지난 수십 년 동안 우리는 붉은 행성 이웃을 무인으로 많이 방문했다. 오늘날 화성 표면은 8개 이상의 궤도를 도는 위성에 의해 세심하게 스캔되며, 이 위성의 이미지는 크기가 1피트에 불과한 개별 특징을 찾아낼 수 있다.

 

훨씬 더 인상적으로, 3개의 탐사 로버가 현재 화성 표면을 가로질러 활발히 움직이고 있다. 대기와 표면 화학에 대한 자세한 정보를 제공할 뿐만 아니라 외계 풍경의 장엄한 이미지를 촬영하는 것이다.

 

그러나 이러한 놀라운 성과에도 불구하고 화성의 표면과 대기는 여전히 거의 탐사되지 않은 상태로 남아 있으며 그 중 많은 부분이 행성 과학자들에게 가장 흥미로운 장소이다.

 

그 중에는 로버가 탐색하기 너무 어려운 협곡과 분화구를 포함한 험준한 지형이 있다.

 

이 외에도 화성의 하층 대기에는 로버나 궤도 위성이 직접 탐사할 수 없는 중요한 측면이 많이 있다. 즉, 바람 패턴, 온도 변화, 얼음, 먼지 및 수증기의 이동이다.

 

풍력으로 구동되는 범선

 

일부 연구원들은 동력 항공기를 사용하여 이 지역을 더 철저히 탐사하기를 희망하고 있지만 가까운 장래에 임무를 수행하기에는 너무 작거나 너무 크고 복잡할 수 있다.

 

문제를 해결하기 위해 애리조나 대학의 Jekan Thanga와 동료들은 이제 완전히 화성풍에 의해 구동되는 새로운 항공기 설계를 제안했다.

 

팀의 디자인은 땅에 닿지 않고도 몇 년 동안 비행을 할 수 있는 새인 알바트로스에서 영감을 받았다. 신천옹은 기진맥진하지 않고 공중에 머물기 위해 여러 기술을 사용한다. 그 중에는 행성 표면이 태양에 의해 고르지 않게 가열될 때 생성되는 따뜻한 공기의 수직 상승 기류가 있다.

 

또는 상승기류는 바람이 가속되거나 절벽과 능선과 같은 지질학적 특징 주위로 우회될 때 형성될 수 있다. 두 경우 모두, 알바트로스는 단순히 날개를 펼치고 움직이는 공기를 타고 더 높은 고도로 이동함으로써 하늘을 날 수 있다.

 

새들이 사용하는 또 다른 메커니즘은 "다이나믹 급상승"이라는 지그재그 동작이다. 이것은 각각 다른 속도로 흐르는 두 덩어리의 공기 사이의 경계를 반복적으로 횡단하는 것을 포함한다. 여기에서 새들은 더 빠르고 더 높은 고도의 기단으로 들어갈 때 속도와 추진력을 얻은 다음 새로운 속도를 유지하면서 몸을 돌려 천천히 움직이는 기단으로 들어간다.

 

마지막으로, 그들은 더 빠른 기단에 들어가기 전에 다시 돌아서서 순환을 반복한다. 이러한 방식으로 알바트로스는 대기의 풍력 에너지를 거의 무한정으로 수확할 수 있지만 자체 에너지는 거의 소비하지 않는다.

 

협곡 탐험

 

Thanga의 팀은 화성의 낮은 대기에서 바람의 시뮬레이션과 범선의 운동 방정식을 결합하여 귀중한 과학적 데이터를 수집하면서 항공기가 가능한 한 오랫동안 비상할 수 있도록 비행 경로를 계산할 수 있는 방법을 보여주었다.

 

한 시나리오에서 그들은 한 쌍의 범선을 사용하여 화성의 새로운 협곡을 탐험하는 방법을 설명한다. 이 비행기 중 첫 번째 비행기는 협곡 바닥 가까이에 배치 및 탐색한 다음 동적 급상승을 사용하여 협곡 아래로 이동하거나 흥미로운 목표물을 배회하여 보다 자세한 이미지를 수집할 수 있다.

 

 

화성의 범선은 다양한 과학 장비를 실을 수 있다. 이미지출처: Emily Dieckman / 애리조니아 대학교

 

얼마 후 두 번째 범선이 협곡의 벽을 따라 비행하고 첫 번째 항공기의 데이터를 사용하여 잠재적인 흥미로운 표적을 식별한다. 이번에는 비행기가 반복적으로 바닥으로 잠수했다가 협곡 위로 다시 올라갔다. 협곡 벽에 의해 생성된 상승기류에서 에너지를 얻는다.

 

각자의 임무를 완수한 후, 비행기는 귀중한 과학 장비를 그대로 유지하면서 행성 표면에 각각 연착륙할 수 있다.

 

착륙 지점에서 각 범선은 보다 광범위한 기상 모니터링 네트워크의 노드인 지상 기상 관측소 역할을 한다. 이를 통해 연구자들은 도달할 수 없는 화성 표면의 날씨를 모니터링할 수 있다.

 

타기

 

애리조나 팀은 그들의 범선을 화성에 미래의 탐사선과 위성을 실을 수 있는 우주선에 쉽게 실을 수 있다고 제안한다.

 

단순하고 가벼운 디자인으로 인해 범선은 접혀서 큐브샛(CubeSat)으로 포장될 수 있다. 큐브샛(CubeSat)은 지름이 10센티미터에 불과한 작은 위성이다. 목적지 상공에서 범선은 하강하는 동안 우주선에서 빠르게 전개되거나 주 우주선이 착륙한 후 소형 연식 비행선이나 열기구로 공중으로 운반될 수 있다. 

 

Thanga와 그의 동료들은 대기가 화성의 낮은 대기의 역학과 매우 유사할 만큼 충분히 얇은 지구 대기의 높은 고도에서 설계를 테스트하기를 희망한다. 그들의 초기 실험이 성공한다면, 그들은 그들의 요트 디자인이 NASA의 자금 지원을 받아 궁극적으로 그리 멀지 않은 미래에 화성에 가는 임무를 수행하기를 희망한다.

 

화성 표면과 대기의 광대하고 새로운 영역을 탐사에 개방함으로써, 급상승하는 항공기는 곧 우리가 이웃 행성을 훨씬 더 자세히 이해하는 데 도움이 될 것이다.

 

궁극적으로 그것이 제공하는 측정은 화성이 먼 과거에 생명체를 수용했는지, 또는 미래에 화성이 인간 정착자들에게 적합한 새 집을 제공할 수 있는지를 포함하여 긴급한 질문에 답하는 데 한 걸음 더 다가갈 수 있다.