“To Infinity… and Beyond!”

지금으로부터 50년 전인 1972년 12월 11일, 유진 서넌, 로널드 에반스, 해리슨 슈미트 세 사람을 태운 아폴로 17호가 발사되어 약 22시간의 달 선외 활동을 마치고 귀환했다. 인류가 달에 발을 내디딘 마지막 순간이었다.

2022년은 바야흐로 다시 우주 탐사의 시대다. 올해 예정된 달 탐사 일정만 하더라도 미국의 아르테미스 1호(Artemis I) 발사, 인도의 찬드라얀 3호(Chandrayan-3) 발사, 일본의 SLIM 미션, 러시아의 Luna 25 발사, 한국형 달 궤도선 (KPLO) 발사 등이 있다. 특히 지난 17일 발사대로 이동하는 모습을 온라인 생중계했던 아르테미스 1호의 경우 50여 년 만의 유인 달 탐사를 계획하고 있는 아르테미스 미션의 첫 번째 시험 비행으로 많은 주목을 받고 있다. NASA는 달 궤도를 도는 무인 우주 비행선인 아르테미스 1호를 통해 달 및 화성의 유인 탐사를 위해 개발한 로켓인 우주발사시스템(SLS)과 로켓에 탑재되어있는 유인 캡슐 오리온을 처음으로 선보인다. 다음으로는 유인 달 궤도선인 아르테미스 2호의 발사가 예정되어있으며, 마지막으로 유인 달 착륙선인 아르테미스 3호가 계획되어있다. 이를 통해 달에 착륙하는 최초의 여성 우주비행사와 유색인종 우주비행사가 탄생할 예정이다.

달 탐사에만 국한된 것이 아니다. 인류의 우주 탐사는 점점 더 넓게 뻗어 나가고 있다. 유인 화성 탐사 계획이 다수 국가에서 본격적으로 진행되고 있다. NASA의 아르테미스 미션 역시, 달로 돌아가 화성까지 향하겠다는 원대한 계획의 일부다. 이처럼 유인 우주 탐사 영역이 넓어질수록 우주비행사가 우주에 머무는 시간이 길어지는 것은 필연적이다. 아폴로 미션 당시 인류가 달까지 왕복하는 데 10일 남짓을 소요했다면, 화성까지의 왕복에는 3년 정도가 소요될 예정이다. 따라서 우주 환경이 인간의 신체에 미치는 영향을 밝히는 연구가 더욱 중요해지고 있다.

우주비행사의 건강에 영향을 미칠 수 있는 주요 우주 환경 요인으로 미세중력 상태가 있다. 미세중력 상태에서는 뼈에서 미네랄이 점차 빠져나가며, 근육이 위축되어 뼈와 근육의 약화가 일어난다. 국제우주정거장에 머무는 우주비행사의 경우, 한 달에 1%가 넘는 속도로 골밀도가 감소한다. 이 과정에서 뼈에서 나온 칼슘이 오줌을 통해 배출되며 신장 결석을 비롯한 신장 질환을 발생시킬 가능성도 커진다. 또한, 미세중력 환경은 혈액 순환 등 체내의 유체 흐름 및 압력에도 영향을 미친다. 하체로 흐르는 혈액이 중력의 도움을 받는 지구와는 달리, 우주에서는 하반신 방향으로 혈액을 보내기 위해 심장이 더 빠르게 박동해야 한다. 이 과정에서 체내 유체의 압력이 높아지게 되는데, 이러한 유체 과다는 시각 장애와 뇌 손상을 유발할 수 있다. 실제로 영구적인 시력 손상은 우주 비행에 관련된 건강 문제 중 가장 심각한 위험으로 손꼽힌다. 국제우주정거장의 설립 이후, 미세 운동 능력 연구, 안구 내 유체 이동 연구 등 미세중력이 인간에게 미치는 영향이 계속해서 연구되고 있지만, 대다수가 모니터링 수준에 머무르고 있다. 아직은 계획 단계에 머무르고 있지만 인공 중력을 도입하는 방법도 대안으로 제시되고 있다. 지난 2017년 일본은 다중인공중력연구시스템(MARS)을 국제우주정거장에 도입해 인공중력 환경이 쥐의 근육량과 골밀도에 미치는 영향을 확인했다. 35일간 우주에서 머무르고 귀환한 쥐 중 1G의 인공중력 환경 내 머무른 집단은 같은 기간 동안 지구에 머물렀던 통제 집단의 쥐와 비교했을 때 유사한 수준의 근육 무게와 골밀도를 유지했다.

지구에서는 대기와 자기장의 영향으로 UVB, UVC 등 고에너지 태양방사선과 이보다도 에너지가 높은 우주방사선이 대부분 차단되지만, 우주에서는 우주비행사가 다량의 방사선에 노출된다는 것도 큰 문제다. 인류의 우주 탐사 계획이 점점 더 먼 곳으로, 더 오랜 기간을 계획하며 뻗어 나가는 만큼 방사선이 건강에 미치는 영향과 차폐 방법도 다방면으로 연구되고 있다. 우주의 낮은 압력과 극한의 온도 환경 등으로부터 비행사의 안전과 건강을 보호하기 위한 우주복 및 시설의 개발 역시 중요하다. 좁고 제한된 공간에서 오랜 시간을 머물러야 하는 비행사들의 심리적인 문제와 우주에서 건강과 관련된 응급 상황 발생 시 수술 등 처치 시스템도 장기 우주 탐사 계획 설립에서 주요하게 고려되어야 한다.

이처럼 장기 우주 비행에서 우주비행사의 건강과 안전을 보장하기 위해서는 우주 비행 중 발생하는 생리적, 심리적 변화를 이해하는 것이 필수적이다. 특히 여성 우주비행사의 수가 증가함에 따라, 우주 환경 내 여성의 신체 변화에 관한 연구도 활발히 이루어지고 있다. 1963년 러시아의 발렌티나 테레시코바로부터 여성 우주비행사의 역사가 시작된 이래 우주로 향한 여성은 총 75명이다. 지난해 11월 우주 비행을 한 우주비행사가 600명을 넘어섰다는 점을 고려하면 여성 우주비행사는 전체의 15%도 채 되지 않는다. 2020년 여성 우주비행사 크리스티나 코흐가 328일간 국제우주정거장에서 체류하며 여성의 몸에 우주 장기 체류가 미치는 영향을 확인하고, 우주에서의 식습관과 수분 섭취 등이 신장에 미치는 영향을 연구하는 등 여성 우주비행사의 건강 연구가 이루어지고 있으나, 여전히 사례가 부족하다.

NASA는 2002년 『성, 우주, 환경 적응』이라는 워크숍을 통해 우주 환경에서 발생하는 인간 반응의 성차를 검토하고 추후 연구를 위한 권장 사항을 제안했다. 또한, 지난 2011년 미국 국립 과학 아카데미(NAS)는 『미래 우주 탐사를 위한 과학』이라는 이름의 보고서를 통해 우주에서 성별과 젠더에 따라 발생하는 차이를 이해할 필요가 있다고 강조한 바 있다. 이러한 NAS의 권고에 따라 2013년 NASA는 국립 우주 생물 의학연구소(NSBRI)와 함께 우주 환경에서 여성의 건강에 대해 연구했다. 해당 연구는 우주 비행에서 ▲심혈관계 ▲면역계 ▲감각운동 ▲근골격계 ▲생식 ▲행동 및 적응 총 여섯 영역에 대한 성차를 조사했다. 보고서에 명시된 주요 성차로는 여성 우주비행사가 비행 직후 높은 빈도로 기립성 불내성 증세를 나타낸다는 점이 있다. 한편, 두개내압 증가에 따른 시각 장애는 남성 우주비행사에서 높은 빈도로 관찰되며, 여성 우주비행사에게서는 상대적으로 가벼운 시각 장애 증상만이 관찰되었다. 보고서에서는 신경 행동 및 수면 측정 결과에서는 성별에 따른 차이가 나타나지 않았다고 밝혔다. 그러나 조사 당시인 2013년 6월 기준 총 534명의 우주비행사 중 여성은 단 57명으로 전체의 10% 남짓밖에 되지 않아, 성차에 대한 분석을 위한 표본이 부족하다는 점이 한계로 지적되었다.

방사선 노출에 의한 영향 역시 성별에 따라 차이가 있는 것으로 알려져 있다. 여성의 경우 방사선에 의해 유방암, 난소암, 자궁암의 발병 확률이 높아진다. NASA의 경우 성별 및 연령에 따라 우주비행사에 적용되는 방사선 피폭선량의 한도가 다르다. 30세 여성은 재직기간 내 180mSv, 60세 남성은 재직기간 내 700mSv가 현행 방사능 피폭 한도다. 지난해 6월 미국 국립 과학·공학·의학 아카데미(NASEM)는 NASA의 모든 우주비행사에게 동일한 피폭선량 한도인 600mSv를 적용할 것을 권고하는 보고서를 발표했다. 이 수치는 35세 여성에게 허용되는 최대 방사선량을 기준 삼은 것으로 유럽, 캐나다 등 많은 국가에서 적용하는 피폭선량 한도인 1000mSv보다는 여전히 낮은 값이다. NASA는 이를 통해 성별과 연령에 관계없이 모든 우주비행사들에게 추후 계획된 우주 탐사 미션에서 동등한 참여 기회를 제공하고자 한다.

최근에는 장기적 우주 비행에 여성 우주비행사가 더 유리하다는 시각도 등장했다. 2020년 3월 NASA의 짐 브라이든스틴 국장은 화성에 처음 도착할 인류가 여성일 수 있다고 언급했다. 여성의 평균 체중이 남성보다 적다는 것, 체중을 유지하는 데 필요한 칼로리 역시 남성의 80% 수준이라는 것이 첫 번째 장점이다. 우주 탐사에 있어 로켓 및 운반체의 무게 감량은 탐사에 필요한 연료량 및 예산과 직결되는 문제이기 때문이다. 또한, NASA는 2014년에 진행한 연구를 통해 통신 시 시간 지연 상황에서 여성이 의사소통 및 심리적 안정성 측면에서 효과적인 모습을 보인다고 밝힌 바 있다. 국제우주정거장에서 오랜 시간을 보낸 비행사의 일기장을 바탕으로 여성 우주비행사가 남성 우주비행사보다 부정적인 기분을 덜 느낀다고 분석한 결과도 있다. 우주방사선 모사 실험을 통해 우주방사선이 쥐의 뇌세포에 미치는 영향을 분석한 결과, 수컷 쥐에서는 불안 증가, 기억 장애, 사회적 상호작용 능력 감소 등 뇌 손상이 관찰되었으나 암컷 쥐는 이러한 현상이 관찰되지 않았다는 연구 결과도 이러한 주장에 근거로 제시되었다.

올 상반기 중 발사 예정인 아르테미스 1호는 세 명의 승객과 함께할 예정이다. 첫 번째 승객은 무네킹(Moonikin)이라고도 불리는 남성형 마네킹이다. 캄포스라는 이름이 붙은 무네킹은 실제 우주비행사와 동일한 우주복을 입고 사령관 자리에 앉는다. 이미 케네디 우주 센터에서 진동 테스트를 수행한 이 무네킹은 로켓의 발사와 귀환에 이르는 전 과정에서 가속도 및 진동 데이터를 기록한다. 다른 두 승객은 팬텀(phantom)이라 불리는 동일한 2개의 여성 몸통 모형이다. 헬가와 조하르라는 이름을 가진 이 두 모형은 MARE(Matroshka AstroRad Radiation Experiment)의 일환으로 달 궤도 탐사 임무를 수행하는 동안 우주비행사가 겪는 방사선 노출에 대한 데이터를 수집할 예정이다. 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 이용해 뼈, 폐, 연조직 등의 신체 조직이 실제와 유사한 밀도로 모사되어있는 팬텀에는 5,600개 이상의 센서가 달려있어 플라스틱 본체에 흡수되는 방사선의 총량을 측정할 수 있다. 난소와 골반을 포함한 상체 영역을 덮는 방사선 차폐 조끼를 입은 조하르와 조끼를 착용하지 않은 헬가로부터 우주 방사선의 양을 측정해 방사선 차폐 조끼인 AstroRad의 적합성과 기능을 평가하는 것이 목적이다. NASA는 이 세 인체 모형으로부터 얻은 데이터를 바탕으로 유인 비행이 예정된 아르테미스 2호와 3호의 우주비행사를 보호하고자 한다. 인류보다 먼저 다시 한번 달에 가까워질 세 승객이 우주를 여행하고자 하는 사람들을 위한 선물 같은 데이터와 함께 무사히 귀환하기를 기원한다.

 

*그림 설명: ▲우주 환경이 여성과 남성 우주비행사의 건강에 미치는 영향

Ⓒ The impact of sex and gender on adaptation to space: executive summary (https://www.liebertpub.com/doi/full/10.1089/jwh.2014.4914)

 

참고 문헌

https://www.nasa.gov/

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Mark, Saralyn, et al. "The impact of sex and gender on adaptation to space: executive summary." Journal of women's health 23.11 (2014): 941-947.

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Cavallaro, Umberto. Women Spacefarers: Sixty Different Paths to Space. Springer, 2017.

New NASA radiation rules could open up space missions to more women, June 30. 2021, MIT Technology Review

We Should Send Women on a Mars Mission, March 11. 2020, SCIENTIFIC AMERICAN