 않는 장비를 갖추었다면 무한히 먼 거리에서도 우주선과의 통신은 가능하다고 볼 수 있다.

한편 전파 하면 가장 먼저 떠오르는 것은 TV 송수신 전파인데 그렇다면 우주선에서도 지상 TV 방송을 시청할 수 있을까. 답은 부정적이다. TV 전파는 주로 대기권 상층부에서 반사되는 초단파(VHF)나 극초단파(UHF)을 사용하는데 이들 전파는 우주선까지 전달될 수 없기 때문이다.

게다가 우주공간에는 우주전파라고 해서 라디오의 잡음처럼 존재하는 자잘한 전파가 있다. 지상에서는 태양에서 오는 전파가 가장 크지만 이외에도 열복사의 일종인 우주배경복사, 은하중심과 은하 배경 등 각처에 분포된 전파원 등에서 발생하는 전파는 우주선과의 통신을 방해할 우려도 있다고 한다.

우주선과 지상과의 교신은 발사만큼이나 중요한 작업이다. 무인 우주선을 조종하기도 할 뿐 아니라 유인우주선의 탑승객의 안전귀환을 보장할 최소한의 요구조건이기 때문이다.

우주 여행을 소재로 한 여러 영화에서처럼 우주선과의 통신은 실제로 그렇게 매끄럽지도 않고, 그렇다고 그렇게 부실하지도 않다고 한다. 말로만 들어서는 모르는 우주선과의 통신. 어서 한국인 우주인과 생생하게 통신해보고 싶은 마음이 굴뚝같다.

- 명예취재원 권영

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우주 발사체에 사용되는 에너지원

2007-03-05T18:04:28Z

우주 발사체에 사용되는 에너지원

(1) 태양광 발전

국제우주정거장의 태양광 발전용 패널

위성을 비롯한 우주 발사체에 사용되는 에너지원으로서 가장 널리 알려진 것으로 태양광 발전을 들 수 있을 것이다. 태양광 발전은 주로 실리콘을 이용하며, 실리콘에 다른 원소를 첨가해서 만든 p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 구조로 되어있다. 이 p형과 n형 반도체가 접합하면 불순물의 농도차로 인해서 전자가 p형으로 확산해 가고, 정공은 n형으로 확산함으로 해서 발생한 전위차에 의해서 전력을 생산하는 것이다. 태양광 발전의 잇점은 무엇보다도 태양에너지를 무한히 이용할 수 있다는 점이다. 더우기, 우주에서는 대기나 불순물, 기후 변화가 없기 때문에 효율이 더욱 높아진다.

화성 탐사 로버(Opportunity와 Spirit) <사진 출처: JPL(NASA)>

2003년 여름에 발사되어 2004년 1월에 화성 표면에 연착륙 성공한 두 대의 로버(Opportunity와 Spirit)는 예상 수명 3개월을 훨씬 뛰어넘는 수명으로 4년째 화성 탐사를 계속하고 있는데, 이것도 태양광 발전에 의한 것이다.

하지만, 태양광 발전은 위성이 야간의 시간대로 들어가면 이용할 수 없다는 단점이 있으므로 축전지 등을 함께 설치할 필요가 있으며, 심우주로 멀어질수록 태양광이 줄어들기 때문에 다른 에너지원을 고려하지 않으면 안되게 된다.

(2) 열전 발전

Galileo, Ulysses, Cassini-Huygens 및 New Horizons에 사용된

RTG(Radioisotope thermoelectric generator)의 단면도 <사진 출처: NASA>

태양광 발전이 빛의 전기 에너지로의 변환이라면, 열전 발전은 온도차의 전기 에너지로의 변환이다. 열전 발전은 전기적으로는 직렬, 열적으로는 병렬로 연결한 p형, n형 반도체 소자의 양단에 방사성 동위 원소의 핵분열시에 발생하는 열로 인해 온도차가 발생한 경우, 전위차에 의해 전기 에너지를 발전하는 원리이다.

위의 그림은 NASA에서 태양계의 마지막 별인 명왕성 탐사를 위해 발사된 New Horizon등에 사용된 RTG의 단면도이다. 지구 궤도를 도는 위성들은 주로 배터리나 태양광 발전을 이용한 축전으로 전원을 공급하지만, 저멀리 우주공간으로 날아가는 위성에는 이런 식으로 반감기가 긴 방사성 동위체의 붕괴에너지를 열전 소자(Thermoelectric Element)를 이용해서 전기에너지로 환원(열전 발전, Thermoelectric Generation)해서 동력을 공급한다. 이 위성이나 Europe Space Agency에서 토성 탐사용으로 발사한 Cassini에는 열전발전용으로 Si-Ge계의 소자가 사용되었다.

(3) 연료 전지

수소와 산소 등에 의한 전기화학반응에 의해서 전력을 발생시키는 장치인 연료 전지는 수소 등의 연료와 산소를 계속 공급하면 계속적으로 전력을 공급할 수 있다. 그리고 화학 에너지에서 전기 에너지로의 변환 도중에 열 에너지의 형태를 거치지 않으므로 발전 효율이 높아서 노트북 컴퓨터, 휴대전화 등의 휴대 기기에서 자동차, 발전소까지 다양한 용도, 규모를 망라하는 에너지원으로 기대되고 있다. 미국의 유인 우주계획인 제미니5호에서 탄화수소계 수지를 사용한 고체 고분자형 연료 전지가 채용되었고, 아폴로 계획에서 스페이스 셔틀에 이르기까지 연료 전지가 사용되고 있으며, 부산물로 얻어지는 물은 음료수로 사용되고 있다.

동경대학 신영역창성과학연구과
김홍기

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우주복의 구조와 기능

2007-03-05T18:00:56Z

NASA의 우주복

(글로브에 부착된 거울로 보기 위해서 흉부의 일부 숫자나 글자는 반전되어 있는 경우도 있다)

<사진 출처 NASA>

무중력에 공기가 없고, 기압도 없는 우주 공간에서는, 그런 환경에 견딜 수 있도록 만들어진 우주복을 착용하지 않으면 활동할 수가 없다. 우주비행사의 생명 유지에 필수인 우주복에는 어떤 기능이 있는지 살펴보기로 하겠다.

우주복은 고진공, 무중력, 우주방사능 등의 환경으로부터 우주비행사의 생명을 보호하기 위해서 고성능으로 만들어진다. 국제우주정거장 내에서 착용하는 우주복과 국제우주정거장 밖에서의 선외활동을 하기 위한 우주복(선외활동 유닛;Extravehicular Mobility Unit(EMU))이 있는데, 여러 비행사의 체형에 맞도록 여러 조합을 할 수 있는 호환성 파트가 있으며, 재활용도 할 수 있다. 우주복은 약 0.3~0.4의 기압으로 유지되며, TV카메라, 라이트, 헬맷, 통신용 헤드셋, 음료수 백, 온도 조절 밸브, 글로브, 액체 냉각복(우주 공간은 저온이지만, 우주복에는 우주비행사의 체온이 빠져나갈 곳이 없으며, 태양 광선이 강렬하기 때문에 온도가 상승하게 됨), 산소가 들어있는 생명유지장치, 집뇨기 등으로 구성되어 있으며, 우주비행사를 미소 유성물질, 일사, 적외선, 기온과 기압 변화, 그리고 산소 결핍으로부터 지키기 위해 필요한 것이다. 그리고 여기에 더해서, 우주 유영중에 우주비행사가 자유롭게 움직일 수 있도록 유인궤도유닛(Manned Maneuvering Unit; MMU)을 부착할 수 있다. MMU는 질소 가스로 추진하는 백팩으로, 이것으로 우주비행사가 정확하게 움직일 수가 있다. 100kg 이상의 중량이지만, 물론 무중력이므로 문제가 되지 않으며, 산소 소비 등에는 개인차가 있지만, 우주 공간에서 약 8시간 작업할 수 있다.

우주선 발사시에는 부분적으로 가압된 우주복을 착용하며, 대기권 재돌입시에는 낙하산 팩을 부착하는 등, 임무에 따라 착용하는 우주복이 정해지기도 한다.

현재 미국의 우주복은 안에 0.3기압의 산소를 채우고 있기 때문에 선외활동을 하는 데에 많은 시간이 걸린다. 이유는 1기압의 스페이스 셔틀에서 갑자기 0.3기압의 우주복에 들어가면 기압의 변화로 혈액중에 녹아있던 질소가 가스 방울로 되어서 잠수병과 같이 되어버리기 때문이다. 이것을 방지하기 위해서는 45분간 산소를 흡입해서 혈액중에 질소가 없도록 해야된다. 국제우주정거장에서는 빈번하게 선외활동이 행해지므로, 최근에는 사전에 산소 흡입을 하지 않아도 되도록 우주복 내의 기압을 0.5기압으로 한 우주복이 개발되어 있다.

러시아의 우주복 <사진출처 NASA>

한국 최초의 우주비행사가 착용하게 될 러시아의 우주복(Sokol)은 1973년에 도입되어 현재까지 사용되고 있는데, 우주 유영이나 선외활동에서는 사용할 수 없는 대신, 사고로 인한 우주선의 감압시에 착용자가 생명을 유지하도록 하는 목적으로 만들어졌다. 중국의 우주복이 이와 비슷한 것은 러시아로부터 구입했기 때문이다.

우주복을 만들 때에 고려해야 할 것은 기압에 의한 압력 환경의 유지, 산소의 공급과 이산화탄소의 제거, 온도 제어, 적절한 기동성, 우주방사능으로부터의 보호 등이 있다. 이런 기능을 유지하면서, 안의 우주비행사가 체력을 소모하지 않고, 이동이나 작업시에 기동성을 잃지 않도록 하는 것이 중요하다.

우주복은 냉각복, 기밀유지층, 구속층, 단열, 미소운석 보호층 등의 10층 이상의 소재로 구성되어 있는데, 현재 미국, 러시아, 중국 뿐만 아니라, 캐나다, 유럽, 일본 등에서도 제조를 향한 연구가 행해지고 있다. 이런 조건을 갖춘 우주복은 고도의 기술이 투입되어 있어서 여전히 고가이지만, 우주 개발이 더욱 더 활발해지고, 우주 여행이 일반화 될 쯤엔 경제적이고, 간편하게 착용할 수 있으며, 기능성도 뛰어난 멋진 디자인의 우주복도 개발되리라 기대해 본다.

동경대학 신영역창성과학연구과
김홍기

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달에 가자!

2007-03-05T17:57:24Z

1. 지도 보고 가기

달에도 지도가 있다. 월면도(月面圖, selenograph)라 부르는 달의 지도에는 달 표면 지형들에 붙여진 이름이 표시되어 있다.

월면도 http://100.naver.com/moon/moon04.htm

달은 스스로 도는 데 걸리는 시간(자전 주기)와 지구주위를 도는데 걸리는 시간(공전주기) 이 27.3217일(태양과 지구, 달의 위치 변화로 생기는 음력에 쓰이는 달의 모양 변화 주기는 달이 공전하는 동안 지구도 공전하기 때문에 약 2.2일을 더하여 29.5일이다.)로 같기 때문에 지구에서 바라볼 때는 항상 같은 면만 볼 수 있다. 달을 포함한 태양계의 대부분의 위성들이 자전주기와 공전주기가 같다.

이것은 위성과 행성이 주고 받는 조석력(tidal forces)이 작용한 결과라고 볼 수 있다. 만약 달이 자전하지 않고 공전만 했다면 달의 모든 면을 육안으로도 볼 수 있었을 것이다.

그러면 전체 달의 지도는 어떻게 만들 수 있을까? 물론 달의 정확한 반만 볼 수 있는 것은 아니다. 달은 지구 주위를 공전할 때 정확한 원운동을 하는 것이 아니라 타원운동을 하는 것, 경사진 달의 궤도면, 달의 미세한 진동과 지구 여러 곳에서 달을 관측할 수 있다는 것을 이용하면 달 뒷면까지 달의 약 59%을 지구상에서 관측할 수 있다. 그리고 나머지 41%는 1959년 10월 당시 소련이 쏘아 올린 달 탐사선 “루나(Lunar) 3호”에 의해 최초로 발견된 것을 시작으로, 소련의 루나 프로젝트와 미국에서 처음 달 뒷편을 찍고 정밀지도를 만들어낸 달탐사선 루나오비터 등을 통한 소련과 미국의 주도적인 탐사작업 후에 지도가 그려지고 이름이 붙여졌다.

2. 달 탐험의 역사

1958년 NASA에서 지구궤도를 벗어나 태양계 탐사를 시도했던 첫 우주선이 파이어니어(Pioneer)이다. 파이어니어는 1958년부터 1978년까지 태양계 연구에 멋진 역할을 해냈다. 0호부터 3호까지는 실패를 거듭하다가, 1959년 달 표면 진입이 목표였던 파이어니어 4호의 미션이 성공했을 때는 이미 러시아의 루나(Lunar) 1호가 달궤도 진입에 성공한 상태였다.

러시아의 루나는 1959년부터 1976년까지 24기가 발사되었고 달 궤도에 진입, 달과의 충돌, 달 표면 연착륙, 달의 뒷면을 촬영하고 태양 및 달 주위를 공전하는 인공위성이 되는 것 등을 최초로 이루어낸 달 탐사의 시조였다.

1961년 4월 12일 보스토크 1호를 타고 지구 상공을 일주하여 인류 최초의 우주인이 된 러시아의 유리 가가린과, 같은 해 5월 5일 머큐리 3호를 타고 비행한 미국 최초의 우주비행사 엘런 셰퍼드 이후, 러시아와 미국 간의 우주 전쟁은 우주개발역사에서 중요한 부분이 되었고 인간을 달에 보내기 위한 노력이 소련의 경제가 붕괴되기 전까지 경쟁적으로 이어졌다. 그러나 인류최초의 우주인도, 최초로 달에 착륙한 달 탐사선도 모두 러시아로부터 나왔지만, 러시아는 결국 사람을 달에 보내는 데는 실패했다. 미국이 머큐리, 제미니 프로젝트를 거쳐 아폴로 7호~17호를 통해 24인의 우주비행사가 달 궤도 선회 비행하는 것을 성공시켰고, 이중 12인이 달을 밟는 동안 러시아는 무인 탐사선을 달에 보내는 것에만 성공하였다.

NASA의 달탐사 프로젝트는 무인 달 탐사선인 1960년대의 레인저와 서베이어, 루나오비터를 통해 계속되었다. 특히 이들은 달탐사 이외에도 머큐리, 제미니 프로젝트와 함께 인간을 달에 안전하게 보내기 위한 준비단계였다고 할 수도 있다.

1969년 7월 16일 발사되고 세 우주비행사가 탑승한 아폴로 11호의 닐 암스트롱, 에드윈 올드린이 20일 인류역사상 처음으로 달에 발을 내디뎠던 것은 그 이전의 수많은 계획과, 시도, 실패와 희생의 결과물이었다. 여러 우주비행사와 엔지니어의 인명손실과 천문학적인 액수의 예산투입을 통해 이루어낸 “인류의 커다란 도약”을 만든 아폴로 프로젝트는 17호를 마지막으로 냉전상태 완화 및 NASA예산 삭감 등과 함께 사라지고 우주개발은 우주실험실 스카이랩, 미-러 합동 궤도 프로젝트인 아폴로-소유즈 시험계획, 우주왕복선 등으로 나아가게 되었다.

이후 달 탐사 프로젝트는 1990년대 일본의 과학실험 위성 히텐(Hiten)과 미국의 클레멘타인 (Clementine), 루나 프로스펙터 (Lunar Prospector) 그리고 유럽 ESA의 스마트(Smart) 등으로 이어지고 있다.

3. 달에 가기

NASA는 2020년까지 달에 기지를 건설할 계획을 발표했다. 2014년경 사람을 태우고 달과 화성 등을 목표로 한 첫 비행을 국제우주정거장, ISS로 떠나게 될 이 우주선의 이름은 "오리온"으로 정해졌다.

달기지는 네 명의 우주인이 달에서 건설하게 되며 6개월간 기지에 머물게 될 것이다. 기지는 유리돔 형태로 모듈을 이어 붙여 조립하고, 달표면의 물질을 통해 공기가 공급되고 태양열을 통해 발전하는 등의 방식으로 만들어진다. 달 기지에서 과학자들은 우주와 생명, 물질의 신비를 파헤칠 연구와 지구와 충돌 가능성이 있는 소행성을 찾고, 인간이 우주에 머물 수 있는 환경 연구와 함께 화성 유인탐사 등을 준비하게 될 것이다. 음식은 지구로부터 전달되는 것 이외에 달에서 직접 유전자를 조작한 작물을 재배하는 방식도 연구 중이다. 그리고 2024년부터는 달에 사람을 상주시킨다는 계획이라고 한다.

2007년, 대한민국에 발사기지가 건설된다. 나로 우주센터에서 우리기술로 인공위성이 발사되고, 우리나라 사람을 태운 유인우주선이 우주를 누비게 될 멀지 않은 미래. 달에 가는 일, 생각보다 가까이 온 것이 아닐까.

정준오 명예기자
astonut@naver.com

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우주 식물육종(Space Plant Breeding)에 의한 작물 신품종 개발

2007-03-05T17:08:19Z

인간에 의하여 과학이 발전하여 통신, 전자, 기계, 항공, 신재료등에 비약한 발전들을 이룬다 하여도 가장 기본적인 생명 활동을 유지하는데 필요한 식량문제가 해결이 않된다면 인류의 생존은 위협받게 된다. 현재 지구의 상황에서도 나타나듯이 전 세계 산업화 발달과정에서 과도한 화석연료등의 사용으로 온실효과가 발생하며 기후재난을 일으키므로써 식량생산의 문제를 야기시키며, 공업화로 인한 대기가스의 오염으로 산성비를 생성하여 식물이 자라는 토대가 되는 대지의 산성화를 유도하여 식물이 자라지 못하게 되고 사막화를 가속시키고 있는 현실이다. 따라서 기존의 식량생산의 주요품목인 벼, 옥수수, 밀, 보리등의 생산성과 열악한 자연환경에 저항이 있으면서도 생산성 높은 식물의 필요성이 절실히 대두되고 있는 상황이다.

20세기초 녹색혁명을 통하여 인류의 식량문제를 해결하고자하는 전 세계적인 운동이 있었으나 가까운 미래에 다가올 자연환경에 대한 저항력으로는 약할 것으로 평가되고 있다. 따라서 제 2 녹색혁명이라고 명칭되는 바이오기술이 각광받고 있으나 현재 바이오기술에 의한 새 품종들은 유전자변형작물(GMO)로써 불려지며 생산되고 이용되고 있으나 인위적인 유전자 조작이 세포내에서의 잠재된 여러가지 독성물질의 생산가능성 및 세포 외부조작시 세포내로 도입되는 항생제 유전자들이 항생제 내성 에 대한 문제점들을 배제할 수가 없기 때문에 문제가 되고 있으며 자연에 저항력이 큰 원하는 형질을 아직까지는 마음되로 조작하기도 힘든 상황이다.

따라서 현재 유전자 조작에 의한 식물체 생산의 문제점등과 다양한 형질들을 쉽게 선택할 수가 있고 세포내의 유전자들을 다른 외부유전자들의 도입없이 쉽게 조작하는 방법으로는 유전자 돌연변이 유발 화학물질들을 종자에 일정시간, 농도별로 흡수시키거나 방사선을 비추어 유전자들의 부분 돌연변이를 유발시킨 후에 토양에 심은 후에 키워서 원하는 식물체를 즉, 혹독한 환경에 대하여 더 잘 자라고 더 생산성이 높은 식물체를 선발하는 방법을 이용하여 새로운 신품종을 만드는 기술이라고 본다.

인위적 육종 방법에 의한 다양한 색상과 모양을 가지는 새로운 화훼 품종들.

지구 지표면에서도 인위적인, 혹은 자연적인 방사선을 이용하여 종자의 돌연변이를 유발시키기도 하지만, 우주라는 공간은 지구환경과는 엄연히 다른 환경인자들이 존재한다.

첫째는 무중력이며 둘째는 우주 방사선으로써 지구의 대기층에 의해 지구대기로는 투과 되지 못하는 많은 우주 방사선들이 우주에는 그대로 존재하는 것이다. 따라서 우주 공간에서 노출된 지구의 식물종자들은 무중력과 우주 방사선이라는 외부 인자들에 의해 지구에서는 노출되기 어려운 상황에서 새로운 돌연변이체를 생성할 가능성이 높아지는 것이다.

이들 일명 ‘우주육종(Space breeding)’이라고도 부른다.

우주 비행선에 식물종자를 탑재시켜 우주 공간의 진공, 복사, 무중력 등 특징을 이용하여 종자의 유전자를 양호한 유전자로 변화시킨 다음, 지구면에 되돌려온 후 종자를 다시 선택하고, 육종시키는 방식이다. 품종을 개량하기 위해 종자에 쪼이는 방사선은 인공으로 만들거나, 우주에 올려 우주 방사선을 쪼이게 할 수도 있다. 마른 종자나 식물의 배(embryo) 조직, 식물체 자체는 방사선을 쏘이게 되면 DNA 사슬의 일부가 끊어진다. 식물로서는 유전자에 사고가 발생하는 것과 같다.. 유전자는 즉시 복구작업에 들어가게 되지만 그때 실수로 원래의 DNA 염기서열 조각 대신 다른 것으로 그 사슬이 이어지는 경우가 있다. 그런 종자가 발아되면 기존 품종과는 다른 신품종 즉, 우리가 말하는 슈퍼 돌연변이들이 나온다.

방사선으로 품종을 개량하는 것은 유전자조작과는 달리 다른 종의 유전자를 이식하지 않아 환경이나 식품 안전성 등의 논란이 크게 없다.

방사선을 쪼여 작게 만든 무궁화 ‘꼬마’(왼쪽 화분). 사진제공 방사선연구원.

이러한 우주육종을 거친 고추의 경우는 평균 한 개의 무게가 일반 고추에 비하여 200ｇ가량 더 무겁고, 병에 대한 저항력이 높으며, 수확량이 많은데 일반적인 품종에 비하여 30%의 증산 효과가 있다. 우주육종을 거친 토마토도 일반적인 품종에 비하여 맛이 좋고, 생산량이 높은 특징을 갖고 있다.

벼의 경우에는 생장력이 빠르며 수확량이 20% 증가한 신품종, 무게가 1kg이나 나가는 오이, 수확량이 10배가 증가 된 토마토 등이 재배되고 있다. 일반적으로 작물의 키가 크면 수확량이 크다고 생각되지만 벼, 보리, 밀과 같은 작물의 경우 수확시기에 이삭의 수가 많으면 그 무게로 인해서 밑으로 쳐지게 되거나 긴 줄기가 힘을 지탱하기 못하고 꺾기거나 부러지면서 수확량이 오히려 많은 부분은 감소하는 현상이 발생한다. 따라서 이러한 작물의 경우는 줄기가 짧고 굵은 작물이 생산성 증대에 유리하기 때문에 이러한 특징들을 갖는 품종을 개발하려고 많은 연구가 시도되고 있으며 우주 육종도 그 방법 중에 하나로 사용되고 있는 것이다.

우주에서 왜생종 밀(darwf wheat)의 생장실험

전 세계는 에너지인 석유에 대한 쟁탈전이 심화되고 있다. 그러나 우리가 또 일상생활에서 보지 못하고 지나가는 또 하나의 가장 큰 전쟁은 종자전쟁이다. 제한된 농경지에서 단위 면적당, 일정 재배 기간동안 자연적, 인위적 환경에 저항력이 크고 수확량이 많은 고품질의 작물 생산을 얻는 것은 모든 이들의 공통된 관심사이다. 이러한 이유 때문에 많은 나라들은 작물의 재배를 위하여 고품질의 다수확 종자들을 매년 비싼 비용과 로열티를 지불하며 수입하고 있는 상황이다.

또한 우주 육종에 의한 신품종의 개발은 인간의 우주 개발에도 아주 중요한 영향을 미치게 될 것이다. 그 이유는 우주 은하계 탐사시 필요한 식량 문제를 우주선 내에서 자체적으로 해결할 수가 있으며 식물의 재배시 광합성 반응에 의해 발생되는 산소는 인간의 우주탐사에 있어서 생명유지에 필요한 중요한 또 하나의 필수인자를 제공하기 때문이다.

명예기자 김재윤

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우주탐험과 광합성의 필요성

2007-03-05T17:04:32Z

우주탐험과 광합성의 필요성

인류가 장기간의 우주탐험에 도전하게 되었을 때, 가장 필요하면서도 걱정이 되는 문제는 무엇일까? 제일 먼저 생각나는 것들이 바로 식량, 산소, 물이 될 것이다. 이 3가지들이 충분히 공급되지 않는다면 인간은 우주탐험의 꿈을 현실화 시키지 못할 것이다. 노아의 방주에 한쌍의 다양한 동물들을 실고 지구의 종말을 대비하였다면 현재의 과학기술은 각 동물의 정자, 난자 혹은 체세포만 존재한다면 복제 동물을 만들어 낼 수가 있으며, 스피노자의 말처럼 “내일 지구의 종말이 온다하여도 오늘 나는 한 그루의 사과 나무를 심겠다”는 희망의 말만 남기는 것이 아니라 살아있는 식물체의 한 부분만 채취해서 우주선을 타고 우주로 나가서 필요에 따라 어떤 부위의 식물체 조직으로부터 완전히 복제된 똑같은 뿌리, 줄기, 잎을 가지는 식물체를 만들어 낼 수 있는 과학의 시대에 생활하고 있다. 그러나 우주탐험에는 반드시 인간이 호흡에 사용하는 산소가 필요하다. 이들 산소는 어떻게 지속적으로 우주에서 공급 받을 수가 있을까? 바로 우리가 항상 매일 매일 보는 식물들의 광합성 반응에서 그 해답을 찾을 수가 있다.

생명체는 광합성에 의존한다.

생화학경로 중 가장 중요한 것이 무엇이냐고 묻는다면, 대부분의 생물학자들은 주저하지 않고 식물, 조류, 그리고 특정 미생물들이 빛에너지를 사용하고 빛에너지를 화학에너지로 전환시키는 광합성(photosynthesis)이라고 대답할 것이다. 이것은 지구상의 모든 생명체가 결국은 광합성에 의존하고 있기 때문이다.
광합성이 일어나지 않는 세상은 더 이상 살아있는 세계가 아니다. 핵에 의한 대량 파괴, 대규모 화산폭발, 운석충돌 등의 사건으로 하늘이 어두워진 여파를 과학자들은 ‘핵 겨울’ 이라 부른다. 이러한 사건 후에 지구 표면에 도달하는 빛의 세기는 평소의 10분의 1에 불과하여, 식물이 태양의 빛에너지를 사용해서 만들어낼 수 있는 탄수화물보다 자신의 탄수화물을 더 많이 에너지로 써버리게 되면 결국, 식물은 죽게 된다. 식물을 먹는 동물들은 굶주리게 되고, 그런 동물을 먹는 동물들도 굶주리게 된다. 광합성이 중단되면 치명적인 연쇄반응이 시작되어 먹이사슬은 기초부터 붕괴된다. 작은 규모의 재앙이 발생한 후에 다시 나타나는 첫 생명체는 식물이다.

광합성을 하는 다양한 생명체들.

광합성의 산물인, 포도당과 그 외의 생체분자를 광합성 산물(photosynthate)이라 부르기도 한다. 이러한 분자는 식물에는 직접적으로, 다른 생명체에는 간접적으로 거의 모든 생명체에 에너지를 공급해준다. 식물은 광합성 산물의 절반을 세포호흡과 광호흡의 연료로 사용한다. 식물은 광합성 산물을 아미노산, 저분, 설탕, 셀롤로오스, 포도당, 고무, 퀴닌(quinine), 그리고 향신료를 만드는 데에도 사용한다.

(1) 광합성은 이산화탄소를 탄수화물로 전환시킨다

오늘날 우리가 알고 있는 생물 종의 약 10% 정도가 광합성을 한다. 광합성은 태양에너지를 사용하여 생물학적으로 중요한 화학에너지를 만드는 생화학적 과정이다. 태양에너지는 식물세포에 있는 특정한 색소분자에 의해 포획되고 이산화탄소(CO2)를 포도당(C6H12O6)으로 전환하는 효소에 의해 사용된다. 물은 광합성과정에 사용되고 산소(O2)는 부산물로 방출된다. 광합성 과정을 다음과 같이 요약할 수 있다.

빛에너지
6CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 +6H2O
위 광합성 반응의 역반응은 바로 호흡이다. 즉 광합성은 합성과정이며 호흡은 분해 과정으로써 산소를 이용하여 포도당을 분해함으로써 에네지를 방출 시키는 것이다.
광합성과정에서 방출되는 산소는 CO2로부터 나온 것이 아니라 H2O로부터 나온 것이다. 어떤 세균은 H2O 대신에 H2S를 사용해 광합성을 한다. 이런 미생물들은 에너지가 풍부한 유기대사산물과 함께 산소(O2) 대신에 황(S2)을 방출한다.

(2) 광합성은 어떻게 진화되었나?

진화를 통해 광합성과정이 생기기 전까지 모든 생명체는 주변환경으로부터 에너지가 풍부한 유기화합물을 흡수하고, 그것들로부터 다른 유기화합물을 만들었던 종속영양생물(heterotrophs)이었다. 이런 초기의 종속영양생물은 주변으로부터 얻어진 탄소화합물을 산화할 때, CO2를 환경으로 배출했다. 초기 생명체들은 CO2의 탄소를 사용하지 못했기 때문에, 그들의 서식처에 있는 유기화합물이 고갈됨에 따라 멸종의 위기에 직면하게 되었다.
약 30억년 전에 나타난 광합성과정은 생물에 새로운 에너지원을 제공해 주었다. 광합성을 하는 생물들은 빛에너지를 사용하기 시작하였다. 그런 생물은 환경으로부터 직접 유기물을 획득하기보다는 물과 CO2 같은 무기화합물로부터 유기화합물을 만드는 처음으로 광합성을 하는 독립영양생물(autotrophs)이었다. 빛에너지를 화학에너지로 전환하는 독립영양생물의
이러한 능력은 곧 다른 형태의 생명체를 지원하게 되었다.

산소는 생명 세계를 변화시켰다.

광합성을 하는 생물의 출현은 지구를 근본적이고 변화시켰다. 광합성은 대기 중의 CO2 농도를 감소시키고, 지구의 온도를 떨어뜨렸으며, 북극의 빙하를 높게 했다. 또한 해수면을 낮추고, 대기를 다른 생명체의 생존에 필수적인 산소로 채웠다. 대기의 산소 비율은 아주 적은 비율로부터 점점 증가해서 오늘날에는 20%에 이른다. 산소는 유산소 호흡과 다양한 종의 진화를 가능하게 해주었다. 우리들이 호흡하는 공기 중의 산소는 광합성을 하는 생물에 의해 순환된다.

광합성에 의해 발생되는 산소들은 공기 중에서 높은 에너지를 가지는 우주방사선과 자외선들에 의해 화학반응을 일으켜 오존(O3)를 생성하였으며 이렇게 형성된 오존층은 지구 대기권 외부에서부터 지구 지각으로 투과되는 우주 방사선과 자외선들의 투과를 막아내는 방어막과 같은 역할을 하게 됨으로써 수생식물의 육지로의 진화를 유도 할 수가 있었던 것이다.(그림3)
이처럼 광합성 기능은 인류에게 생명현상을 유지 할 수 있게 하는 에너지공급원인 식량을 제공함과 동시에 호흡에 필요한 산소를 공급할 수가 있었으며 오존층 형성에 중요한 역할을 담당하고 있다.

또한 빛에너지를 화학에너지로 전환시키는 광합성 기작은 높은 에너지 전환효율을 가지므로 광합성 기작에 대한 에너지 전환 기술에 대한 연구는 우주에서 태양열을 다른 에너지로 전환하여 사용하는 데에도 큰 역할을 할 것이다. 최근에는 꿈의 에너지원이라는 수소기체를 산소와 더불어 발생하는 광합성 생명체들이 발견되었고 더불어 많은 연구들이 이루어 지고 있다. 이들 수소를 산소와 함께 발생시키는 광합성 생명체들이 바이오기술의 힘을 이용하여 극대화 된다면 인류의 우주 탐험의 현실화는 더욱 앞당겨 질 것이다.

인류가 이제 우주탐험을 하게 된다면 인류에게 식량, 산소, 물을 공급해주는 식물의 광합성기능을 인류가 어떻게 효율적으로 사용할 수 있는냐가 우주 탐험 성공여부의 열쇠 역할을 하게 될 것이다.

명예기자 김재윤

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스타워즈의 R2-D2를 꿈꾼다. 우주 탐사에 이용되는 로봇들

2007-03-05T17:01:25Z

조지 루카스 감독의 스타워즈 시리즈를 재미있게 보신 분들이라면, 여러가지 기능을 이용하여, 재치와 기지로 주인공을 도와주던 R2-D2로봇을 기억하실 것입니다. 주인공을 도와, 여러가지 궂은일을 해내는 R2-D2의 활약은 영화를 본 시청자들에게 큰 인기를 끌었으며, 그 결과 R2-D2는 영화사상 가장 인기 있는 로봇 캐릭터로 남게 되었습니다. 실제의 우주 탐사 에서도 그 역사가 길지는 않지만, 최첨단의 여러가지 로봇이 이용되어 성공적인 우주 탐사 계획에 있어서 큰 역할을 담당하였으며, 지금도 많은 로봇들이 개발되고 있습니다.

우주 탐사 로봇의 슈퍼스타 소저너(Sojourner)

소저너는 지구 밖 외계행성의 흙을 밟은 최초의 로봇입니다. 패스파인더호에 실려 1997년 미국의 독립기념일에 화성 표면에 안착한 소저너는 임무 시작 시부터 온갖 우여곡절을 겪었습니다. 패스파인더호의 에어백에 걸려 패스파인더호 밖으로 나오지 못하여, 관제요원들의 애를 태우더니, 탐사 개시 후 주먹만한 돌 틈에 끼어 꼼짝도 하지 못하여, 지구 관제소의 로봇개발팀들을 안절부절 못하게 하였습니다. 하지만 소저너는 패스파인더호와의 통신 두절로 임무가 종료 될 때까지 83일의 기간 동안 화성표면에서 화산 활동의 흔적, 홍수에 의해 퇴적된 구조, 풍화에 의한 침식 증거들을 발견하는 등 성공적으로 그 임무를 마치게 됩니다. 자그마치 지구로부터 1억 9천 1백만km 떨어진 화성의 표면에서 로봇 홀로 정확히 그 임무를 수행해 냈다는 사실은 경이롭고 놀랍기만 합니다. 현재는 소저너의 뒤를 따라, 쌍둥이 로봇인 스피릿과 오퍼튜니티 로봇이 화성에서의 임무를 수행하고 있으며, 이 로봇들은 예상 수명 3개월을 훨씬 넘는 4년 째 임무를 수행하고 있습니다.

최초의 탐사 로봇 소저너 쌍둥이 로봇 오퍼튜니티와 스피릿

우주왕복선 디스커버리호를 수리하는데 큰 공을 세운 캐나다암(Canada arm)

캐나다암에 매달려 우주유영을 하고 있는 스티브 로빈슨

2005. 8. 3. 디스커버리호의 스티브 로빈슨은 사상 첫 우주공간에서의 기체 외부 수리를 통해 우주왕복선의 결함을 고치는 데 성공하게 됩니다. 이 첫 우주공간 기체 외부수리에는 캐나다암이라 불리는 로봇 팔이 중요한 역할을 담당하였습니다. 당시 스티브 로빈슨은 상하 좌우로 자유롭게 움직이는 길이 17.7m의 로봇 팔 끝에 매달려 우주왕복선의 선체 밑으로 이동하여 선체 표면 밖으로 튀어나온 2개의 충전재 조각들을 제거하는데 성공하였으며, 그 덕분에 디스커버리호는 지구로 성공적으로 귀환할 수 있었습니다. 2001년 4월 22일 국제 우주정거장(ISS)에 설치된 이후로 각종 우주 건설 작업에 핵심장비로 투입되어 이용되어온 캐나다암은 이 사건 이후로 여러 번 뉴스에 오르락 내리락 하면서 세계에서 가장 유명한 로봇 중의 하나가 됩니다.

미래의 우주 탐사 로봇들

현재 나사에서는 탐사 로봇의 속도, 민첩성, 지형 극복 능력 등을 향상시키기 위해, 여러가지 연구를 진행시키고 있습니다. 사진에서 보이는 Inflatable Rover도 그 연구중의 하나로서, 풍선 같은 큰 바퀴를 달고 있는 모습이 엽기적으로까지 보입니다만, 실제로는 화성 표면을 덮고 있는 바위의 크기 등을 분석•예측하여, 지형을 쉽게 넘을 수 있도록 디자인한 것이라고 합니다. 지상에서의 실험결과 실제로도 훌륭한 지형 극복능력을 보여주었다고 하지만, 풍선이 터지지나 않을까 걱정이 됩니다.

나사에서 개발하고 있는 Big Wheels Inflatable Rover

이처럼 성공적인 로봇들의 활약상은 일면 화려해 보일지 모르지만, 그 이면에는 수 많은 참담한 실패가 있었습니다. 한 예로, 화성 탐사 계획의 경우 지금까지 시도된 30여 회의 로봇 우주선 발사 중에서 1/3만이 성공을 거뒀고, 나머지는 모두 우주 속의 먼지로 사라졌다고 합니다. 제 인생을 피어보지도 못한 채 한줌의 재로 사라진 로봇들의 실패를 거울 삼아 불철주야 노력하고 있는 과학자들의 노고에 박수를 보냅니다.

명예취재원 정회성

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더하기 희망, 빼기 두려움

2007-03-05T12:36:03Z

더하기 희망, 빼기 두려움

　우리는 늘 어떤 숫자와 함께합니다. 주민등록번호로 나를 증명하고, 휴대폰 번호로 나를 알립니다. 꼼꼼한 계산은 살림에 도움을 줄 뿐만 아니라, 우주여행을 가능케도 하지요. 세상의 흐름은 이런저런 '수'를 만들어 내고, 그 속에는 '수'가 들려 주는 당신의 삶이 있습니다.

수를 통해 만나는 새로운 세상. 과학기술부와 한국과학문화재단이 함께합니다.

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