5인 5색 고등학생들, 화성탐사로봇을 만들다! – Sciencetimes - Science Times

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대구일과학고등학교 1학년 학생들이 모인 ‘샤페론 팀’의 화성탐사로봇. 2022 청소년 과학페어에서 우수성을 인정받아 고등부문 대상을 수상했다. ©대구일과학고등학교 샤페론 팀 제공

올 9월에 열린 2022 청소년 과학페어가 과학기술정보통신부 주최 한국과학창의재단 주관으로 성황리에 마무리됐다. 특히 ‘사이언스레벨업’ 경연 본선에서는 전국 중고등학생 100여 명이 3개월이 넘는 기간 동안 행성의 지질과 대기환경을 탐구하며 직접 제작한 행성탐사로봇을 선보였다.

사이언스레벨업 경연 고등 부문에서는 대구일과학고등학교 ‘샤페론’ 팀의 프로젝트, ‘POSSIBILITY : 화성의 가능성을 보다’가 대상(장관상)을 수상했다. 사이언스타임즈에서는 줌(zoom)을 통해 샤페론 팀 학생들을 화상으로 인터뷰했다.

(왼쪽) 사이언스레벨업 경연에서 대상을 수상한 대구일과고 샤페론 팀이 2022 청소년 과학페어에서 전시한 포스터와 (오른쪽) 직접 제작한 탐사 로봇의 실제 모습. ©한국과학창의재단 제공

샤페론 팀을 소개합니다!

샤페론(Chaperone)은 체내에서 새롭게 생성된 폴리펩타이드를 접어 적절한 기능을 하도록 하는 단백질이다. 학생들은 미성숙한 폴리펩타이드가 특정 기능을 수행하는 단백질로 성숙하듯, 사이언스레벨업을 통해 꿈을 이뤄나가고자 하는 염원을 담아 팀 명을 지었다고 소개했다.

샤페론 팀은 천문학을 좋아하는 강규준 학생과 항공우주 계열을 지망하는 김민재 학생, 자동차 엔지니어가 꿈인 김진송 학생, 유기화학과 반응공학에 관심이 많은 이형석 학생과 화학자가 꿈인 박준혁 학생까지 각기 관심분야가 다른 5명이 모인 팀이다. 다양한 관심분야를 가진 학생들이 내는 샤페론 팀의 시너지를 인터뷰를 통해 다시 한번 확인할 수 있었다.

샤페론 팀의 프로젝트는 화성 테라포밍에 있어 인류 거주 후보지로 화성의 용암동굴 탐사에 초점을 맞춘 것과, 화성 대기 주성분인 이산화탄소로 메테인을 합성해 내 미래 로켓 추진체 연료를 확보한 점이 두드러졌다.

Q1. 팀 활동은 어떻게 진행됐나요?

– 로봇 제작부터 탐사장비, 연료합성까지 설계!

프로젝트는 크게 1) 로봇을 모델링하고 2) 실제로 구동 및 구현, 이어 3) 촉매를 제작·검증해 4) 메테인을 합성하고, 5) 탐사 장비를 고안·개발하는 과정으로 이뤄졌다.

김진송 군 – 친구들끼리 마음이 맞아 사이언스레벨업에 참가하게 됐고, ‘화성동굴을 탐사하는 로봇을 만들자!’는 마스터플랜을 먼저 세웠습니다. 화성에서 연료 공급을 위해 메테인을 합성하자는 것 역시 초기 단계부터 구상했어요.

이형석 군 – 제일 먼저 한 것은 3D 툴을 이용한 로봇 모델링이었어요. 다음으로는 모델링한 자료를 바탕으로 프레임을 설계했고, 제작한 프레임에 모터 등을 붙이며 로봇 자체를 완성했습니다. 그리고 나서 메테인의 합성과 설계를 진행한 후, 전파 대신 레이저를 이용한 레이더인 ‘라이다(LiDAR, Light Detection And Ranging)’ 등 탐사장비를 고안했습니다.

샤페론 팀 학생들의 화성동굴 탐사 로봇 아이디어 스케치 ©대구일과학고등학교 사페론 팀 제공

Q2. 화성에서 어떤 가능성(POSSIBILITY)를 보았나요?

– 화성용암동굴 인류 거주지 가능성 높아…‘맞춤’ 탐사장비까지

사이언스레벨업 경연에 참가한 학생들에게 주어진 과제는 태양계 행성 중 하나를 택해 행성탐사로봇을 구현하는 것이었다. 프로젝트명을 ‘POSSIBILITY : 화성의 가능성을 보다’로 정하고 화성탐사로봇을 만든 학생들은 화성에서 어떤 가능성을 봤을까?

용암동굴(모하비사막)의 모습. 화성의 용암동굴은 미래 인류 거주지로 주목받고 있다. © D.R.COOKE

김민재 군 – 화성은 생명가능지대 끝자락에 걸쳐있고 과거 물의 흔적 등이 발견돼 많은 탐사선들이 조사 중에 있습니다. 기존에 다양한 로버들이 탐사를 한 만큼, 화성 탐사 로버를 구상하고 설계하는 데 수월하다는 장점도 있어 택했습니다.

또 화성의 용암동굴은 자기장이 없는 화성에 유입되는 우주방사선을 차단할 수 있는데요. 인류의 화성 이주 계획에 중요한 거주 후보지라는 점에서 탐사 가치와 가능성을 봤습니다.

김진송 군 – 우주탐사는 막대한 자본이 필요한 만큼, 순수한 과학적 연구 목적 외에 경제적·상업적 가치도 고려되는데요. 지구와 거리가 가까우면서도 가장 비슷한 환경을 가진 화성 개척의 가능성을 보고, 그 개척의 초석으로 화성동굴탐사와 메테인 합성 실험을 결정했습니다.

샤페론 팀의 탐사로봇에 활용된 라이다 SLAM을 나타낸 이미지. 레이저를 통해 주변 환경을 감지하고 지도화한다. ©Velodyne Lidar, Inc.2022

이형석 군 – 기체형 행성보다는 고체행성이 탐사하기에 용이하다는 점도 고려했어요. 저희 팀 탐사로봇에 탑재된 라이다(LiDAR SLAM)도 어두워서 카메라로 주변 환경을 파악하기 어려운 화성의 용암동굴탐사에 맞춰 기획하고 설계했습니다.

Q3. 탐사에 그치지 않고 더 나아가 연료로 유용한 ‘메테인’ 합성까지 고안했는데요!

– 실제 우주정거장에서 쓰인 방법에 착안, 전지 발열까지 알뜰히 활용?

김진송 군 – 예전에 내셔널지오그래픽에서 본 다큐멘터리에서, 화성 개척에 있어 에너지 공급이 가장 우선해야 할 일이라는 내용을 봤는데요. 에너지 공급에 대해 생각하다 보니 ‘사바티에(Sabatier) 반응’으로 메테인을 합성하는 방법이 우주정거장에서도 많이 쓰이는 것을 알게 됐어요. 연료합성을 통해 화성 개척의 가능성을 시험해보고 싶어 합성 장치를 구상했고, 1900년대 후반에서 2000년대 초반까지 실제로 ISS 국제우주정거장에 쓰인 장치의 형태를 본떠 고안했습니다.

샤페론 팀 학생들이 직접 설계·제작한 메테인 합성 장치 ©대구일과학고등학교 사페론 팀 제공

강규준 군 – 메테인 합성에는 많은 열이 필요한데요. 로버에 사용한 원자력 전지(RTG 전지)에서 방출되는 열을 메테인 합성장치가 있는 연구 모듈로 방출시켜, 필요한 열을 공급할 수 있도록 고안했습니다. 로버에서도 메테인 모듈과 전지를 가까운 위치에 배치했어요.

Q4. 프로젝트를 진행하며 인상 깊은 순간은?

– 실패에서 발휘한 기지, 상상을 현실로 만든 순간들

김민재 군 – 저희가 처음 구상한 것은 블루투스 모듈을 이용해 스마트폰으로 로버를 조작하는 것이었는데, 기초적 실수로 발생한 기기 오류가 대회 전날 저녁까지 해결되지 않았습니다. 다른 방법을 모색하던 중, 최근 노트북 기종에는 와이파이를 통해 주변 태블릿에 무선으로 화면을 미러링하는 기능이 탑재되어있다는 것이 떠올랐습니다.

그렇게 노트북을 로버 안에 넣고 유선으로 연결해 블루투스 키보드로 로버를 조작했습니다! 기존 취지와는 달라졌지만, 로버의 정상작동은 물론 라이다 데이터도 더 빠르게 받을 수 있었습니다. 이 순간이 가장 기억에 남습니다.

샤페론 팀 학생들이 탐사로봇 구동을 위한 실험을 하는 모습 ©대구일과학고등학교 샤페론 팀 제공

김진송 군 – 로봇을 제작하는 과정에서 콘셉트 디자인, 3D 모델링, 프레임 설계, 제작까지 모든 과정을 직접 수행한 것이 가장 인상 깊고 의미 있었습니다. 특히 맨 처음 제가 스케치한 디자인 도안과 최종적으로 만들어진 로봇을 보니, 제 상상이 현실로 구현된 것이 굉장히 뿌듯했어요.

이형석 군 – 메테인 합성에 반응장치 연구가 없어 많은 시행착오를 겪었습니다. 그러던 와중 권위 있는 권위 있는 화학자인 Mcmurry 교수님께 자문을 구하려고 이메일을 드렸는데요. 교수님은 무척 바쁘시기에 솔직히 한국에 있는 누군지도 모를 학생 하나에게 답장을 주실 줄 몰랐어요. 답장이 왔을 때 팀 모두가 몹시 흥분했었던 순간이 인상 깊습니다.

Q5. 프로젝트를 진행하며 어떤 어려움이 있었나요?

– 직접 부딪치는 시행착오 과정

학생들은 본선에 진출함과 동시에 메테인 합성장치의 실제 구현을 위해 논문을 수십 편씩 읽으며 프로젝트에 매진했다. 특히 논문에는 합성의 결과는 나와 있어도 합성 장치 관련 내용이 없었기에, 직접 하나하나 공부하고 철물점에서 부품을 사서 조립하는 등 많은 시행착오를 겪었다고 말했다.

(그림 8) 학생들은 늦은 시간까지 프로젝트에 매진한 밤 교실의 모습 ©대구일과학고등학교 샤페론 팀 제공

김민재 군 – 메테인 합성 반응을 위해 촉매를 주문했는데, 한 달이 지나도록 오지 않아 직접 만들게 됐는데요. 만드는 과정에만 6시간 정도 걸렸고, 아침 8시부터 밤까지 촉매에 매달리기도 했습니다.

박준혁 군 – 또 라이다 센서가 어두운 환경에서 잘 작동을 하는지 확인하려 늦게까지 남아있기도 했는데요. 로봇을 만드는 2주 정도의 기간 동안 계속 밤 9시까지 짬짬이 만나 이야기하며 프로젝트를 완성해나갔습니다. 그리고 코딩에 어려움을 겪어 로봇의 구동 부분에 아쉬움이 남습니다.

강규준 군 – 2학기 중간고사 시험기간이었어서 시간을 내어 로봇을 만드는 게 더 힘들었던 것 같습니다. 지금 생각하면 좋은 경험이었어요!

누군가가 힘들거나 어려웠던 순간을 이야기하면, 다른 학생들이 함께 고개를 푹 숙이거나 적극적으로 호응을 해왔다. 팀원 모두가 어려운 순간을 온전히 함께했다는 것과, 학생들이 정성과 시간, 노력을 모두 쏟으며 온 마음으로 프로젝트에 임했음이 느껴졌다.

Q6. 마지막으로 앞으로의 목표와 소감을 말한다면?

– 학생들이 이루는 정오각형의 시너지, 사이언스 ‘레벨 업’ 성장

강규준 군 – 무선으로 작동하는 로봇을 설계한 경험이 앞으로 큰 자산이 될 것 같습니다. 무엇보다도, 이번 대회를 통해 그동안 꿈꿔왔던 것을 실현시켜 얻은 성취감과 자신감은 어디에서도 느낄 수 없을 것 같습니다.

궁금한 것을 ‘답습’을 넘어 직접 ‘탐구’하는, 학문으로서 과학연구를 하고 싶습니다. 또 무한한 가능성을 가진 이들에게 천문학이라는 학문을 쉽고 재미있게 설명하는 일도 하고 싶습니다.

김민재 군 – 프로젝트를 통해 더 넓은 세상을 봤습니다. 이전까지 항공우주공학과 화학은 다소 거리가 있는 분야라고 생각했는데, 이번 프로젝트를 통해 항공우주분야가 다양한 분야와 융합이 일어날 수 있는 분야라는 것을 깨달았습니다. 또 직접 재료를 구하러 철물점에 가고, 실험 장치를 구성하고, 로버를 조립하고, 문제가 발생하기도 하고, 문제를 다각도에서 분석하고 해결하는 과정을 통해 스스로 성장하는 것을 느낄 수 있었습니다.

앞으로도 ‘사이언스레벨업’같은 융합과학 대회가 있다면 더 참가해서 성장하고 싶고, 주변 친구들이나 나중에 입학할 후배들에게도 추천하고 싶습니다.

김진송 군 – 여러 친구들이 하나의 주제의 프로젝트를 진행하며, 각자의 위치에서 서로의 장점을 살려 작품을 채워나가는 팀 활동을 통해 많은 것을 배울 수 있었습니다. 앞으로 진행할 수많은 팀 프로젝트에서 이번 사이언스레벨업에 참가한 경험이 큰 도움이 될 것 같습니다.

장래희망은 자동차 엔지니어이자 자동차 디자이너인데요. 목표를 이루기 위해 다방면에 능통한 사람이 되도록 노력하며 조금씩 나아가겠습니다. 팀이 노력한 결과물에 대상이라는 큰 상을 받아 감사하고, 받은 상에 걸맞은 사람이 되도록 노력하겠습니다!

박준혁 군 – 4개월 정도의 긴 시간을 하나의 프로젝트에 매진한 경험은 처음이었습니다. 많은 시련이 있었고 힘들기도 했지만, 결국 하나의 큰 프로젝트를 완성하고 유의미한 결과를 도출한 경험이 앞으로 학문을 배우고 연구를 하는 데에 발판이 될 것 같습니다. 사이언스레벨업에 참여해 스스로 많이 성장했다는 것을 느낄 수 있었습니다.

화학자가 되어 환경과 관련한 연구를 하는 것과, 함께 프로젝트를 진행했던 샤페론 친구들과 앞으로 같이 잘 지내는 것이 목표입니다!

이형석 군 – 대회를 통해 사바티에 반응과 촉매 연구, 반응장치 연구에 더욱 관심을 갖게 됐고, 실제로 대회가 끝난 후에도 추가적인 연구를 진행하고 있습니다. 친구들과 연구실에서 밤늦게까지 실험하는 것은 몸이 힘들지라도 무척 즐거웠습니다.

팀원 하나하나가 자신이 맡은 부분에서 최선을 다해줬기에 멋진 정오각형을 만들 수 있었습니다. 무엇보다도 사이언스레벨업 경험 덕에 저의 ‘사이언스’가 한 단계 ‘레벨 업’할 수 있어 매우 기쁩니다!

샤페론 팀을 지도한 황정근 교사는 “학생들에게 많은 부분을 배울 수 있는 기회였다”며 “학생들의 주 관심분야가 제각각 달라, 다양한 영역에 걸쳐 서로 정보를 공유하는 모습이 많이 보였다”고 말했다. 그러면서 다음과 같이 소감을 표했다.

황정근 교사 – 처음부터 끝까지 선생님의 도움을 최소화하고 본인들의 노력만으로 프로젝트를 완성시키려는 모습이 돋보였습니다. 쉽지 않은 프로젝트를 자율적으로 진행하고 어려움을 해결해나가는 모습에 큰 감명을 받았고, 실패해도 늦은 시간까지 연구를 진행하며 끝까지 포기하지 않는 모습이 매우 대견스러웠습니다.

※ 청소년 과학페어는 과학기술진흥기금 및 복권기금의 재원으로 운영되며, 청소년들의 과학적 탐구력 향상과 흥미 제고를 목적으로 우리나라의 과학기술 발전과 사회적 가치 증진에 기여하고 있습니다.

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