금성의 지구화 프로젝트, 금성은 테라포밍이 가능할까?

금성은 오랜 옛날부터 지구의 형제별로 불리어 왔다. 

초저녁이나 이른 새벽 지평선 부근에서 관측할 수 있으며 매우 밝기 때문에(최대 밝기는 -4등급정도) 이러한 금성을 저녁성 혹은 개밥바라기(evening star)로 불렀다. 지구의 형제별이라는 타이틀에 걸맞게 물리적인 성질도 매우 비슷하다.

달 옆에 보이는 밝은 별이 금성이다. 

금성의 반지름은 6036km정도로, 6378km인 지구와 비교해봤을 때 아주 비슷한 크기이다. 중력가속도도 9.8m/s^2인 지구와 비교해볼 때 약 9.0m/s^2정도로 약간 느리다는것만 빼면 지구의 물리적인 성질과 매우 흡사하다. 20세기 초 관측기술의 발달로 금성을 본격적으로 관측하기 시작하면서 이러한물리적 성질들이 드러났는데, 이때문에 당시 학자들은 금성의 테라포밍을 진지하게 생각하고 있었다. 

일단 테라포밍은 식민지화(콜로니제이션) 후 행성의 환경을 고려하여 실시해야한다. 하지만 20세기중반 금성탐사선이 금성의 지표에 내려앉아 데이터를 전송하는 순간 학자들의 테라포밍의 꿈은 좌절로 바뀌다시피 하였다. 금성의 아름다운 겉모습과 달리 내부의 표면온도는 섭씨 470도를 웃돌고 표면기압마저 지구의 92배에 달하는 생지옥의 환경이 끝없이 펼쳐졌기 때문이다.

마젤란이 보내온 금성의 표면. 대부분의 표면이 용암으로 덮여있다.

식민지를 만들려고 하는데 그마저도 매우 힘든 극단적인 환경이여서 식민지화와 테라포밍이 동시에 이루어져야만 했다.

그뿐만이 아니였다. 금성의 하루는 지구 시간으로 243일, 1년은 224일임이 밝혀져서 하루가 지나가기 전에 1년이 지나가버리는 매우 괴상한 환경이였다. 설사 테라포밍을 한들 지구의 생명체들이 금성의 이러한 환경에서 적응하는 것은 무리였다.

상층부는 황산이, 하층부에는 이산화탄소가 자리잡고 있다.

금성의 대기는 92기압의 엄청난 밀도를 자랑하지만 그 구성성분 역시 끔찍하다. 대기의 상층부에는 황산과 일산화탄소 등 생명체에 해로운 기체들이 포진해 있고, 하층부의 대부분은 이산화탄소로 이루어져 있다. 즉 금성에는 끊임없이 황산의 비가 내리고 있다고 생각하면 될 것이다. 이 황산의 비는 표면에 도달하기도전에 증발해버려서 다시 황산구름을 만들고.. 다시 내리고를 계속 반복하는 꼴이다. 

그래서 흔히 이 금성의 환경을 지옥과도 비교한다. 

금성의 대기 구성성분

학자들은 고심끝에 이러한 금성의 테라포밍 방법을 여럿 고안해냈는데, 이번에 소개할 내용은 그중 최단기간, 최소비용으로 테라포밍을 하는 방법이다. 물론 이 방법을 쓰더라도 최소 수백년~ 수천년이 걸리는 긴 작업이며, 드는 비용또한 어떻게 상상을 하든 그 이상이 될 것이다.

금성을 테라포밍하기 위해서는 네 과정이 거쳐지는데, 다음과 같다.

첫 번째, 행성의 표면온도 낮추기

두 번째, 92기압에 달하는 대기압을 낮추고 대기상에 존재하는 유해물질(이산화탄소, 황산, 일산화탄소 등)을 없앤 후 산소의 비율을 높이기(약 20퍼센트)

세 번째, 하루의 길이를 24시간 부근으로 맞추기

네 번째, 바다를 만들 정도의 충분한 액체상태의 물 공급

첫 번째 과정은 말그대로 섭씨 500도에 육박하는 표면온도를 지구의 평균 표면온도 수준으로 낮춰야한다는 말이다. 

과연 어떤 방법들이 있을까?

솔라세이드의 컨셉

가장 대표적인 방법은 금성 밖에 거대한 반사판을 설치하는 것이다. 솔라셰이드라 불리우는 이것은 설치가 된다면 태양ㅡ금성 라그랑쥬포인즈 중 L1 구역에 설치된다. 금성이 받는 태양에너지는 같은면적을 기준으로 지구의 두배가량 많기 때문에 금성에 도달하는 태양에너지를 반사하면 금성이 어느정도 식을 거라는 말이다. 

그 밖에도 거론되는 방법은 대기 상층부에 떠다니는 반사판을 두는 방법이라든지, 아니면 표면에 반사율이 높은 물체를 설치하는 방법 등이다. 그 중에서도 가장 그럴듯하고 현실적인 방법은 바로 우주공간에 솔라세이드를 설치하는 방법이다.

금성 상공에 이러한 반사판을 설치할 수도 있다. 금성으로부터 L1까지의 거리는 약 100만km정도이며, 이 거리에서 효과를 보기 위해서는 세이드를 금성 지름의 약 두배 가량 크기로 펼쳐야 한다. L1은 다른 공간보다 상대적으로 안정적이긴 하지만 금성의 경우, 약간 길쭉한 타원궤도를 돌기 때문에 불안정한 모습을 취한다. 

L1포인트는 금성으로부터 약 100만km떨어져있다.

또한 이러한 세이드의 경우 여러 경우를 감안하여 L1에서 앞당겨서 설치하거나 더 뒤쪽에서 설치할 수도 있는데, 이를테면 태양의 중력과 하전입자를 최소화 하기 위해 금성에 더 가까이 비치할 수도 있고, 거울에 설치된 태양전지의 전기수급을 높이기 위해 태양에 더 가까이 비치할 수도 있는 것이다.

전체적인 효율을 감안하면 금성과 L1으로부터 거리의 1/4지점(금성으로부터 약 25만km 상공)에 세이드를 설치하는 것이 가장 이상적이다.

솔라 세이드의 대략적인 모식도는 아래와 같다.

솔라세이드의 대략적인 구조.

관련 자료에소개된 테라포밍 관련 글 중 금성의 테라포밍을 보면, 솔라세이드의 형태는 커다란 원형 거울이 대부분인데, 이경우 광자나 태양풍같은 하전입자로 인해 광자 추력(Photon Thrust)가 크게 발생하여 제 자리를 쉽게 유지하지 못한다. 영화 선샤인에서 태양빛을 막기 위해 우주선 앞쪽에 설치한 거대한 세이드를 떠올리면 이해할 수 있을것이다. 

더군다나 지구보다 더 안쪽에 위치한 금성의 경우, 이러한 하전입자의 세기나 광자 추력이 무시하지 못할 수준까지 커지기 때문에 새로운 방안을 모색해야한다. 그 방법 중 하나로 링 모양 거울 형태의 세이드가 거론되고 있는데, 그림처럼 중앙에 45도각도로 만들어진 고깔모양의 거울이 자리잡고 있으며, 양쪽으로 약 30도 각도로 기울어진 5개의 고리모양 거울이 자리하고있다. 

사실 이 세이드를 위에서 바라보게 되면

영화 선샤인의 한 장면. 솔라세이드의 컨셉도 이러한 링모양의 거울이 겹겹이 쌓여있는 구조이다.

거대한 링 모양으로 보일 것이다. 

또한 금성의 양 극쪽 상공에 또다른 반사판을 설치하여 처음의 세이드로부터 반사된 빛을 다시 세이드의 안쪽 고깔에 비추어 안쪽으로 광자 추력을 얻을 수 있다. 이렇게 함으로써 바깥쪽으로 밀리는 힘을 어느정도 상쇄시킬 수 있다는 것이다. 이 반사판을 솔레타(Soletta)라고 하며, 이는 추후에 금성의 자전주기를 늦추는 데에도 지대한 역할을 한다. 

아무튼 이렇게 만든 고리모양 거울 형태의 세이드는 기존의 원형에 비해 받는 추력이 1퍼센트 남짓이며, 훨씬 경제적임을 알 수 있다. 이 세이드를 설치하게 되면 금성은 이 세이드의 본그림자에 들어가 영원히 어두워지거나 각도가 틀어져 태양빛을 받더라도 본래의 50퍼센트 남짓에 불과하며, 이는 지구와 같은 수준이다.

작렬하는 금성의 표면온도를 낮추기 위해서는 우주공간에 이러한 반사판을 설치하여 외부로부터 유입되는 에너지를 최소화해야한다. 

이러한 조건이 갖춰지면 바로 두번째 단계로 이행하게 된다. 두번째 단계는 금성의 극단적인 대기압을 낮추는 단계로, 솔라세이드로 인하여 태양으로부터 오는 태양에너지가 현저하게 줄었기 때문에 온실가스로 뒤덮인 금성이라 할지라도 표면온도는 서서히 내려가게 된다. 이때 표면온도는 304K(약 30도)까지 내려가는데, 이 온도는 이산화탄소의 임계점(304K, 73atm)과 맞물리게 되면서 기체 상태의 이산화탄소는 액체상태로 바뀐다.

이 액체상태의 이산화탄소는 지상으로 엄청난 양의 비가 되어 쏟아지는데, 대기중의 이산화탄소가 액체가 되므로 기압도 자연스레 떨어지게 된다. 그렇게 압력이 떨어지면 액체상태의 이산화탄소는 다시 기체로 바뀌지만 대기중의 이산화탄소가 줄었기 때문에 온실효과도 약화되어 표면온도 역시 동시에 낮아지게된다. 그렇기때문에 기체로 바뀐 이산화탄소는 다시 액체로 바뀌어 비가되어 내리고, 비가되어 내린만큼 대기중의 이산화탄소도 줄어 다시 기체로 바뀌고.. 표면온도 역시 낮아져 기체로 바뀐 이산화탄소는 다시 더 많이 액체가 되어 비로 내리고... 이러한 과정이 끊임없이 반복된다.

위에서 설명한 과정을 그림으로 표현한 것.

이 과정은 액체 상태의 이산화탄소가 고체, 즉 드라이아이스로 바뀌는 지점인 204K, 5기압을 넘어서까지 계속되며, 이때에는 기체인 이산화탄소는 승화하여 드라이아이스로 바뀌게 된다. 이러한 일련의 과정은 192K(영하 80도정도), 이산화탄소기압 0.8atm정도까지 계속 이루어진다.

이 지점에 다다르면 대기중의 이산화탄소는 0.8기압, 질소는 2기압, 그리고 나머지를 합해 대략 전체 대기압은 약 3기압정도가 된다. 이러한 일련의 과정은 최소 90년에서 길어봐야 200년 안으로 해결될 것으로 보고 있다. 하지만 이 과정에서 대량의 이산화탄소가 표면에 내려앉게 되면 용암으로 뒤덮혔던 약한 금성의 표면에 압력을 가하여 표면이 일시적으로 가라앉을 수 있다.

이 반발로 지각이 솟구칠 수 있는데 이때 엄청난 지진이 발생할 수 있다. 이 지진은 금성의 화산을 자극시켜 대기중으로 대량의 이산화탄소를 뿜을 수 있는데, 이러한 변수로 인해 온도를 낮추는 과정이 생각보다 더 오래 걸릴 것이라는 견해도 있다. 

이외에도 금성 표면에 열 파이프를 설치하여 급속냉각시키는 방법도 존재한다고 한다.

이렇게 두번째 방법까지 끝나면 자전주기를 바꾸는 세번째 단계에 진입하게 된다. 관련 자료에 소개된 테라포밍 글을 보면, 스윙바이 기법을 이용한 최신 방법이 나와 있다. 이를 이용하면 30년안으로 금성의 자전주기를 24시간으로 끌어내릴 수 있다. 

여기서는 비교적 색다른 방법을 소개해보고자 한다.

바로 위에서 잠깐 언급한 솔레타를 이용하는 것인데, 이 솔레타는 쉽게말해 인공태양이다. 금성의 극지방에 인공태양을 띄워놓고 24시간에 한 번씩 금성 주위를 공전하게 만들어 두면 솔라세이드에 의해 본그림자로 들어가 깜깜해진 금성을 밝게 비출 수 있다. 

솔레타는 솔라세이드와 같이 거울형태이고 세이드의 그림자 범위에서는 벗어나는 위치에 존재하므로 태양빛을 고스란히 받게 된다. 

약 태양을 기준으로 약 45도정도 안쪽으로 기울게 하면 그 빛은 온전히 금성을 향하게 된다. 즉 이 빛은 항상 금성을 향하게되며, 이것이 24시간에 한 번씩 금성을 공전하기때문에 금성에서는 이 거울로 인해 밤낮이 바뀌게 된다. 

물론 그 효과를 톡톡히 보려면 이 솔레타의 크기도 만만치않게 커야하며, 반지름이 금성보다 더 큰 약 9000km정도 되어야한다. 아마 이 방법을 쓰게 되면 금성의 극지방은 지구의 적도지방과같을것이고, 반대로 금성의 적도지방은 지구의 극지방과 같을 것이다. 이때 우리가 금성 표면에서 솔레타를 바라보게 되면, 지구에서 보는 태양 크기의 약 4배정도의 큰 별처럼 보일 것이며, 이 별이 24시간을 주기로 금성을 한 바퀴씩 돌게 될 것이다.

이렇게 금성의 자전까지 해결했다면, 이제 마지막으로 금성에 물과 산소를 공급하여 인류가 정착하는 과정만 남았다.

마리너 2호가 찍은 금성의 매마른 표면

금성은 아주 매말라있다. 

대기중의 수증기는 수 ppm에 불과하므로 일반적인 방법으로는 금성에 물을 공급하기는 힘들다.

그래서 거론되는 방법 중 하나로는 금성에 수소를 주입하는 것이다. 이 수소주입 방법은 아주 획기적인 방법인게, 수소와 이산화탄소의 특이한 반응때문이다. CO2(g) + 2 H2(g) → C(s) + 2 H2O(g) 이 반응을 Bosch반응이라고 한다.

수소와 이산화탄소는 섭씨 약 460~600도 부근에서 위와같이 반응하여 흑연(C)과 물을 발생시킨다. 즉 이 방법은 초기의 금성에 적용시키게 되면 위의 두 번째 과정을 굳이 거치지 않고서도 금성의 표면온도와 대기압을 쉽게 낮출 수 있다. 다만 이 방법을 쓰기 위해선 약  4×1019 kg의 수소가 필요하게 된다. 이 수소를 구하기 위해선 지구의 물을 분해하는 방법으로는 한계가 있기 때문에 목성형 행성에 풍부하게 존재하는 수소를 채취하여 조달하는 식으로 이루어질 것이다. 만약 위의 방법처럼 강제적으로 이산화탄소를 액화하지 않고 수소를 주입하게 되면 금성 표면의 약 80퍼센트는 물에 잠기게 된다. 이미 용암으로 금성표면의 대부분이 평탄화 되었기 때문이다.

하지만 그 물의 양은 지구의 1/10에 지나지 않는다.

지표의 80프로가 물로 뒤덮힌 금성

또다른 방법으로 거론되는 것은 물이 풍부한 천체를 가져와 금성에 투하하는 방법인데, 대표적으로 혜성을 충돌시키는 것이다. 조금 더 극단적인 방법을 쓰면 혜성보다 더 큰 위성급으로 하는 것인데, 토성의 얼음위성 중 작은 편에 속하는 엔셀라두스, 하이퍼리온을 끌어다 쓰는 것이다.

현재 기술로는 현실성이 약간 떨어지는 방법이다.

아무튼 이 방법은 스윙바이라고 하는 중력도움(Gravity Assist)을 이용하여 위성을 행성계에서 강제로 빼내는 것이다. 출처에서는 구체적인 방법을 제시하지는 않았으나 이 방법을 사용하면 20년 이내에 금성을 물바다로 만들 수 있다고 한다. 아무튼 이 위성들을 금성궤도에 정상적으로 끌어들여왔다면 위에서처럼 직접 금성표면에 충돌시키거나, 위성에서 물을 퍼다 금성으로 일일이 나를 수 있다.

지금 기술로는 매우 비현실적이지만 먼 훗날 이러한 방법을 쓸 때 즈음이면 작은 위성하나 컨트롤 하는 것은 간편한 일이 될 것이다.

금성의 상공에 건설한 콜로니

이렇게 금성에 액체상태의 물을 채움으로써 기초적인 테라포밍은 완료되었다. 

이제 여기서 산소를 채워 인류가 숨 쉴 정도의 비율(약 20퍼센트)을 맞춘 후, 금성에 남아있는 유독가스(일산화탄소 등)를 제거해야한다. 하지만 걱정할 필요는 없는게,  일산화탄소는 대기중의 수증기와 반응하여 이산화탄소와 수소를 만들어내기 때문에 자연스레 사라지기 때문이다. 

이러한 일련의 과정을 순조롭게 이끌어나간다면 약 230년 안에 금성이 완전히 테라포밍이 된다. 이제까지의 테라포밍 과정을 돈으로 환산하게 되면 약 6800T 파운드이다. 이는 약 756경(7.56*10^18) US달러 수준으로, 전세계가 협력하지 않으면 실로 불가능에 가까운 비용이다. 

아마 그때쯤 되면 전세계는 하나의 연합국으로 통일이 되지 않을까 조심스레 예상해본다.