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2019년 6월 23일 일요일

태양계 이야기 750 - 장주기 혜성 탐사선을 계획하는 유럽 우주국


(Comet Interceptor will be used to fly by comets that have never visited the inner solar system before(Credit: ESA))


 유럽 우주국이 장주기 혜성이나 오무아무아처럼 갑작스럽게 태양계로 진입하는 외계 천체를 관측할 수 있는 혜성 인터셉터 (Comet interceptor)를 계획하고 있다는 소식입니다. 유럽 우주국은 로제타 임무를 통해 성공적으로 혜성을 탐사했지만, 이미 태양계 안쪽에서 여러 번 태양을 지나간 단주기 혜성이라는 문제가 있습니다. 


 오르트 구름에서 태양계 안쪽으로 진입하는 장주기 혜성은 아직까지 한번도 상세히 연구된 적이 없지만, 분명히 태양계 초기의 역사를 간직한 천체일 것입니다. 다만 태양계 안쪽으로 처음 진입하는 혜성을 확인하고 탐사선을 발사하면 이미 늦어버린다는 문제가 있습니다. 따라서 아예 지구 근처에 탐사선을 대기시켜 놓는다는 아이디어입니다. 


 혜성 인터셉터는 무게 1000kg 이하의 중형 탐사선으로 지구에서 150만 km 떨어진 라그랑주 점(L2)에서 대기합니다. 탐사선은 A1, B1, B2 세 개의 모듈로 구성되어 있으며 B1 모듈은 일본 JAXA가 개발을 담당합니다. A 모듈은 고해상도 카메라와 다중 스펙트럼 적외선 장치 (high-resolution camera, multispectral infrared instrument)로 먼지, 플라스마, 자기장을 조사하며 B1 모듈은 수소 이미저, 플라스마 장치, 그리고 광각 카메라 (hydrogen imager, another plasma instrument, and a wide-angle camera)를 가지고 있습니다. B2 모듈은 질량 스펙트로미터와 혜성 지형 관측 장치(mass spectrometer and coma mapper)를 가지고 있습니다. 


 아직 완전히 결정된 프로젝트는 아니지만, 유럽 우주국은 2028년에 혜성 인터셉터를 발사할 수 있기를 희망하고 있습니다. 실제 탐사가 이뤄지는 시점은 당연히 알 수 없지만, 어쩌면 생각치 않았던 대어를 낚을 가능성도 있습니다. 바로 오무아무아처럼 외계에서 날아오는 천체입니다. 오무아무아의 경우 탐사선을 보낼 시간이 없었지만, 지구 궤도 근처에서 대기 중인 우주선이 있다면 기회가 있을 것입니다. 만약 이런 천체가 다시 온다면 혜성 인터셉터의 가장 완벽한 목표가 될 것입니다. 


 참고 




스크램제트 극초음속 미사일을 만들기 위해 협력한 레이시온과 노스럽 그루만


(Artist's concept of an air breathing hypersonic missile(Credit: Northrop Grumman))


 미 공군 및 미국 방위고등연구계획국(DARPA) 의 합작 프로젝트인 초음속 미사일 개발을 위해 방산 업계의 두 거인인 레이시온과 노스럽 그루만이 서로 협력하기로 결정했습니다. 파리 에어쇼에서 발표한 내용에 따르면 이 두 회사는 스크램제트 엔진 기반의 마하 극초음속 미사일 개발을 위해 협력할 것입니다. 



 지대공 및 공대공 미사일은 점점 빨라지고 있지만, 마하 5 이상의 극초음속 미사일을 만들 수 있는 방법은 로켓 엔진을 사용하는 것 뿐입니다. 하지만 로켓 엔진은 연소 시간이 짧고 연료 대비 사정 거리가 짧은 편입니다. 제트 엔진은 대기 중 산소를 산화제로 이용해 효율이 좋고 연소 시간이 길지만, 마하 5 이상에서는 램제트 엔진도 효율이 급속히 감소합니다. 



 기존의 램제트 엔진의 대안으로 제시되고 있는 것이 스크램제트 엔진입니다. 스크램제트 엔진은 극초음속 영역에서도 효율이 좋아 차세대 우주 항공기 엔진으로 자주 거론되고 있지만, 아직 실용화 되지 못하고 있습니다. 두 회사는 2억 달러에 달하는 미 공군 및 DARPA의 극초음속 공기 흡입 무기 컨셉 Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (HAWC) 사업 계약을 맺고 미사일에 탑재할 소형 스크램제트 엔진을 개발할 계획입니다. 


 스크램제트 엔진 개발이 기술적으로 매우 어렵긴 하지만 미사일에 탑재할 소형 엔진 개발은 상대적으로 쉬울 것입니다. 따라서 시작을 미사일로 한다는 것은 매우 타당해 보입니다. 과연 어떤 결과가 나올지 궁금합니다. 


 참고 




에디아카라기의 저녁 만찬


(Artistic reconstruction of a gregarious community of Ernietta. Credit: Dave Mazierski)


(Artistic reconstruction of a cross section of Ernietta. Note the laminations of sediment within the cavity, and the particles within the surrounding water that settles into the cavity. Credit: Dave Mazierski)


(Well preserved Ernietta with bottom suture and individual modules visible. Credit: Charlotte Kenchington)


(Turbulent energy flowlines in multi-model CFD simulation showing recirculating turbulent patterns within and downstream of Ernietta cavities. Credit: Dave Mazierski)


 지금으로부터 6억 3500만년 전에서 5억 4100만년 전 지질 시대에는 에디아카라 동물군이라고 불리는 최초의 다세포 동물군이 있었습니다. 이들은 이빨이나 팔 다리 같은 부속지가 없는 생물로 대부분 여과 섭식자이거나 혹은 공생 조류에 의존해 살았던 생물로 생각됩니다. 이 시기 생물상에 대해서는 제 책인 포식자에서 일부 다룬 바 있습니다. 에디아카라기는 다세포 동물이 다른 다세포 생물을 잡아먹는 포식 활동을 벌이지 않았던 평화로운 시대였습니다. 




 밴더빌트 대학의 고생물학자인 사이먼 다로치 교수(Paleontologist Simon A.F. Darroch, assistant professor of earth and environmental sciences at Vanderbilt University)와 그 동료들은 5억 4000 - 5억 7000만년 전 바다 밑에서 살았던 에르니에타 (Ernietta)라는 생물 군집의 생활사를 복원했습니다. 이 생물은 위가 열린 주머니 같은 구조를 지니고 있으며 모래를 아래 품고 고정해 바닥에서 생활했던 것으로 보입니다. 연구팀은 아프리카 나미비아에서 발견된 군집 화석 (사진)을 토대로 이들이 어떻게 먹고 살았는지를 복원했습니다. 


 연구팀의 시뮬레이션에 의하면 에르니에타 군집은 가까이 있지만, 물의 흐름이 충분한 장소에서 충분한 먹이를 흡수하고 배설물을 버리는데 곤란을 겪지 않았을 것이라고 합니다. 당시에는 지금처럼 움직이는 여과섭식자도 없고 다른 상위 포식자도 없어 유기물이 현재보다 풍부했으며 이를 통해 에디아카라 생물군이 크게 번성한 것으로 보입니다. 이들의 저녁 파티 (dinner party)는 매우 평화롭고 사이좋게 진행되었을 것입니다. 


 하지만 캄브리아기에 이르러 다른 동물을 잡아먹는 포식자가 등장하게 되고 이후 생물계의 모습은 그전과는 완전히 달라지게 됩니다. 에디아카라기의 평화로운 만찬은 이후에는 일부 생물의 전유물이 되고 나머지는 살기 위한 생존 경쟁을 벌이게 되는 것이죠. 이 화석은 당시 최후의 만찬을 그린 부조물일지도 모릅니다. 


 참고 


B.M. Gibson el al., "Gregarious suspension feeding in a modular Ediacaran organism," Science Advances (2019). advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw0260


2019년 6월 22일 토요일

돌을 갉아먹는 배좀벌레



(Morphology of Lithoredo abatanica: (a) juvenile specimen (PMS-4313H); (b) small adult specimen (PMS-4134 W); (c) large adult specimen (holotype PMS-4312Y); (d) pallet pair outer face; (e) pallet pair inner face; (f) shell valves; (g) scanning electron micrograph of shell valve; (h) magnified region from (g) showing valve denticulation; (i) magnified region from (h). In, intestine; MC, mantle collar; Pa, pallet; Si, siphon; SV, shell valve. Scale bar (a–c) = 5 mm, (d–f) = 1 mm, (g–i) = 200 µm, 100 µm and 5 µm respectively. Credit: Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences (2019). DOI: 10.1098/rspb.2019.0434)


 배좀벌레(shipworm)는 우리에게는 그다지 친숙하지 않지만, 이름처럼 배를 좀먹는 생물입니다. 이들은 나무를 분해해 살아가는 연체동물로 바다로 유입되는 나무를 분해해 다시 생태계에 순환시키는 중요한 역할을 담당합니다. 단지 목재를 파먹기 때문에 오래전부터 선박을 훼손시키는 해충으로 인식된 것이죠. 



 배좀벌레는 생김새는 매우 징그러운 벌레지만, 사실은 조개류인 이미패류에 속합니다. 단지 나무를 파먹는 습성 때문에 패각이 작고 긴 몸을 지닌 것입니다. 그런데 최근 과학자들은 나무가 아니라 암석 속에서 배좀벌레를 찾아냈습니다. 미국내 다기관 연구자들은 나무 대신 바위를 갉아먹는 배좀벌레의 생태를 연구했습니다. 



 바위를 파먹는 배좀벌레는 최대 15cm정도의 몸길이를 지니고 있으며 나무 대신 암석을 갈게 위해 크고 평평한 이빨을 가지고 있습니다. 이들은 나무를 갉아먹는 친척과 달리 나무를 소화시키는데 필요한 주머니도 없었습니다. 연구팀은 암석 배좀벌레가 사실은 나무를 먹는 배좀벌레에서 진화한 것이 아니라 사실은 독립적으로 진화한 이미패류일 가능성이 높다고 설명했습니다. 




(동영상)


 하지만 가장 궁금한 부분은 이 벌레가 뭘 먹고 사냐는 것입니다. 암석에 구멍을 뚫는 건 아마도 은신처를 확보하기 위한 것이고 사실은 돌을 먹고 살지는 않을 것입니다. 연구팀은 이들이 공생 박테리아를 지니고 있긴 하지만 스스로 사냥을 할 가능성도 배제하지 않았습니다. 아직 알려지지 않은 부분이 많은 이 독특한 생물체에 대해 더 많은 연구가 필요합니다. 


 참고 


 J. Reuben Shipway et al. A rock-boring and rock-ingesting freshwater bivalve (shipworm) from the Philippines, Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences (2019). DOI: 10.1098/rspb.2019.0434


곰팡이 효소에서 나온 2세대 바이오 연료 촉매



(Using a protein produced by a fungus that lives in the Amazon, Brazilian researchers developed a molecule capable of increasing glucose release from biomass for fermentation (sugarcane bagasse at Santa Fé mill in Nova Europa, São Paulo State. Credit: Eduardo Cesar / Pesquisa FAPESP magazine)


 브라질의 캄피나스 대학 (University of Campinas (UNICAMP) )및 브라질 국립 바이오재생에너지 연구소 (Brazilian Biorenewables National Laboratory (LNBR))의 과학자들이 2세대 바이오 연료 개발에 필요한 새로운 효소를 개발했습니다. 


 브라질은 사탕수수를 이용한 바이오 연료 생산에서 선두 주자이긴 하지만, 사실 팔 수 있는 설탕 원료를 값싼 연료로 개발한 것으로 지금처럼 저유가 시대에는 그다지 남는 장사가 아닙니다. 여기에 사람 먹을 식량도 부족한 시대에 식량을 연료로 바꾸는 일 역시 문제가 있습니다. 따라서 많은 연구자들이 먹지 못하는 줄기나 농업 폐기물을 연료로 바꾸는 연구를 진행하고 있습니다. 통상 이를 2세대 바이오 연료라고 합니다. 


 사실 줄기나 껍질 등 여러 부산물에는 셀룰로오스를 비롯한 식물성 다당류가 풍부하며 이를 분해하면 포도당이나 에탄올처럼 연료로 전환할 수 있는 물질을 얻을 수 있습니다. 문제는 이 다당류가 매우 단단히 결합되어 있어 쉽게 분해되지 않는다는 것입니다. 목적을 생각하면 당연한 이야기입니다. 아무튼 그렇기 때문에 이를 분해하는데 드는 에너지가 너무 많아 2세대 바이오 연료 생산이 어려운 것입니다. 


 연구팀은 이 문제를 해결할 실마리를 찾기 위해 자연적으로 존재하는 곰팡이를 연구했습니다. 이들이 식물을 분해하는 능력이 탁월하기 때문입니다. 아마존 열대우림에서 서식하는 Trichoderma harzianum라는 곰팡이에서 찾은 베타 글루코시다제 (β-glucosidase)는 글리코사이드 가수분해 효소 패밀리 1 (glycoside hydrolase family 1 (GH1))에 속하는 효소로 바이오매스를 포도당으로 효과적으로 변환하지만 산업적으로 사용하기에는 몇 가지 문제가 있습니다. 



 이 효소의 활성은 섭씨 40도에서 최고가 되는데 이는 대부분의 반응로 온도가 50도 이상이라는 점을 생각하면 개선의 필요성이 있습니다. 더구나 포도당 농도가 높아지면 효율이 떨어지는 것도 문제입니다. 연구팀은 자연적인 효소의 화학 구조를 변형해 효율이 300% 높은 새로운 효소를 개발했습니다. 물론 더 많은 연구가 필요하지만 2세대 바이오 연료 개발에 고무적인 결과입니다. 


 이번 연구에서 본 것처럼 아마존의 자연 생태계는 수많은 생물 자원을 가지고 있습니다. 이를 보호하는 일 역시 중요할 것입니다.


 참고 


 Clelton A. Santos et al, An engineered GH1 β-glucosidase displays enhanced glucose tolerance and increased sugar release from lignocellulosic materials, Scientific Reports (2019). DOI: 10.1038/s41598-019-41300-3



공룡 화석이 현대 미생물의 보금자리?



(Centrosaurus, the Triceratops relative whose bones contained modern microbes. Credit: Nobu Tamura)

(A fluorescence microscopy image showing lit-up modern microbes that took up residence in a Centrosaurus fossil. Credit: Evan Saitta, Field Museum)


 쥐라기 공원에서처럼 공룡의 DNA를 추출해서 공룡을 복원한다는 일은 사실 불가능에 가까운 일입니다. 어떤 장소에서든 DNA 같은 복잡한 고분자 물질이 장기간 보존되기는 힘들기 때문입니다. 예외적으로 영구 동토 속에 보존된 고인류나 고대 생물의 DNA가 일부 복원되긴 했지만, 6600만년 이전으로 거슬러 올라가기는 어렵습니다. 사실 DNA보다 훨씬 단순한 단백질도 수백만년 이상 보존되기는 어렵습니다. 그러나 종종 공룡 화석에서 단백질의 흔적을 찾아냈다는 보고는 있어 왔습니다. 


 필드 박물관의 에반 사이타 (Evan Saitta, a postdoctoral researcher at the Field Museum)와 그 동료들은 이 주장에 의문을 품고 화석 속에서 발견된 단백질의 기원을 추적했습니다. 연구팀은 7500만년 된 작은 뿔공룡인 센트로사우루스 (Centrosaurus)와 수천년 된 상어 이빨, 그리고 닭 뼈를 비교 대상으로 연구를 진행했습니다. 그 결과 충분한 무균술을 사용해서 샘플을 채취해도 박테리아에 의한 오염을 피할 수 없는 것으로 나타났습니다. 


 박테리아는 지구 어디서나 볼 수 있으며 심지어 깊은 지층에 있는 암석 속도 예외가 아닙니다. 따라서 화석 속으로 파고 들어간다고 해서 이상한 일은 아닙니다. 화석 역시 다른 암석과 같이 균열이 있을 수 있으며 일부 화석은 다공성 구조를 지니고 있습니다. 이 틈을 통해서 물과 박테리아가 들어갈 수 있으며 여기에는 인을 포함한 무기 영양분이 풍부해 박테리아에게 유리한 환경을 만들 수 있습니다. 물론 충분한 주의를 기울였음에도 샘플을 채취하는 과정에서 오염될 위험성은 항상 존재합니다. 그 결과 박테리아나 혹은 박테리아의 분비물은 생물막이 섞여 들어가 연구자에게 혼동을 일으킬 수 있습니다. 


 이 연구는 연구자들이 결과를 해석하는데 있어 매우 주의를 요한다는 점을 보여줍니다. 예를 들어 네안데르탈인 화석에서 추출한 DNA는 박테리아와 쉽게 구분되기 때문에 문제가 없지만, 단백질의 경우 세균에 의한 것일 가능성을 배제하기 어렵습니다. 더구나 화석이 이빨처럼 단단하고 쉽게 균열이 일어나지 않는 것이 아니라 연조직이 대체된 화석이거나 균열이 있다면 오래 전 과거나 현재에 미생물에 오염될 가능성은 얼마든지 존재합니다. 


 아무튼 과학은 의심의 학문이기 때문에 연구자들은 의심할 수 없는 분명한 결과를 제시하기 위해 노력할 수밖에 없습니다. 그런 과정을 통해 과학이 발전하는 것이겠죠. 


 참고 





2019년 6월 21일 금요일

무독성 친환경 연료를 테스트하는 나사


(Ball Aerospace engineers perform final checks before the spacecraft shipped to NASA’s Kennedy Space Center in Florida. GPIM is one of four unique NASA technology missions aboard the June 2019 SpaceX Falcon Heavy launch of the U.S. Air Force Space and Missile Systems Center’s Space Test Program-2 (STP-2). Credits: Ball Aerospace)


 나사가 독성이 없고 효율이 좋은 친환경 로켓 연료를 실제 우주에서 테스트할 계획입니다. 올해 6월 스페이스 X의 팔콘 헤비 로켓에 의해 발사되는 미공군 및 미사일 시스템 센터(U.S. Air Force Space and Missile Systems Center)의 위성에 탑재되는 하이드록시기 질산암모늄 (hydroxyl ammonium nitrate)은 로켓 연료로 오랜 세월 사용되었던 하이드라진 (hydrazine)과 비교해 독성도 없고 효율도 50%나 높은 차세대 친환경 연료입니다. 나사의 Green Propellant Infusion Mission (GPIM) 임무를 통해 앞으로 그 효율성과 안전성을 테스트하게 될 것입니다. 


 무독성 친환경 연료의 장점은 유인 임무에서 더 두드러지게 나타날 것입니다. 사진에서 보듯이 하이드록시기 질산암모늄은 특수 방호복 없이 주입이 가능하며 (물론 인공 위성 조립은 클린룸에서 해야 하기 때문에 장갑 및 마스크, 작업복은 필수) 유출시에도 인체에 해롭지 않기 때문에 유인 우주선에서도 안심할 수 있습니다. 


 참고로 액체 수소나 산소의 경우 극저온 상태에서 단기간 로켓 연료로 사용하기 때문에 지상에서 발사하는 로켓에서 주로 사용할 수 있으며 인공위성이나 유인 우주선의 경우 낮은 압력에서도 보존이 가능한 하이드라진 같은 액체 연료를 사용해 왔습니다. 


 GPIM 임무가 성공하면 이후 하이드록시기 질산암모늄의 역할은 매우 커질 것으로 예상합니다. 무독성인 것은 물론이고 효율이 50% 정도 더 좋아 연료를 적게 싣거나 혹은 같은 연료로 더 먼 거리까지 갈 수 있기 때문입니다. 특히 현재 진행 중인 유인 달 탐사 임무에서 빠르게 채택되어 사용될 가능성이 있어 보입니다. 


 참고