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  • 과학과 놀자

    달과 화성 거주 위한 인류의 꿈 구체화되고 있지만…지구보다 중력 약해 방사선·먼지 등 해결 과제 많아

    민간인이 지구 고도 80㎞ 이상 떨어진 ‘우주’를 재활용 민간 왕복선으로 여행했다거나 화성 탐사차 큐리오시티(Curiosity)와 탐사선 엑소마스(ExoMars)가 화성 지표면과 지표면 아래에서 물의 존재 가능성에 대한 증거를 보내왔다는 뉴스를 접하는 시대에 살고 있다.인류의 극소수가 우주여행을 즐기는 사이 수백t의 탄소가 배출되기도 하고, 우주자원을 특정 국가가 소유할 수 있다는 논리를 접하면 인류가 옳은 방향으로 진보하고 있는가에 대한 의구심이 들기도 한다.2027년에는 지구 중력 6분의 1의 인공중력으로 작동하는 우주정거장에 인류 최초 우주호텔 보이저 스테이션(Voyager Station)을 설치한다거나, 2024년 영화 촬영 스튜디오 모듈(SEE-1)을 국제우주정거장에 설치하겠다는 계획, 다른 행성에서 살기 위한 방법이 관련 전문 학회에서 논의되고 있다는 소식을 들으면 특정 행성에 여행 가거나 거주하겠다는 인류의 꿈이 구체화되고 있다는 게 실감된다.인류가 우주의 다른 행성을 탐험하거나 그곳에 거주하려면 몇 가지 문제점을 먼저 해결해야 한다. 인류가 새로운 행성을 문명화하기 위한 연구는 유인 우주선을 발사하던 1980년대부터 우주토목공학(SCE·Space Civil Engineering)이라고 정의되어 진행돼왔다. SCE는 인류가 우주에 문명을 펼치기 위해 필요한 것을 연구하는 학문 분야다. 토목공학이 지향하는 바와 크게 다르지 않다. SCE와 토목공학의 차이를 만드는 것은 자전주기, 공전주기, 태양과의 거리를 쉽게 떠올릴 수 있지만, 방법에서의 근본적 차이는 거주하고자 하는 달이나 화성의 중력이 지구보다 작은 데서 발생한다. 달과 화성의 중력은 지구 중력에 비해 각각 6분의 1과 3분의 1 수준이다.

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    인공위성에서 내려다본 세상은 어떤 모습일까

    과천과학관과 함께 하는 과학 이야기 (9)길을 걷다 보면 리어카를 끌며 폐지를 줍는 어르신들을 가끔 본다. 힘겹게 폐지를 주워 담는 모습이 안타까울 때가 많다. 얼마 전 한 방송에서 이와 관련된 뉴스를 봤다. 폐지를 줍는 노인들의 리어카에 GPS(Global Positioning System) 센서를 붙여 이 분들의 생활을 분석한 내용이었다.10명을 조사한 결과 노인들은 리어카를 끌고 하루평균 13㎞를 이동하는 것으로 나타났다. 그 대가로 버는 돈은 1만원 남짓이었다. 기술을 활용해 가난한 어르신들의 사정을 객관적으로 살펴봤다는 점에서 인상적인 뉴스였다.GPS는 인공위성 신호로 지구상에 있는 물체의 위치를 찾아내는 시스템이다. GPS에는 오차 보정을 위한 위성을 포함해 최소 네 개의 위성이 필요하다. 각 위성과 지상의 GPS 센서가 신호를 주고받으며 서로 간의 거리를 측정해 정확한 위치를 확인할 수 있다.일상에서 가장 흔한 GPS 이용 사례는 자동차 내비게이션인데, 그 외에도 여러 분야에 활용할 수 있다. 한 생태 탐사 프로그램에서도 GPS 기술을 이용한다. 생태 탐사 과정에서 GPS로 수집한 위치 정보를 인터넷에 공유해 전문가들이 연구 자료로 활용할 수 있도록 한다.한 글로벌 정보기술(IT) 기업은 회사 건물을 흰색 페인트로 칠해 태양광 반사율을 높임으로써 지구 온난화에 대응하는 기술을 연구 중인데, 여기에도 GPS를 이용한다. 건물의 위도와 고도를 GPS로 확인하고 태양광의 입사각 등을 계산해 건물의 어느 부분을 흰색으로 칠하는 것이 가장 효과적일지 분석하는 것이다.인간이 우주로 쏘아 올린 인공위성은 폐지를 줍는 노인과 생태 탐사에 나선 사람들, 뜨거운 태양빛을 우주로 반사시키는 건물을 내려다보며 인

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    아름다운 봄꽃들은 빛과 온도가 빚은 합작품

    낮이 길어지고 기온이 오르면서 여기저기서 봄을 알리는 꽃이 피어나고 있다. 산수유꽃, 진달래꽃, 개나리꽃, 목련꽃, 벚꽃은 봄이 온 것을 어떻게 알고 때맞춰 꽃을 피울까. 식물이 계절이나 특정 시간에 맞춰 꽃을 피우는 개화 메커니즘은 오래전부터 과학자들의 큰 관심거리였다. 식물이 어떻게 계절을 인지하는지에 대한 힌트는 돌연변이 변종 담배인 메릴랜드 매머드에서 나왔다.외부 빛을 차단한 식물의 생육 장치 안에서 조명으로 낮과 밤의 길이를 조절했더니 낮의 길이가 14시간보다 짧아졌을 때 이 식물이 꽃을 피웠다. 과학자들은 이 식물처럼 낮의 길이가 특정 시간보다 짧아야 개화되는 식물을 단일식물이라고 불렀다. 국화와 포인세티아, 일부 대두 변종이 단일식물에 속하며 일반적으로 늦은 여름이나 가을 혹은 겨울에 꽃을 피운다. 낮 길이가 특정 시간보다 길어야 꽃을 피우는 식물은 장일식물이라 부른다. 일반적으로 늦은 봄이나 초여름에 꽃을 피운다. 시금치는 낮 길이가 14시간 이상 돼야 꽃을 피우며 무와 상추, 붓꽃, 그 외 많은 곡물류가 장일식물이다. 낮의 길이가 개화 시기에 영향을 주지 않는 식물을 중일식물이라고 하는데, 이런 식물은 특정 생장 단계가 돼야 꽃을 피운다. 토마토와 벼, 민들레 따위가 중일식물에 속한다. 저온 노출 거쳐야 꽃 피우는 식물도1940년대에 과학자들은 개화 시기가 실제로는 낮의 길이가 아니라 밤의 길이에 영향을 받는다는 것을 알아냈다. 단일식물의 경우 낮 기간 중 잠깐 동안 암 처리를 해도 개화에는 영향을 미치지 않았지만, 밤 기간 중 몇 분간만 희미한 빛을 비춰도 꽃을 피우지 않았다. 실제로 단일식물인 도꼬마리의 경우 최소 8시간 이상

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    천동설을 무너뜨린 밝은 별, 금성

    과천과학관과 함께 하는 과학 이야기 (8)부지런한 사람이라면 요즘 새벽 동쪽 하늘에서 아주 밝은 별 하나를 볼 수 있다. 금성이다. ‘샛별’이라고도 불리는 금성은 태양에 가까워 달을 빼면 가장 밝게 보이는 천체다. 한창 밝을 때의 금성은 1등급 별보다 100배 가까이 밝아 별(행성)이 아닌 UFO나 비행기, 인공위성으로 착각하기도 한다.하늘에 금성이 떠 있다면 찾는 것은 어렵지 않다. 다른 별보다 월등히 밝기 때문이다. 그러나 금성을 항상 볼 수 있는 것은 아니다. 금성은 지구와 태양 사이의 궤도를 도는 내행성(안쪽 행성)인데, 내행성은 지구에서 봤을 때 항상 태양 근처에서만 관측된다. 따라서 해가 진 직후 서쪽 하늘이나 해가 뜨기 전 동쪽 하늘에서 잠깐 동안만 볼 수 있다.금성을 맨눈으로 보면 밝은 별처럼 보이지만 천체 망원경으로 보면 달과 비슷한 모양으로 보인다. 달은 지구 주변을 돌면서 서로 다른 각도에서 태양빛을 반사해 매일 매일 모양이 달라진다. 금성도 달처럼 어느 위치에 있느냐에 따라 지구에서 보이는 모양(위상)이 바뀐다.금성은 보름달에 가까운 둥근 모양에서 점점 상현달(오른쪽이 둥근 반달), 초승달 모양으로 변하다가 다시 그믐달, 하현달(왼쪽이 둥근 반달) 모양으로 변한다. 보름달에서 하현달, 그믐달, 초승달, 상현달 순서로 변하는 달과 반대다.금성은 모양뿐만 아니라 크기도 변한다. 사실 모든 태양계 행성은 태양을 중심으로 서로 다른 속도로 돌고 있어 지구와의 거리가 수시로 달라진다. 그 결과 보이는 크기(겉보기 크기)도 달라진다.태양, 금성, 지구가 일직선으로 놓일 때 금성은 지구에서 가장 가깝다. 이때 지구와 금성의 거리는 대략 3800만~4000만㎞다.

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    열핵 추진 로켓 만들면 유인 화성탐사 가능해진다

    지난해 전남 고흥 나로우주센터에서 ‘누리호’가 발사됐다. 우리나라가 독자 기술로 개발한 우주발사체가 목표 고도인 700㎞에 도달하고, 위성 모사체 분리에 성공하는 모습을 보며 필자는 크게 감동했다. 대한민국 고유 기술만으로 우주여행을 하는 날이 머지않았다는 생각이 들어서다. 특히 올해는 누리호 2차 발사와 달궤도선 발사라는 대규모 이벤트가 연달아 예정돼 있다.또 2030년 달착륙선을 쏘아올리고자 누리호 엔진의 성능 개선에 주력하고 있다고 한다. 다양한 우주 연구개발이 진행 중이다 보니 한발 나아가 새로운 궁금증이 생긴다. 누리호를 타고 화성에 갈 수 있을까? 화성까지 가기 위해서는 어떤 엔진이 필요할까?화성은 달과 함께 인류의 주된 관심사였다. 지구와 화성 간 거리는 태양계 공전 궤도에서 계속해서 변하는데, 가장 가까울 때는 5460만㎞고 가장 멀 때는 4억100만㎞에 이른다. 그러나 이는 실제 우주 임무엔 사용할 수 없는, 지구와 화성 간 직선거리를 계산한 것이다. 화성으로 가는 우주 지도우주선의 궤도는 일직선이 아니다. 지구든 태양이든 무언가의 중력에 의해 타원형 궤도를 그린다. 게다가 지구와 화성은 계속 움직인다. 우주탐사 로켓의 주요 목표는 지구 궤도에서 목표 천체의 궤도로 이전할 수 있는 최종 속도를 얻는 것이다. 여기서 우리는 로켓 추진 시스템 설계에서 가장 중요한 개념인 비추력(specific impulse)을 알아야 한다.비추력은 쉽게 말해 로켓 엔진의 연료 효율성을 나타내는 지표다. 연료 1㎏이 1초 동안 연소할 때 얼마나 큰 추력을 만드는지다. 추력이란 비행물체를 날아가게 하는 힘이다. 로켓은 고속의 연료를 분사하는 반작용을 이용해 추력을 얻

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    '킬링 곡선'으로 보는 지구와 인류의 미래

    과천과학관과 함께 하는 과학 이야기 (7)태평양 한가운데 있는 섬 하와이에는 마우나로아 관측소라는 곳이 있다. 이 관측소는 지구 상에서 가장 오래 전부터 대기 중 이산화탄소 농도를 측정한 곳이다. 이 곳에서 관측한 이산화탄소 농도를 연도별로 기록한 그래프를 ‘킬링 곡선(Keeling Curve)’이라고 한다. 관측을 시작한 연구자인 찰스 데이비드 킬링의 이름을 따 그렇게 불리고 있다.첫 관측은 1958년 3월이었다. 그 해 이산화탄소 농도는 약 315?이었다. ?은 공기의 농도를 나타내는 단위로 100만분의 1을 뜻한다. 이 그래프는 꾸준히 상승해 올해 2월 419?까지 올랐다. 대기 중 이산화탄소 농도가 높아진 것이다. 예전에는 과학 교과서에 공기 중 이산화탄소 농도가 0.03%라고 나왔었는데 이제는 0.04%로 수정돼야 하겠다. 2013년 대기 중 이산화탄소 농도가 이미 400?을 돌파했으니까.그래프를 좀 더 자세히 보면 일정한 간격으로 오르락내리락을 반복하는 모습도 보인다. 최근 5년간(2017년 1월~2022년 2월)의 그래프를 확대해 보면 이산화탄소 농도가 매년 5월에 가장 높고, 9월에 가장 낮다는 사실을 알 수 있다. 이는 식물의 광합성에 따른 결과다.북반구 온대 지역의 식물이 광합성을 활발히 하면서 이산화탄소를 흡수하는 봄~여름, 즉 5~9월엔 이산화탄소 농도가 줄어들었다가 가을~겨울, 즉 10월부터 이듬해 4월까지는 광합성이 약해지면서 이산화탄소 농도가 다시 증가하는 것이다. 계절에 따른 변화는 있지만 전체적으로는 이산화탄소 농도가 지속적으로 높아지고 있다.킬링 곡선은 단순히 이산화탄소 농도 변화만을 의미하지 않는다. 여러 연구를 통해 이산화탄소 농도 변화는 지구 평균 기온과 깊은 관련

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    코로나 닿으면 빨간줄…진단키트에 금 나노입자 쓰죠

    코로나바이러스 항원 검사에 사용되는 자가진단키트는 양성이면 붉은색 선이 두 줄로 나타나고, 음성이면 붉은색 선이 한 줄로 나타나 코로나바이러스 감염 여부를 알 수 있다. 또 항균·항바이러스 마스크는 나노미터(㎚·1㎚=10억분의 1m) 두께의 구리가 섬유에 코팅돼 있어 바이러스나 유해 미생물을 사멸시킴으로써 개인 방역에 중요한 역할을 하기도 한다.올림픽 메달이 연상되는 금, 은, 동(구리)은 주기율표에서 11족에 속한 원소들로, 귀금속으로 분류된다. 귀금속에 속한 원자들은 전자배열이 안정적이기 때문에 공기나 물 등 분자에 의한 반응성이 거의 없고, 화려한 빛을 내 기원전부터 동전과 장신구 등에 활용됐다. 물리적으로는 자유로운 최외각 전자(자유 전자)를 가지고 있고, 이 전자들의 자유로운 움직임은 다른 금속에 비해 높은 전기 전도도와 열 전도도의 특성을 갖게 해준다. 금속에 존재하는 자유 전자들은 반짝이는 원인이 되며, 금속 표면에 흡착된 세균이나 바이러스를 사멸할 수도 있다. 반짝임으로 바이러스 검출하는 금 나노입자40㎚ 크기의 구형(球形) 금 나노입자는 가시광 영역(파장: 400~750㎚)의 빛 중 빨간색 영역(파장: 620~750㎚)에 해당하는 빛에 의해 표면의 자유 전자가 집단으로 진동하는 현상을 일으킨다. 집단적인 공진으로 빨간색 빛만 흡수하고 산란시키는 현상을 이용해 로마 시대에는 리쿠르고스 잔과 같이 화려한 양색성 유리잔을 만들어 사용했다. 코로나바이러스 신속항원검사(자가진단키트)는 이런 귀금속 나노입자의 광학적 특성을 활용한 것이다.항원은 우리 몸속 면역반응을 일으키는 원인 물질로, 코로나바이러스의 경우 바이러스 표면의 단백질 성

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    자연을 흉내낸 과학 기술, '자연 모사'의 세계

    과천과학관과 함께 하는 과학 이야기 (6) 자연계의 모든 생물은 자연 선택과 먹이 사슬이라는 생존 경쟁 속에서 적응과 진화를 거치며 각자 환경에 맞는 특수한 기능을 발달시켰다. 인간이 사용하는 기술 중에는 생물체의 독특한 기능에서 아이디어를 얻은 것이 많다. 이런 것을 ‘자연 모사 기술’이라고 한다.15세기 르네상스 시대의 미술가이자 과학자인 레오나르도 다 빈치는 하늘을 나는 새를 관찰해 공기 역학의 원리를 터득하고 새의 날개를 닮은 비행기를 설계했다. 자연 모사 기술 중에서도 소재와 소자 응용에 큰 영향을 미친 기술 몇 가지에 대해 알아보자.첫 번째로 소개할 생물은 암초에 붙어 서식하는 연체동물 홍합이다. 홍합은 미끄러운 바위 표면에도 찰떡같이 잘 달라붙어 있다. 쉴 새 없이 몰아치는 거센 파도에도 흔들리지 않고 강한 접착력을 보여준다. 비결은 홍합에 붙어 있는 족사다. 족사는 콜라겐 섬유에 접착 단백질이 이리저리 얽혀 있다.과학자들은 홍합의 족사를 연구해 물기가 묻은 표면이나 금속 등 미끄러운 곳에도 쓸 수 있는 접착제를 개발하고 있다. 홍합의 족사 구조를 모방한 그물망 형태의 접착제는 피가 철철 흐르는 수술 부위의 상처를 꿰매지 않고 붙일 수 있는 생체 접착과 물에 계속 닿아 있어 일반 접착제를 사용하기 어려운 배의 유지·보수 등에 활용할 수 있다.거미는 거미줄에 먹이가 걸렸을 때 생기는 미세한 떨림을 감지해 먹잇감을 찾아간다. 거미는 먹이를 더 잘 감지할 수 있는 방향으로 다리 구조를 진화시켜 왔다. 거미 다리를 확대해 보면 미세한 균열 구조가 관찰된다. 이 균열이 붙었다 떨어졌다 하면서 진동을 민감하게 감지해 내는 것이