소행성 포획

Asteroid capture

소행성 포획은 더 큰 행성 주위로 소행성을 궤도 삽입한 것이다. 우주에 있는 작은 바위 몸체인 소행성이 잡히면, 그들은 천연 위성이 된다.[1] 지금까지 지구의 궤도나 대기로 들어가는 모든 소행성들은 자연현상이었다. 하지만, 미국의 기술자들은 화학적 또는 전기적 추진력을 이용하여 소행성을 회수하는 방법을 연구해왔다. 이 두 종류의 소행성 포획은 자연과 인공으로 분류할 수 있다.

  • 자연 소행성 포획은 중력 때문에 자유 소행성이 행성 같은 몸 주위를 도는 궤도에 진입하는 탄도 포획이다.
  • 인공 소행성 포획은 소행성을 특정 궤도에 삽입하기 위해 의도적으로 힘을 발휘하는 것을 포함한다.

소행성에는 팔라듐이나 백금과 같은 희귀 금속이 포함되어 있는 것으로 알려져 있기 때문에 인공 소행성 탐색은 과학자와 공학자들에게 소행성 구성에 관한 정보를 제공할 수 있다. 소행성 회수 시도에는 2013년부터 NASA의 소행성 리디렉션 미션 등이 포함된다. 이러한 노력은 2017년에 취소되었다.[2] 그러나 2020년 10월 22일 지구 가까이 있는 소행성의 샘플을 채취한 NASA의 오시리스-렉스와 같은 다른 소행성 관련 임무는 여전히 작동하고 있다.[3]

소행성 포획의 자연발생

2013년 8월 1일 큐리오시티에서 본 포보스와 데이모스. 화성의 두 달의 기원에 대한 한 이론은 포보스와 데이모스가 소행성을 포착한다는 것이다.

소행성 포획은 소행성이 행성을 향해 떨어질 때 행성을 "실종"할 때 발생하지만, 더 이상 행성의 궤도에서 벗어날 수 있는 충분한 속도를 가지고 있지 않다. 이 경우 소행성은 포착되어 행성의 대기를 통과하지 않는 행성 주위의 안정적인 궤도에 진입한다. 하지만 소행성은 때때로 행성을 강타한다. 작은 소행성은 1,000년에서 10,000년마다 지구를 강타할 것으로 추정된다.[4]

궤도의 크기와 물리적 특성은 행성의 질량에 따라 달라진다. 접근하는 소행성은 거의 항상 행성과 관련된 쌍곡선 궤도에 의해 행성의 영향권에 들어갈 것이다. 행성과 마주쳤을 때 이 소행성의 운동 에너지는 행성의 중력에 의해 경계 궤도로 진입하기에는 너무 크다; 이 소행성의 운동 에너지는 행성에 관한 그것의 절대적 전위 에너지보다 더 크다. 즉, 그 속도는 탈출 속도보다 더 높다는 뜻이다. 그러나, 소행성의 궤적은 운동 에너지를 감소시킬 수 있는 또 다른 질량에 의해 왜곡될 수 있다. 만약 이것이 소행성의 속도를 국소 탈출 속도 이하로 끌어내린다면, 소행성의 궤적은 하이퍼볼라에서 타원형으로 바뀌고 소행성은 포획된다. 시간이 지나면서 궤적이 바뀌면 소행성이 서로 충돌할 수 있다. 화성과 목성 사이의 소행성 띠가 약 190만 개의 소행성을 포함하고 있다는 점을 고려하면 천문학자들은 보통 크기의 소행성이 1년에 한 번 서로 충돌하는 것으로 추정했다.[5] 충돌의 충격은 소행성의 궤도를 바꿀 수 있고, 소행성은 행성의 세력권에 들어갈 수 있다.

소행성 포착 기술

전기 추진

전통적인 화학 추진은 두꺼운 대기 환경에서는 훌륭하지만 전기 추진은 화학 추진보다 뛰어난 효율을 가지고 있다. 대표적인 전기적 추진력 중 하나인 이온 추진기의 효율은 90%인 반면 화학 추진의 효율은 35% 정도다.[6] 우주에서는 환경과 우주선 사이에 마찰이 없다. 무거운 소행성을 가져오려면 전기 추진과 같은 매우 효율적인 엔진이 필요하다.

로보틱 암

NASA의 소행성 리디렉션 미션에 근거하여, 위성은 바위를 잡고 미리 정해진 궤도로 되돌아갈 것이다. 로봇 팔은 바위를 잡는 것을 포함하여 다양한 용도로 사용된다. 캐나다암 2호는 우주에서 사용되는 첨단 로봇팔의 예다. 캐나다암 2호는 국제우주정거장에 화물선을 도킹하는 것을 도울 뿐만 아니라 정거장 정비도 수행한다.[7] 로봇 팔의 발달은 인공 소행성 포획이 소행성 표면의 표본들을 정밀하게 수집하는 것을 돕는다.

달 플라이비

달 플라이비는 소행성을 포획하는데도 사용될 수 있다.[8] 달 저공비행 전후의 소행성의 궤도는 각기 다른 자코비 상수를 가지고 있다. 궤도의 자코비 상수가 일정한 값에 도달하면, 소행성은 포획될 것이다. 서로 다른 비행 전 자코비 상수의 포획 영역은 숫자로 나타낼 수 있으며, 이러한 포획 영역은 소행성이 달 플라이비스에 의해 포획될 수 있는지 여부를 결정하는 데 사용될 수 있으며, 이 포획 영역은 마침내 에피메라이드 모델을 통해 검증될 것이다.[8]

포획 동기

행성 방위

인공 소행성 포획 미션은 잠재적으로 과학자들이 가까운 지구 물체에 대한 행성 방어와 관련하여 많은 분야에서 상당한 진전을 이룰 수 있도록 할 수 있다.[9]

  1. 앵커링. 인공 소행성 포획 미션은 우주선이 소행성에 더 잘 부착할 수 있도록 도와주는 보다 신뢰할 수 있는 앵커링 능력을 개발할 수 있게 해, 가까운 지구 물체(NEO)의 편향에 대한 더 많은 옵션을 제공할 것이다.
  2. 구조 특성화. 소행성 포획 미션은 엔지니어들이 구조 특성화 능력을 향상시키는데 도움을 줄 것이다. 가장 성숙된 NEO 편향 기술 중 하나는 Kinetic Impact를 통한 것이지만, NEO의 조건과 구조에 대한 지식이 부족해 그 효과성은 예측불허다. 만약 우리가 NEO의 표면 재료와 구조를 더 잘 특성화할 수 있다면, 우리는 Kinetic Impact를 사용하여 더 확실한 NEO를 리디렉션할 수 있을 것이다.
  3. 먼지 환경. 과학자들은 NEO의 먼지 환경에 대한 지식을 얻고, 먼지 부양을 유발하고 정착하는 행동을 유발할 수 있는 힘을 더 잘 이해할 것이다. 이러한 지식은 그라비티 트랙터와 재래식 로켓 엔진과 같은 몇몇 NEO 리디렉션 접근법의 설계에 도움이 될 것이다.

소행성 자원

소행성 채굴은 소행성을 포획하는 주요 원인이다. 상대적으로 자원이 부족한 LL 콘드라이트 소행성에는 20%의 철과 더불어 물, 광물, 산소 형태의 상당한 양의 휘발성 물질이 포함되어 있다. 비록 이러한 자원들을 지구로 다시 가져오는 것은 가능하지만, 지구에 높은 운송 비용과 자원의 풍부함은 가까운 미래에 소행성 탐색의 주요 목표가 우주에서의 즉각적인 사용을 위한 것이 될 것이라는 것을 의미한다.[10] 소행성 채굴은 지구에서 자원을 보내는 것보다 더 저렴할 것으로 예상된다. 기존의 화학 추진력을 이용하여, 1킬로그램의 질량을 높은 달 궤도에 전달하는데 10만 달러가 드는 것으로 나사에 의해 추정되고 있다. 그것은 500톤을 운송하는 데 2천만 달러의 비용이 든다는 것을 의미한다. 같은 양의 물질을 높은 달 궤도에 전달하는 소행성 포획 미션은 이상적으로는 2.6억 달러밖에 들지 않을 것이다.[9]

추가탐사

인공 소행성 포획 미션은 과학자들이 우주에 있는 다른 행선지로의 추가 탐사에 잠재적으로 유용할 수 있는 기술을 개발하는데 도움을 줄 수 있다.[11]

  1. 궤적 및 항법. 소행성과 같은 큰 덩어리를 조종하는 경험을 통해, 과학자들은 다른 천체의 중력장에서 항해하는 방법에 대한 지식을 얻을 수 있다. 인공 소행성 포획 미션은 또한 향후 우주 탐사에 필요한 많은 양의 자원을 전달할 수 있는 완벽한 능력을 도울 수 있다.
  2. 샘플 수집 및 격납 기술. 인공 소행성 포획 미션은 우리에게 소행성으로부터 샘플을 얻도록 요구할 것이다. 이것은 모든 종류의 우주 탐사 임무에 유용하게 사용될 샘플 수집과 격납을 위한 기술의 개발에 도움을 줄 수 있다.
  3. 도킹 기능. 우주에 대한 추가 탐사는 차량, 서식지 및 화물 모듈의 활용을 수용하기 위해 훨씬 더 강력한 도킹 기능을 필요로 할 것이다. 소행성 포획 미션은 엔지니어들이 이러한 능력을 향상시키는데 도움을 줄 것이다.

거주 근거

과학자들이 포착된 소행성으로부터 수집된 물, 산소, 금속과 같은 자원을 효율적으로 활용할 수 있는 방법을 찾을 수 있다면, 이 소행성들은 또한 인간이 거주할 수 있는 기반이 될 가능성이 있다. 소행성의 풍부한 질량은 방사선을 차단하는 특성 때문에 서식지에 가치가 있다. 이 소행성에서 출토된 금속과 다른 물질들은 즉시 서식지 건설에 사용될 수 있다. 만약 소행성이 충분히 크다면, 그것은 심지어 어느 정도의 중력을 제공할 수도 있고, 이것은 인간의 거주에 더 바람직할 것이다.[10]

국제협력

국제 패널은 수집된 물질에 대한 모든 소행성 탐색과 연구를 감독할 수 있으며, 회수된 물질의 균형 잡힌 공정한 분포를 제공할 수 있다. 값비싼 우주 국가 프로그램이 없는 국가들은 여전히 연구를 수행할 수 있다.[9]

시도

NASA 리디렉션 임무

NASA 리디렉션 미션의 목표는 로봇 우주선을 지구 가까이 있는 큰 소행성에 보낸 다음 표면에서 다톤급 바위를 수집하는 것이다.[12] 우주비행사들은 더 많은 과학적 연구를 위해 이 바위의 샘플을 가지고 다시 지구로 데려왔고, 마침내 그들은 바위가 지구와 충돌하지 않도록 달 주위의 궤도로 방향을 바꿀 것이다.[13] 또한 소행성과의 상호작용은 소행성의 내부 구조에 관한 많은 유용한 자료를 제공하므로 소행성의 물질에 대한 오랜 의문점을 해결할 수 있을 것이다. 이 임무는 로봇과 승무원 우주선 운영을 통합하고, 성공한다면 NASA의 화성 여행에 필요한 핵심 능력을 보여줄 것이다.[13] 그러나 백악관 공간정책지침 1호는 개발비 증액을 수용하기 위한 임무를 2017년 12월 11일 취소했다.[13] 그러나 태양전기 추진, 소형 근거리 소행성의 탐지 및 특성화, 깊은 우주에서 대형 비협조 물체를 포획하는 능력 등 이 임무를 위한 많은 주요 개발 진전은 인간의 심층 우주 탐사에 불가결하기 때문에 앞으로도 계속 사용될 것이다.[13]

오시리스렉스

OISIS-REX(오리진스, 스펙트럼 해석, 자원 식별, 보안, 리골리스 탐색기)의 목표는 NASA가 베누라는 이름의 지구 근거리 소행성의 샘플을 입수하고 태양계의 형성과 진화에 대해 배우기 위해 운용한다.[14] 오시리스-REX는 2016년 9월 8일 발사돼 2018년 12월 3일 베누의 근방에 도달했다.[15] 2020년 10월 20일 베누에 도달해 샘플을 채취하는 데 성공했다.[16] 채집 과정에 앞서 소행성 표면 오염을 피하기 위해 우주선은 착륙 전 추진력을 최소화하기 위해 천천히 하강했다. 채집 과정에서 질소 폭발이 일어나 2cm 미만의 리졸리스 입자를 샘플러 헤드로 불어 넣었다. 이 과정은 소행성과의 잠재적 충돌을 피하는데 5초밖에 걸리지 않았다.

참조

  1. ^ Administrator, NASA Content (2015-03-24). "Asteroid Fast Facts". NASA. Retrieved 2020-10-30.
  2. ^ "NASA closing out Asteroid Redirect Mission". SpaceNews. 2017-06-14. Retrieved 2020-10-30.
  3. ^ October 2020, Mike Wall 23. "NASA asteroid probe is overflowing with space-rock samples". Space.com. Retrieved 2020-10-30.
  4. ^ September 2017, Charles Q. Choi 20. "Asteroids: Fun Facts and Information About Asteroids". Space.com. Retrieved 2020-10-30.
  5. ^ "Hubble Observes Aftermath of Possible Asteroid Collision Science Mission Directorate". science.nasa.gov. Retrieved 2020-10-30.
  6. ^ DeFelice, David. "NASA - Ion Propulsion: Farther, Faster, Cheaper". www.nasa.gov. Retrieved 2020-10-30.
  7. ^ Garcia, Mark (2018-10-23). "Remote Manipulator System (Canadarm2)". NASA. Retrieved 2020-10-31.
  8. ^ a b Gong, Shengping; Li, Junfeng (2015-09-01). "Asteroid capture using lunar flyby". Advances in Space Research. 56 (5): 848–858. Bibcode:2015AdSpR..56..848G. doi:10.1016/j.asr.2015.05.020. ISSN 0273-1177.
  9. ^ a b c Brophy, John (2012). Final Report Asteroid Retrieval Study. Keck Institute for Space Studies.
  10. ^ a b "Technologies for Asteroid Capture into Earth Orbit National Space Society". Retrieved 2020-10-30.
  11. ^ Mahoney, Erin (2015-03-10). "How Will NASA's Asteroid Redirect Mission Help Humans Reach Mars?". NASA. Retrieved 2020-10-30.
  12. ^ "Asteroid Redirect Robotic Mission". www.jpl.nasa.gov. Retrieved 2020-10-30.
  13. ^ a b c d Wilson, Jim (2015-04-16). "What Is NASA's Asteroid Redirect Mission?". NASA. Retrieved 2020-10-30.
  14. ^ "Office of the Chief Technologist". 2012-06-06. Archived from the original on 2012-06-06. Retrieved 2020-10-30.
  15. ^ Chang, Kenneth (2018-12-03). "NASA's Osiris-Rex Arrives at Asteroid Bennu After a Two-Year Journey (Published 2018)". The New York Times. ISSN 0362-4331. Retrieved 2020-10-30.
  16. ^ NASA's OSIRIS-REx Asteroid Sample Return Mission. National Aeronautics and Space Administration.