금성은 지구와 크기와 질량이 거의 같다. 그 지형은 우리처럼 바위가 많고 압축되어 있다. 한때 바다가 있었을 수도 있다. NASA는 그곳에 임무를 보내기를 열망하고 있다. 불행히도 표면은 화씨 800도이며 압력이 너무 강하면 반죽이 될 것이다. 행성 전체가 치명적인 황산 입자로 뒤덮인 흐린 담요로 시야에서 가려져 있다.  

1980년대에 러시아 Vega 임무에서 보낸 하나는 행성 표면에서 단 56분 동안 생존했다. (전임자인 소련의 Venera 시리즈 착륙선도 갑자기 사망했다.) 이 모든 것이 금성 탐사를 막다른 골목으로 만드는 것처럼 보일 수 있다. 아마도 환대가 부족하기 때문에 행성은 화성보다 훨씬 덜 연구되었다. 자매 행성의 경우 우리는 그 장소에 대해 잘 모른다.

 

그러나 미래의 금성 탐험가들이 희망을 잃기 전에 찾아보는 것이 좋을 것이다. Vega 임무의 또 다른 부분은 우주 탐사의 큰 성공 중 하나로 간주된다. 풍선은 행성의 화산 평원 위 54km 상공에서 금성 중간 대기를 떠돌아다녔다. 거기까지는 거의 상쾌했다. 온도는 약 화씨 80도였으며 압력은 지구 표면과 비슷했다. 풍선은 지구 주위를 거의 7,000마일을 항해했으며 배터리가 죽기 전에 지구에서 이틀 이상 생존했다. 그들의 제한된 센서는 온도, 기압, 바람, 조도, 구름 입자 및 고도에 대한 직간접적인 데이터를 제공했다. (임무에 대한 현대적 분석은 그들이 이슬비 내리는 황산비를 뚫고 떠내려갔을 수도 있음을 보여주었다.)

 

따라서 NASA는 표면의 열과 압력을 견딜 수 있는 스팀펑크 기계식 로버를 만드는 일을 꾀하는 한편, 항공 탐사도 고려하고 있다. 그들은 행성의 하늘에서 무엇을 발견할 수 있을까? 칼 세이건은 언젠가 이렇게 썼다. “금성 구름 속의 토착 생물학을 상상하는 것은 결코 어렵지 않다. (아마도 부유방이 있는 주머니가 있고 물과 미네랄에 대한 미각이 있는 것일 수도 있다고 그는 말했다.) 작년에 과학자들은 대기에서 혐기성 생명체(또는 그냥 화산일 수도 있음)의 잠재적 징후인 포스핀의 징후를 감지했다. 행성 표면만큼 뜨겁게 달아오른 외계 생명체에 대한 논쟁을 불러일으키고 있다.

 

North Carolina State University의 행성 지질학자인 Paul Byrne은 "금성에서 공중 플랫폼을 비행하는 것은 매우 유리할 것이다."고 말했다. NASA 팀의 풍선 연구와 관련이 없지만 Byrne은 이 아이디어가 행성 대기의 화학적 측정에서부터 약한 현대 자기장의 증거, 표면의 적외선 이미지에 이르기까지 연구원들에게 많은 새로운 데이터를 제공할 수 있다고 생각한다.

 

이것은 2019년에 NASA JPL, Caltech 및 국제 과학자들로 구성된 팀이 미래의 금성 공수 임무 중 하나인 행성의 지진학을 도청하는 큰 목표 중 하나를 달성할 수 있는 풍선을 만들기 위해 분주하게 움직이는 이유를 설명하는 데 도움이 된다. 지구물리학 연구 레터(Geophysical Research Letters)에 5월에 발표된 그들의 발견은 우리 행성의 지진으로 인해 대기에서 저주파 음파를 포착하는 것이 금성지진을 듣는 데 얼마나 좋은 방법인지 보여준다.

 

 

2019년 릿지크레스트 지진 이후 과학자들은 지진 감지 장비를 높이 실을 수 있는 초경량 헬리오트로프 풍선을 만들기 위해 달려갔다. 사진: GERRY WALSH/NASA

 

지진학은 파도에 관한 것이다. 지진의 진원지는 연못에 떨어진 돌과 같다. 교란은 지각을 따라 바깥쪽으로 파문을 일으킨다. 그 움직임은 지면 바로 위 공기의 압력 변화로 해석된다. 이것은 초저주파(인간이 들을 수 없을 정도로 길고 느린 음파)를 생성한다. 이 음파는 지구를 따라 이동할 때 대기(진심파)와 지진파 위(표면파) 모두에서 대기를 통과한다. 

지구에서 지진학 지상국 네트워크는 센서를 사용하여 이러한 파도를 감지하고 지진의 진원지와 강도를 식별한다. 새로운 연구는 센서가 장착된 풍선이 어떻게 공중에서 동일한 작업을 수행할 수 있는지 보여준다. 진앙 또는 지상 초저주파만 포착하는 풍선 기반 기압계는 지진의 위치와 강도에 대한 통찰력을 제공할 수 있다. 둘 다 포착하는 것은 행성의 지각이 어떻게 생겼는지 말할 수 있다. 그것은 우리가 실제로 볼 수 없는 행성의 표면을 조사하는 데 유용할 수 있다.

 

(지진학 데이터는 우리가 볼 수 있는 데이터에도 적용된다. InSight 착륙선의 Marsquake 판독 값은 화성 지각을 매핑하는 데 매우 중요했다.)

 

공중에서 금성의 지진학을 연구하는 것이 가능하다는 것을 증명하기 위해 팀은 지진이 자주 발생하는 오클라호마에서 비행 캠페인을 계획했다. 아마도 균열로 인한 것일 수 있다. 그러나 2019년에 JPL의 로스앤젤레스 본거지 근처에서 Ridgecrest 시리즈의 지진이 발생하여 수천 개의 작은 여진이 발생했을 때 수석 프로그램 관리자 James Cutts, 연구 기술자 Siddharth Krishnamoorthy 및 팀의 다른 사람들은 기회를 감지했다. Krishnamoorthy는 "이 작업은 나중에 진행될수록 여진이 약하고 덜 많았기 때문에 신속하게 수행해야 했다."고 말한다.

 

문제: 아직 풍선이 없었다. 광란의 16일 동안 그들은 플라스틱 시트와 테이프를 사용하여 만든 지름이 약 20피트, 높이가 12피트인 간단한 풍선인 4개의 초경량 "헬리오트로프"를 만들기 위해 분주했다. Tortoise, Hare, Hare 2 및 CrazyCat으로 명명된 헬리오트로프는 태양이 목탄으로 덮인 플라스틱 풍선 "봉투" 내부의 공기를 가열하면서 성층권으로 상승했다. 그들은 각각 기압 센서 패키지가 아래 밧줄에 매달린 채 산들바람과 함께 자유롭게 떠다니며 여진의 아주 희미한 소리를 듣는다.

 

2019년 7월 22일, 그 여진으로 땅이 흔들렸다. 풍선 아래로 지나갈 때 표면 초저주파 교란을 일으켜 4.8km 위로 이동하여 Tortoise의 기압계에 충돌하여 일련의 작은 압력 변화로 기록되었다. 이러한 변경 사항은 너무 작아서 Krishnamorthy는 비행 후 데이터를 분석하는 데 몇 달이 걸렸다. 그러나 거기에는 풍선 근처 지역에 있는 4개의 지상 기반 지진계 관측소의 지진 판독값과 깔끔하게 일치하는 작은 파도 프로파일이 있었다. 그들은 여진으로부터의 초저주파 전파의 컴퓨터 모델과도 일치했다. 거북이는 지진을 들었다.

 

그러나 풍선이 금성의 대기에 떠 있는 동안 지진 초저주파를 포착할 수 있을까? 그곳에서 풍선은 5km가 아닌 약 50km로 훨씬 더 높이 날 것이다. 그 고도에서 금성의 산성 구름은 초저주파파를 약화시켜 감지하기가 약간 더 어려워질 수 있다. (금성은 어떻게 들릴까? 음파 감쇠 요인이 다르기 때문에 지구, 타이탄, 금성, 화성에서 바흐가 들릴 수 있는 소리는 다음과 같다.)

 

그러나 다른 요소가 풍선에 유리하게 작용할 것이다. 금성 바람은 시속 200마일 이상으로 꾸준히 불지만 고도가 안정적인 풍선은 바람을 따라 부는 동안 상대적으로 "조용한" 상태를 유지해야 한다. (바람과 같은 속도로 날아가는 열기구를 타고 있을 때의 고요함을 상상해 보라.) 매우 두꺼운 금성 대기 때문에 금성의 표면은 금성 표면보다 약 60배 더 효과적으로 그 대기와 결합된다. 이것은 지진의 에너지가 금성의 대기로 훨씬 더 쉽게 전달되어 지진계를 띄우기 위한 주요 장소가 될 것임을 의미한다.

 

미래의 금성 풍선도 집에서 만든 헬리오트로프보다 훨씬 더 복잡할 것이다. 대신에 높은 고도 풍선을 사용하여 전 세계적으로 인터넷을 전송하는 것을 목표로 하는 Google의 최근 종료된 "Loon" 프로그램에서 디자인한 테니스 코트 크기의 자체 탐색 풍선과 같은 것을 상상해 보라. (프로그램이 중단되었지만 풍선은 잘 작동하여 2017년 허리케인 마리아가 통신 인프라를 손상시킨 후 푸에르토리코에 인터넷 연결을 성공적으로 제공하고 페루의 엄청난 홍수 후 긴급 전화 서비스를 복원했다.)

 

 

금성 상공에서 지진 초저주파 감지 장비를 실을 수 있는 풍선의 컨셉 이미지. 삽화: TIBOR BALINT

 

JPL의 행성 과학자인 James Cutts는 금성 임무에는 지구로 전송 중계를 위한 행성 궤도선과 결합된 가변 고도 "에어로봇"이 포함될 가능성이 가장 높다고 말했다. 한 고도에 머물렀던 Vega 풍선과 달리 Venus 에어로봇은 헬륨 가스를 교환하여 부력을 약 10km 높이거나 낮추기 위해 교환할 수 있는 두 개의 풍선 "봉투"로 구성된다. (이는 또한 캘리포니아 연구에서 사용된 헬리오트로프와 달리 밤에 비행할 수 있게 해준다.)

 

에어로봇은 태양열 어레이와 충전식 배터리로 구동되며 아래에 매달린 곤돌라에 100~200kg의 탑재량을 실을 수 있다. 이는 러시아인의 8kg 풍선에서 크게 업그레이드된 것이다. Cutts는 열기구가 금성 바람을 타고 행성을 약 20회 이상 일주하는 100일의 임무 기간을 상상한다.

 

2020년 NASA 주력 임무 개념 연구 보고서에는 Falcon 9 Heavy Expendable 로켓에 의해 금성에 배달될 착륙선, 궤도선 및 작은 2개의 위성을 포함하는 더 큰 잠재적 패키지의 일부로 에어로봇이 포함되었다. 에어로봇은 궤도선에서 분리되어 금성 대기로 떨어지며 에어로쉘로 마찰과 열로부터 보호되며 낙하산과 함께 우주선의 초기 하강 속도를 늦추고 풍선을 부풀릴 것이다. “금성의 대기는 지구의 대기보다 더 조밀하다.”라고 Cutts는 말한다. "어떤 사람들은 [공작의 진입]을 6층 건물에서 시멘트 그릇에 차량을 떨어뜨리는 것에 비유했다." 이 감속은 50g의 힘을 생성할 수 있다. 이는 거친 착륙이지만 NASA가 시도한 것 중 가장 거친 것은 아니다.

 

일단 전개되고 팽창되면, 에어로봇은 헬리오트로프가 지구에서 청취하는 데 사용하는 것과 유사한 기압계를 사용하여 지진 활동을 청취하고 데이터의 보고를 집으로 보낼 수 있다. "우리는 금성지진에 대해 거의 아무것도 모른다."라고 Byrne은 말한다. “사실, 우리는 그것이 발생한다는 사실조차 확실히 알지 못한다. 비록 모든 사람들이 그렇게 해야 한다고 생각하지만. 하나를 탐지하면 금성이 지질학적으로 활동적이라는 확고한 증거를 얻을 수 있다. 그런 다음 지진의 유형, 위치 및 규모, 그리고 이러한 특성이 기존 레이더 이미지 데이터로 볼 수 있는 구조와 어떻게 비교되는지에 따라 금성의 구조적 과정의 특성과 거동에 대해 엄청난 양을 빠르게 배울 수 있다.”

 

온보드 에어로졸 질량 분석기는 행성의 가스 구름을 연구하여 포스핀 및 기타 관심 화학 물질의 흔적을 찾을 수도 있다. 디지털 홀로그램 현미경은 관심 있는 개별 입자를 연구할 수 있다. (액체 방울, 얼음 결정 또는 다른 것?) 에어로봇은 더 낮고 더 위험한 고도에서 데이터를 측정할 수 있는 두 번째 탐사선을 견인할 수 있다. 아마도 에어로봇은 2개의 풍선 시스템을 작동시켜 때때로 대기 아래로 가라앉고 산성 하늘의 상대적인 안전으로 다시 상승하기 전에 측정을 수행할 것이다.

 

향후 2년 동안 Cutts와 그의 팀은 소규모 버전의 에어로봇을 구축하여 배포 및 인플레이션 기간 동안 지구에서 테스트할 계획이다. 그들은 또한 프로토타입의 장기간 비행 테스트를 수행하기를 희망한다. 우주선 배열의 민감한 구성 요소는 금성의 산성 구름 시뮬레이션에서 테스트할 수 있다. NASA의 개념 임무 연구에 따르면 최상의 시나리오는 발사 날짜가 2031년으로 설정되고 에어로봇이 2034년까지 금성의 대기권에 진입하는 것을 볼 수 있다.

 

불과 몇 주 전에 팀은 헬리오트로프에서 더 많은 지진 측정을 시도하기 위해 오클라호마로 여행했다. 대초원 위를 순항하는 단순화된 풍선은 파편으로 인한 지진에 귀를 기울이고 다른 행성 대기에서 데이터를 수집하는 공중 로봇과는 거리가 멀게 보일 수 있다. 그러나 우리는 이미 화성에 지진계를 설치했다. 금성 하늘을 떠다니는 것은 우리가 생각하는 것만큼 멀지 않을 것이다.