화성을 지구처럼 만들 수 있을까요? 일론 머스크는 2050년까지 화성에 100만 명 도시를 건설하겠다고 선언했습니다. 하지만 현재 화성은 대기압 0.6%(지구의 0.006배), 평균 기온 -60°C, 산소 0.13%인 불모지입니다. NASA 큐리오시티·퍼서비어런스 로버가 10년간 수집한 토양·대기 데이터와 화성 궤도선 MRO·MAVEN 관측 자료를 분석해, 화성 테라포밍의 과학적 가능성과 기술적 난제를 검증했습니다.
화성 현재 환경 정밀 분석
화성 테라포밍 가능성을 논하기 전에, 현재 화성 환경을 정확히 이해해야 합니다. NASA 큐리오시티 로버(2012년 착륙)와 퍼서비어런스 로버(2021년 착륙)가 측정한 실제 데이터를 기반으로 분석하겠습니다.
첫째, 대기압입니다. 화성 평균 대기압은 약 600 Pa(파스칼)입니다. 지구 평균 대기압 101,325 Pa의 0.59%입니다. 큐리오시티가 게일 크레이터(위도 -4.5도, 해발 -4,500m)에서 측정한 대기압은 730~760 Pa로, 계절과 시각에 따라 변합니다. 퍼서비어런스가 예제로 크레이터(위도 18.4도, 해발 -2,500m)에서 측정한 값은 약 650 Pa입니다. 고도가 낮을수록 대기압이 높습니다.
600 Pa는 어느 정도일까요? 지구에서 고도 35km 상공(성층권 중간)의 기압과 같습니다. 이 고도에서는 우주복 없이 생존할 수 없습니다. 기압이 낮아 혈액이 끓기 시작하는 "암스트롱 한계(Armstrong limit, 6,300 Pa)"보다 10배나 낮습니다. 화성 표면에서 우주복 없이 노출되면 몇 초 안에 혈액과 체액이 끓어 의식을 잃습니다.
둘째, 대기 조성입니다. 큐리오시티의 SAM(Sample Analysis at Mars) 기기가 측정한 화성 대기 조성은 다음과 같습니다. 이산화탄소(CO₂) 95.32%, 질소(N₂) 2.7%, 아르곤(Ar) 1.6%, 산소(O₂) 0.13%, 일산화탄소(CO) 0.08%, 수증기(H₂O) 0.03%입니다. 금성(CO₂ 96.5%)과 비슷하게 이산화탄소가 지배적입니다.
산소 0.13%는 호흡에 전혀 부족합니다. 지구 대기 산소 21%의 160분의 1입니다. 인간이 호흡하려면 최소 산소 16~19%가 필요한데, 화성은 1%도 안 됩니다. 또한 대기압 자체가 낮아서, 산소 분압(partial pressure)은 지구의 약 1,000분의 1입니다. 에베레스트 정상(산소 분압 약 33% 수준)보다 훨씬 부족합니다.
셋째, 온도입니다. 큐리오시티가 게일 크레이터에서 측정한 지표면 온도는 낮 최고 +20°C, 밤 최저 -73°C입니다. 퍼서비어런스가 예제로 크레이터에서 측정한 값은 낮 최고 -20°C, 밤 최저 -80°C입니다. 위도와 계절에 따라 크게 차이 납니다. 화성 평균 온도는 약 -60°C입니다.
화성 극지방 겨울 온도는 -125°C까지 내려갑니다. 이 온도에서는 CO₂가 얼어 드라이아이스가 됩니다(CO₂ 승화점 -78.5°C at 1기압, 하지만 화성 저압 환경에서는 -125°C). 실제로 화성 극관(polar caps)은 물 얼음 위에 계절적으로 CO₂ 얼음이 쌓였다가 녹는 과정을 반복합니다. NASA MRO(Mars Reconnaissance Orbiter) 관측 결과, 겨울에 극관 CO₂ 얼음 두께가 1m까지 증가합니다.
넷째, 중력입니다. 화성 표면 중력은 3.71 m/s²로, 지구(9.81 m/s²)의 38%입니다. 지구에서 100kg인 사람이 화성에서는 38kg처럼 느껴집니다. 이 약한 중력이 화성의 근본적 문제입니다. 중력이 약해 대기를 붙잡아두지 못하고, 태양풍이 대기를 우주로 날려버립니다.
| 항목 | 화성 (현재) | 지구 | 화성/지구 비율 |
|---|---|---|---|
| 대기압 | 600 Pa | 101,325 Pa | 0.6% |
| 대기 CO₂ | 95.32% | 0.04% | 2,383배 |
| 대기 O₂ | 0.13% | 21% | 0.6% |
| 평균 온도 | -60°C | +15°C | - |
| 표면 중력 | 3.71 m/s² | 9.81 m/s² | 38% |
| 자기장 | 거의 0 | 30,000~60,000 nT | ~0% |
테라포밍이란 무엇인가
테라포밍(terraforming)은 "지구처럼 만들기(terra = 지구, forming = 만들기)"를 의미합니다. 구체적으로는 다른 행성의 대기, 온도, 지형, 생태계를 지구와 유사하게 개조하는 것입니다. 화성 테라포밍의 최종 목표는 우주복 없이 호흡하고 걸어 다닐 수 있는 환경을 만드는 것입니다.
테라포밍 개념은 1961년 천문학자 칼 세이건(Carl Sagan)이 처음 제안했습니다. 그는 Science 저널에 "금성 대기에 조류를 살포해 CO₂를 산소로 바꾸자"는 논문을 발표했습니다. 이후 1973년 세이건이 화성 극관을 녹여 대기를 만들자는 아이디어를 제시하며, 화성 테라포밍이 본격적으로 논의되기 시작했습니다.
화성 테라포밍은 크게 3단계로 나뉩니다. 첫째, 온난화(warming). 화성 온도를 올려 극관 얼음을 녹입니다. 둘째, 대기 형성(atmospheric thickening). 녹은 CO₂·H₂O로 대기압을 높입니다. 셋째, 산소 생성(oxygenation). 식물이나 미생물로 산소를 만듭니다. 각 단계마다 수십~수백 년이 걸립니다.
테라포밍 완료 기준은 무엇일까요? 일반적으로 다음 조건을 만족해야 합니다. 대기압 30,000 Pa 이상(암스트롱 한계의 5배), 산소 농도 16% 이상, 평균 온도 0°C 이상, 액체 물 존재, 오존층 형성(자외선 차단)입니다. 이 조건을 만족하면 우주복 없이 산소 마스크만으로 활동 가능합니다. 완전한 지구화(대기압 100,000 Pa, 산소 21%, 온도 15°C)는 더 오래 걸립니다.
SpaceX 일론 머스크의 화성 계획
일론 머스크는 2016년부터 화성 이주 계획을 공개적으로 발표해왔습니다. 그의 계획을 요약하면 다음과 같습니다.
1단계: 스타십 개발 (2020년대) - 스타십(Starship)은 높이 120m, 직경 9m의 완전 재사용 로켓입니다. 100명 이상을 태우고 화성까지 갈 수 있도록 설계되었습니다. 2024년 현재 시험 비행 중이며, 2026~2028년 화성 무인 화물 미션을 계획하고 있습니다. 2030년대 초반 유인 미션을 목표로 합니다.
2단계: 화성 기지 건설 (2030년대) - 초기 착륙지는 화성 적도 부근 저지대로 예상됩니다. 대기압이 상대적으로 높고(700~800 Pa), 태양광 발전이 유리하며, 지하 얼음 접근이 가능한 지역입니다. 머스크는 2050년까지 1,000척의 스타십으로 100만 명을 수송하겠다고 밝혔습니다. 연간 2만 명씩 50년간 보내는 계산입니다.
3단계: 테라포밍 시작 (2050년대~) - 머스크가 제안한 방법은 "극관 핵폭탄 투하"입니다. 화성 극관에 핵폭탄 수천 개를 터뜨려 CO₂·H₂O 얼음을 단번에 녹이자는 것입니다. 2019년 트위터에서 "Nuke Mars!(화성을 핵폭탄으로!)"라는 문구가 적힌 티셔츠를 입고 등장해 화제가 되었습니다. 과학계는 이 방법의 실효성에 회의적입니다.
머스크의 계획은 야심차지만, 현실적 문제가 많습니다. 첫째, 스타십 개발 지연. 2024년 현재 스타십은 궤도 비행에도 성공하지 못했습니다. 화성까지 가려면 궤도 급유 기술이 필요한데, 아직 시험 단계입니다. 둘째, 비용. 100만 명을 화성에 보내는 비용은 최소 수십조~수백조 달러로 추정됩니다. 셋째, 생명 유지. 화성 표면에서 100만 명을 먹이고 재우고 공기를 공급하려면 막대한 인프라가 필요합니다. 넷째, 테라포밍 실현 가능성. 과학적으로 검증되지 않았습니다.
극관 얼음 녹이기 시나리오
화성 테라포밍의 첫 단계는 극관 얼음을 녹여 대기를 만드는 것입니다. 화성 북극과 남극에는 물 얼음과 CO₂ 얼음이 존재합니다. NASA MRO의 SHARAD(Shallow Radar) 관측 결과, 북극 얼음 캡 부피는 약 820,000 km³(수심 1.6km, 면적 약 500,000 km²), 남극은 약 1,600,000 km³입니다. 대부분 물 얼음이고, 표면에 CO₂ 얼음이 덮여 있습니다.
만약 극관 얼음을 모두 녹이면 어떻게 될까요? 2018년 NASA 연구팀이 발표한 논문에 따르면, 극관 CO₂ 얼음을 모두 기화시켜도 대기압은 약 1,200 Pa까지만 증가합니다. 현재 600 Pa의 2배이지만, 여전히 지구의 1.2%에 불과합니다. 호흡 가능한 수준(30,000 Pa)의 25분의 1입니다.
왜 극관을 녹여도 대기가 충분히 늘어나지 않을까요? 이유는 화성에 존재하는 CO₂ 총량이 부족하기 때문입니다. 큐리오시티·퍼서비어런스 로버가 토양을 분석한 결과, 화성 토양에는 탄산염(carbonate) 광물이 거의 없습니다. 탄산염은 CO₂가 암석과 반응해 만들어지는데, 화성에서는 발견량이 5% 미만입니다. 지구 지각에는 탄산염이 풍부하지만(석회암 등), 화성에는 거의 없습니다.
이는 과거 화성이 두꺼운 대기를 가졌다가 잃어버렸다는 증거입니다. 약 38억 년 전 화성에는 대기압이 높았고(추정 0.5~1기압), 액체 물이 존재했습니다. 큐리오시티가 발견한 둥근 자갈, 건조한 강바닥 흔적 등이 증거입니다. 하지만 화성이 자기장을 잃으며, 태양풍이 대기를 우주로 날려버렸습니다. 잃어버린 CO₂는 탄산염으로 고정되지 않고, 대부분 우주로 탈출했습니다.
그렇다면 극관을 녹이는 방법은 무엇일까요? 세 가지 시나리오가 제시됩니다. 첫째, 핵폭탄(머스크 방식). 수천 개 핵폭탄을 극관에 투하해 순간적으로 녹입니다. 2015년 머스크가 제안했지만, 2018년 NASA 연구는 "실효성 없다"고 결론 내렸습니다. 핵폭탄으로 녹일 수 있는 얼음은 표면 일부뿐이고, 방출되는 CO₂는 대기압을 수십 Pa 올리는 데 그칩니다. 둘째, 거대 거울. 우주에 수백~수천 개의 거대 거울을 띄워 태양빛을 극관에 집중시킵니다. 수십 년에 걸쳐 천천히 녹입니다. 셋째, 온실가스 방출. 인공적으로 강력한 온실가스(SF₆, CF₄ 등)를 공장에서 대량 생산해 대기에 방출합니다. 화성 전체를 서서히 데웁니다.
이 중 가장 현실적인 방법은 셋째 온실가스 방출입니다. 하지만 이것도 엄청난 에너지와 자원이 필요합니다. 2001년 연구에 따르면, 화성 온도를 10°C 올리려면 연간 1,000만 톤의 SF₆를 100년간 방출해야 합니다. 총 10억 톤입니다. 현재 지구 전체 SF₆ 생산량이 연간 약 8,000톤이므로, 1,250배 증산해야 합니다.
자기장 부재 문제의 심각성
화성 테라포밍의 가장 근본적 장애물은 자기장이 없다는 것입니다. 지구는 액체 철 핵이 회전하며 자기장을 생성합니다(다이나모 효과). 지구 자기장은 태양풍(태양에서 날아오는 고에너지 입자)을 막아줍니다. 자기장이 보호막 역할을 해, 대기가 태양풍에 날아가지 않습니다.
화성은 과거에 자기장이 있었지만, 약 40억 년 전에 잃어버렸습니다. 화성 핵이 식으며 고체화되었기 때문입니다. 화성이 지구보다 작아(반지름 3,390km vs 지구 6,371km) 빨리 냉각되었습니다. 자기장을 잃은 화성은 태양풍에 무방비로 노출되었고, 대기가 서서히 우주로 날아갔습니다.
NASA MAVEN(Mars Atmosphere and Volatile Evolution) 탐사선이 2014년부터 화성 상층 대기를 측정한 결과, 현재도 대기 손실이 진행 중입니다. 태양풍이 상층 대기를 초속 100 g씩 우주로 날려보냅니다. 하루 약 8.6 kg, 1년 약 3톤입니다. 미미해 보이지만, 10억 년이면 30억 톤입니다. 과거 40억 년간 화성은 이렇게 대기를 잃었습니다.
테라포밍으로 대기를 만들어도, 자기장이 없으면 다시 날아갑니다. 2018년 NASA 연구는 "자기장 없이 테라포밍한 화성 대기는 수백만~수천만 년 안에 다시 사라질 것"이라고 경고했습니다. 인간 문명 시간 척도(수백~수천 년)로는 충분하지만, 지질학적 시간 척도로는 순식간입니다.
해결책은 무엇일까요? 첫째, 인공 자기장 생성. 2017년 NASA 과학자 짐 그린(Jim Green)이 제안한 아이디어입니다. 화성과 태양 사이 라그랑주 점 L1(중력 균형점)에 거대 자석을 설치해, 인공 자기장으로 태양풍을 막는 것입니다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 1~2테슬라 자기장이면 화성 전체를 보호할 수 있습니다. 하지만 이런 거대 자석을 만들고 L1에 유지하는 기술은 아직 없습니다.
둘째, 지속적 대기 보충. 자기장을 만들지 않고, 대기가 날아가는 만큼 계속 보충하는 방법입니다. 공장에서 CO₂·N₂·O₂를 생산해 매년 수백만 톤씩 방출합니다. 에너지와 자원 소모가 막대하지만, 기술적으로는 가능합니다. 셋째, 지하 도시. 테라포밍을 포기하고 지하에 거주하는 방법입니다. 지하는 우주선(cosmic rays)과 태양풍으로부터 자연적으로 보호되며, 온도도 안정적입니다.
물 확보 가능성 검증
테라포밍에는 막대한 양의 물이 필요합니다. 물은 호흡용 산소를 만들고(H₂O → O₂ + H₂), 농업용수로 사용하며, 로켓 연료(액체 수소·산소)를 생산합니다. 화성에 물이 얼마나 있을까요?
NASA 탐사선들이 발견한 화성 물은 세 곳에 있습니다. 첫째, 극관 얼음. 앞서 언급했듯이 북극 820,000 km³, 남극 1,600,000 km³입니다. 둘째, 지하 얼음. MRO의 SHARAD 레이더 관측 결과, 화성 중위도 지역(위도 30~60도) 지하 1~10m에 광범위한 얼음층이 있습니다. 두께 수십~수백 미터로 추정됩니다. 셋째, 토양 수분. 큐리오시티가 토양을 가열해 분석한 결과, 화성 토양 1kg당 약 2%(20g)의 물이 포함되어 있습니다.
화성 물 총량은 정확히 알 수 없지만, 보수적 추정으로 5,000,000 km³ 정도입니다. 이를 화성 표면 전체에 고르게 펼치면 수심 약 35m입니다. 지구 바다(1,386,000,000 km³, 평균 수심 3,700m)의 0.36%이지만, 인간 거주에는 충분합니다. 지구 담수 총량(35,000,000 km³)의 14% 수준입니다.
문제는 물을 어떻게 채굴하느냐입니다. 극관은 거리가 멀고 극한 추위(-125°C)입니다. 중위도 지하 얼음이 더 현실적입니다. 2008년 NASA 피닉스 착륙선이 북극 부근(위도 68도)에서 지하 5cm 아래 얼음을 직접 확인했습니다. 로봇 팔로 파니 흰 얼음이 나왔고, 햇빛에 노출되자 승화(고체→기체)했습니다. 이는 CO₂ 얼음(승화 빠름)이 아니라 물 얼음(승화 느림)입니다.
2018년 연구는 화성 중위도 지하 얼음을 채굴하는 시나리오를 제시했습니다. 굴착 로봇이 지하 1~5m를 파고, 얼음을 채취해 가열하면 물이 됩니다. 전기분해로 산소와 수소를 분리합니다. 1톤 얼음에서 약 888kg 산소, 111kg 수소를 얻을 수 있습니다. 초기 화성 기지는 연간 수백 톤 물을 채굴해 자급자족할 것으로 예상됩니다.
산소 생성 3가지 방법
테라포밍의 최종 목표는 호흡 가능한 산소를 만드는 것입니다. 세 가지 방법이 있습니다.
방법 1: 물 전기분해 - 가장 간단하고 확실한 방법입니다. 물(H₂O)에 전기를 흘리면 산소(O₂)와 수소(H₂)로 분해됩니다. 2H₂O → 2H₂ + O₂. 1kg 물에서 약 888g 산소를 얻습니다. NASA 퍼서비어런스 로버에 탑재된 MOXIE(Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment) 기기가 이 원리를 시험하고 있습니다.
MOXIE는 2021년 4월부터 화성 대기 CO₂를 이용해 산소를 생성하는 실험을 진행했습니다. 대기 CO₂를 압축·가열(800°C)하여 CO와 O₂로 분해합니다. 2CO₂ → 2CO + O₂. 2023년까지 총 16회 실험에서 시간당 6~8g 산소를 생성했습니다. 작은 양이지만, 원리 검증(proof of concept)에 성공했습니다. 이 기술을 100배 확대하면 시간당 600g, 하루 14.4kg 산소를 만들 수 있습니다. 사람 1명이 하루 호흡하는 산소가 약 0.8kg이므로, 18명분입니다.
방법 2: 식물 광합성 - 지구에서 산소는 주로 식물·조류가 광합성으로 만듭니다. 6CO₂ + 6H₂O + 빛 에너지 → C₆H₁₂O₆(포도당) + 6O₂. 화성에서도 식물을 키워 산소를 생산할 수 있습니다. 하지만 화성 환경은 식물에게 극한입니다. 낮 최고 온도 +20°C, 밤 최저 -70°C, 대기압 0.6%, 자외선 강도 지구의 2.5배입니다.
2014년 연구팀이 화성 유사 환경에서 식물 재배 실험을 했습니다. 저압 챔버(700 Pa)에 화성 유사 토양, CO₂ 대기, 자외선 조사 조건에서 상추, 토마토, 밀을 키웠습니다. 결과는 부분적 성공이었습니다. 상추는 비교적 잘 자랐지만, 토마토와 밀은 성장이 느렸습니다. 온도 조절과 물 공급이 필수였습니다. 화성에서 식물을 키우려면 온실(greenhouse)이 필요합니다. 투명 돔 안에 지구 대기압·온도를 유지하고, 식물을 재배합니다.
광합성으로 화성 전체 대기를 산소로 바꾸려면 얼마나 걸릴까요? 2001년 연구는 "수백~수천 년"이라고 추정했습니다. 화성 표면 전체(1억 4,500만 km²)를 식물로 덮고, 광합성으로 CO₂를 산소로 전환해도 수백 년이 걸립니다. 지구 산소 대기는 약 25억 년 전 남세균(cyanobacteria)이 만들기 시작해, 수억 년에 걸쳐 형성되었습니다. 화성도 비슷한 시간이 필요합니다.
방법 3: 남세균·조류 - 식물보다 효율적인 방법은 남세균이나 조류를 사용하는 것입니다. 이들은 식물보다 광합성 효율이 높고, 극한 환경에 강합니다. 지구 남극 건조 계곡(Dry Valleys)에는 -60°C에서도 생존하는 남세균이 있습니다. 이를 화성에 살포하면, 화성 환경에 적응하며 산소를 만들 수 있습니다.
2019년 독일 연구팀이 화성 유사 환경(저압, 저온, 강한 자외선)에서 남세균 생존 실험을 했습니다. 일부 종은 1년 이상 생존하며 광합성을 계속했습니다. 이는 화성에서 생물학적 테라포밍이 가능하다는 희망을 줍니다. 하지만 남세균이 화성 전체로 확산되려면 액체 물이 필요합니다. 즉 테라포밍 중간 단계(온도 0°C 이상, 액체 물 존재)에서나 가능합니다.
| 방법 | 장점 | 단점 | 소요 시간 |
|---|---|---|---|
| 물 전기분해 | 기술 검증 완료, 즉시 적용 가능 | 막대한 에너지 필요 | 수십 년 (국지적) |
| 식물 광합성 | 자연 친화적, 식량도 생산 | 온실 필요, 느린 속도 | 수백~수천 년 |
| 남세균·조류 | 효율적, 극한 환경 적응 | 액체 물 필요, 통제 어려움 | 수백~수천 년 |
현실적 테라포밍 타임라인
과학자들이 제시하는 현실적 화성 테라포밍 타임라인은 다음과 같습니다. 머스크의 낙관적 계획과는 차이가 큽니다.
2030~2050년: 초기 기지 건설 - 화성에 소규모 기지를 건설합니다. 거주 인원 수십~수백 명입니다. 지하 얼음을 채굴해 물·산소를 생산하고, 온실에서 식량을 재배합니다. 핵발전소나 태양광으로 에너지를 공급합니다. 이 단계에서는 테라포밍이 아니라 "생존"이 목표입니다. 우주복 없이는 밖에 나갈 수 없습니다.
2050~2100년: 대규모 정착 - 기지가 확대되어 수천~수만 명이 거주합니다. 도시 규모의 돔형 거주지가 여러 개 건설됩니다. 물·산소·식량은 자급자족합니다. 초기 산업 인프라(제철소, 화학 공장)가 가동됩니다. 화성 자원(철, 알루미늄, 티타늄)으로 건설 자재를 생산합니다. 여전히 대기는 얇고, 야외 활동은 우주복이 필수입니다.
2100~2300년: 온난화 시작 - 본격적으로 테라포밍을 시작합니다. 공장에서 온실가스(SF₆, CF₄, C₂F₆ 등)를 대량 생산해 대기에 방출합니다. 동시에 궤도 거울을 설치해 극관에 태양빛을 집중시킵니다. 100~200년에 걸쳐 평균 온도가 -60°C에서 -20°C로 상승합니다. 극관 CO₂ 얼음이 녹기 시작하며, 대기압이 600 Pa에서 2,000~3,000 Pa로 증가합니다.
2300~2500년: 액체 물 출현 - 평균 온도가 0°C에 도달하며, 저지대에 액체 물이 나타납니다. 지하 얼음이 녹아 지표로 스며들고, 일부 지역에 얕은 호수가 형성됩니다. 대기압은 5,000~10,000 Pa로 증가합니다. 여전히 우주복이 필요하지만, 압력복 정도로 충분합니다. 남세균·조류를 호수에 살포해 산소 생산을 시작합니다.
2500~3000년: 산소 축적 - 남세균·조류·식물이 광합성으로 산소를 만들기 시작합니다. 대기 산소 농도가 0.13%에서 1~2%로 증가합니다. 여전히 호흡하기에는 부족하지만, 오존(O₃)이 형성되기 시작합니다. 오존층이 자외선을 일부 차단하며, 생물이 살기 더 좋아집니다. 대기압은 15,000~20,000 Pa로 증가합니다.
3000~10000년: 완전 테라포밍 - 수천 년에 걸쳐 산소가 계속 축적됩니다. 대기 산소 농도가 10~16%에 도달하며, 산소 마스크만으로 호흡 가능해집니다. 대기압은 30,000~50,000 Pa입니다. 평균 온도 +5~10°C, 광범위한 식물·조류 분포, 작은 바다 형성됩니다. 이 상태를 "부분 테라포밍(partial terraforming)"이라 합니다. 완전한 지구화(대기압 100,000 Pa, 산소 21%)는 수만 년 더 걸립니다.
즉 화성 테라포밍은 최소 1,000년, 현실적으로는 10,000년 이상 걸립니다. 머스크의 2050년 목표는 "기지 건설"일 뿐, 테라포밍과는 거리가 멉니다.
2018 NASA 연구의 비관적 결론
2018년 7월, NASA 연구팀이 Nature Astronomy에 발표한 논문 "Inventory of CO₂ available for terraforming Mars"는 화성 테라포밍 가능성에 찬물을 끼얹었습니다. 연구팀은 화성에 존재하는 모든 CO₂를 정밀 계산했습니다.
연구팀은 큐리오시티·MAVEN·MRO 등 탐사선 데이터를 종합 분석했습니다. 화성 CO₂는 네 곳에 있습니다. 첫째, 현재 대기(95.32% CO₂, 대기압 600 Pa). 둘째, 극관 CO₂ 얼음. 셋째, 토양에 흡착된 CO₂. 넷째, 지하 탄산염 광물입니다.
계산 결과, 이 모든 CO₂를 대기로 방출해도 대기압은 최대 1,200 Pa까지만 증가합니다. 현재 600 Pa의 2배이지만, 지구 대기압(101,325 Pa)의 1.2%에 불과합니다. 호흡 가능한 최소 대기압(30,000 Pa)의 25분의 1입니다. 연구팀은 "현재 화성에 존재하는 CO₂만으로는 테라포밍이 불가능하다"고 결론 내렸습니다.
왜 CO₂가 부족할까요? 과거 화성이 잃어버린 대기 대부분이 우주로 탈출했기 때문입니다. MAVEN 데이터 분석 결과, 과거 40억 년간 화성 대기의 약 65%가 태양풍에 의해 우주로 날아갔습니다. 잃어버린 대기는 돌아오지 않습니다. 현재 화성에 남은 CO₂는 원시 대기의 35%뿐입니다.
연구팀은 대안으로 "외부에서 CO₂ 수입"을 제시했습니다. 소행성대나 카이퍼 벨트에서 얼음 소행성을 화성으로 끌고 와 충돌시키는 방법입니다. 하지만 이는 현재 기술로 불가능하며, 수백~수천 년 걸립니다. 연구팀은 "21세기 기술로는 화성 테라포밍이 실현 불가능하다"고 밝혔습니다.
테라포밍 vs 파라테라포밍
테라포밍이 어렵다는 현실 때문에, 대안 개념이 제시되었습니다. "파라테라포밍(paraterraforming)"입니다. 파라테라포밍은 "부분적 지구화"를 의미합니다. 행성 전체가 아니라, 일부 지역만 지구처럼 만드는 것입니다.
구체적으로는 거대한 돔이나 텐트로 화성 일부를 덮어, 그 안에 지구 대기·온도·생태계를 만드는 것입니다. 예를 들어 발레스 마리네리스(Valles Marineris, 화성 대협곡, 길이 4,000km, 깊이 7km)를 투명 텐트로 덮으면, 내부 부피가 약 1,000,000 km³입니다. 여기에 지구 대기를 채우고, 식물을 심고, 물을 공급하면 거대한 온실이 됩니다.
파라테라포밍 장점은 현실성입니다. 행성 전체 대기를 바꾸는 것보다, 국지적 돔을 만드는 것이 훨씬 쉽습니다. 기술적으로도 가능합니다. 현재 지구에서도 거대 돔 건축물이 있습니다(예: 싱가포르 가든스 바이 더 베이 돔, 직경 150m). 화성에서는 중력이 38%라 더 큰 돔을 만들 수 있습니다.
단점은 제한성입니다. 돔 안에서만 살 수 있고, 밖으로 나가려면 여전히 우주복이 필요합니다. 또한 돔 유지 비용이 큽니다. 화성 먼지 폭풍이 돔을 덮으면 햇빛이 차단되고, 온도가 떨어집니다. 돔 파손 시 대기가 빠져나가 재앙이 됩니다.
그럼에도 많은 과학자들은 파라테라포밍이 더 현실적이라고 봅니다. 2050년대 화성 기지는 아마 파라테라포밍 방식일 것입니다. 수십~수백 개의 돔 도시가 화성 곳곳에 건설되고, 그 안에서 수백만 명이 거주할 것입니다. 완전한 테라포밍은 먼 미래의 일입니다.
결론: 화성 테라포밍은 가능한가
결론적으로 화성 테라포밍은 "이론적으로 가능하지만, 현실적으로 매우 어렵다"입니다. 핵심 장애물을 정리하면 다음과 같습니다.
첫째, CO₂ 부족 - 2018 NASA 연구가 밝혔듯이, 화성에 존재하는 CO₂만으로는 대기압을 충분히 높일 수 없습니다. 외부에서 물질을 수입하거나, 인공 온실가스를 대량 생산해야 합니다. 둘 다 막대한 자원과 에너지가 필요합니다.
둘째, 자기장 부재 - 자기장 없이 만든 대기는 태양풍에 의해 다시 날아갑니다. 인공 자기장을 만들거나, 대기를 지속적으로 보충해야 합니다. 현재 기술로는 둘 다 어렵습니다.
셋째, 시간 - 테라포밍은 최소 1,000년, 현실적으로 10,000년 이상 걸립니다. 인간 문명이 그 기간 동안 지속될지 불확실합니다. 지구 문명도 수천 년 역사이고, 산업 문명은 고작 200년입니다.
넷째, 비용 - 테라포밍 비용은 정확히 계산하기 어렵지만, 최소 수십조~수백조 달러로 추정됩니다. 지구 GDP(약 100조 달러)의 수배~수십배입니다. 누가 이 비용을 감당할까요?
머스크의 2050년 100만 명 도시는 "테라포밍"이 아니라 "파라테라포밍" 또는 "지하 도시"일 것입니다. 우주복 없이 화성을 걸어 다니는 날은 수천 년 후입니다. 하지만 불가능하지는 않습니다. 인류가 수천 년 동안 노력한다면, 언젠가 화성은 제2의 지구가 될 수 있습니다.
참고 자료 및 데이터 출처
- NASA Curiosity Rover - SAM 대기·토양 분석 데이터 (2012~현재)
- NASA Perseverance Rover - MOXIE 산소 생성 실험 데이터 (2021~현재)
- NASA MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) - SHARAD 지하 얼음 탐사 (2006~현재)
- NASA MAVEN - 화성 대기 손실 측정 데이터 (2014~현재)
- Nature Astronomy - "Inventory of CO₂ available for terraforming Mars" (Jakosky & Edwards, 2018)
- NASA Phoenix Lander - 극지방 얼음 직접 확인 (2008)
- SpaceX Starship Development Program - 공식 발표 자료
- Journal of Geophysical Research: Planets - 화성 테라포밍 시뮬레이션 논문들