지구 밑바닥 어딘가의 저 깊은 해저에 지그재그로 갈라진 중앙해령의 꼭대기에서는 거의 매일 화산 폭발이 일어나 시뻘건 용암을 쏟아내고 지각을 변동시키고 새로 만들고 있다. 그러나 과학자들은 이런 격심한 지각활동에 대해 거의 모르고 있다. 바다 밑바닥에서 뭔가 일어나고 있음을 알아채고 해저에 있는 탐사용 기계들을 움직이면 이미 대부분의 중요한 순간은 다 지나가버린 후이기 때문이다. 동력을 전달하는 케이블에 매여 해저에 잠수된 센서들은 불완전한 데이터들만을 포착할 수 있다. 그러나 최근 새로이 각광 받고 있는 자동무인잠수정(AUV) 덕택으로 이와 같은 지식의 구멍을 메울 수 있을 것으로 기대된다.

이런 상황을 가정해 보자. 해저에 부착된 지진 센서가 화산 활동을 감지한다. 이 센서는 곧 바로 경보를 보내고 반경 3km 이내의 돌풍 지점을 삼각측정한다. 그리고 나서 근처에 있던 AUV에게 신호를 보내면 즉시 온도가 조금 높아졌거나 탁해진 해수를 탐색하면서 화산지점을 찾기 시작한다. 그 다음 그 근원지를 따라 간다. 거기에 도착한 즉시 잠수정은 매초마다 화산폭발로 인해 변화되는 데이터를 생성하기 위해 해수 샘플을 수집하기 시작한다.

또한 이 로봇은 잠수된 다른 잠수정에 정보를 알려 해저 바닥의 사진을 찍도록 해서 재형성되고 있는 지각의 모습을 포착한다. 캘리포니아 모스 랜딩에 소재한 몬테레이만 해양 연구소 소장 짐 벨링햄(Jim Bellingham)은 이런 방법으로 해저의 화산폭발을 실시간으로 관찰한다는 것은 “실로 엄청나게 흥미로운 것이 될 것”이라며 기쁨을 감추지 못한다.

바다는 해저 화산에서부터 미래의 지구 기후변화, 더 나아가 생명의 최초 기원에 이르기까지 매우 많은 의문에 대한 해답을 간직하고 있다. 그러나 현재 인간 기술력의 한계로 상당 부분 베일에 가려있는 것이 사실이다. 바다 속에서 빛이 투과할 수 있는 거리는 겨우 몇 미터에 불과하며, 전파는 혼선되거나 수신되지 않고, 수중 탐지기는 수심이나 물체, 해저 생물체 등에 관해 개략적인 정보만을 제공할 뿐이다.

과학자들 입장에서 보면 운이 좋으면 탐사하고자 하는 현상을 볼까 하는 희망으로 수면에서 발을 동동거리고 있는 형국이다. AUV의 선구자인 벨링햄은 “우리는 역동적인 대양 활동을 연구하기 위해 갑판에 나가 있긴 하지만 정말 제대로 된 장소에서 시간을 잘 맞춘 것인지도 확신하지 못하고 있습니다. 이러한 판국에 만약 언제 어디서든 중요한 일이 일어날 때를 대비해 준비를 갖추고 있는 도구들이 있다면 얼마나 좋겠습니까” 라고 말했다.

AUV에 대한 관심은 비단 과학계의 괴짜들만 가진 게 아니다. 미군은 그러한 무인 선박이 연안과 심해의 전투에서 일정 역할을 할 수 있을 것으로 인식하고 있다. 국방성은 만타(Manta)라는 이름의 전투용 AUV 개념을 개발 중이다. 이 잠수정은 전투에 투입되면 선체에 더 작은 AUV 군단을 싣고 이송하는 것이 그 목적. 또한 해군 연구자들은 기뢰밭을 제거하고 적진에서 감시 역할을 수행해 낼 자동 잠수정을 개발하기 위한 노력을 기울이고 있다.

최초의 AUV는 십여 년 전에 이미 잠수 되었다. 메사추세츠의 우드홀 해양학 연구소에서 개발한 해저 잠수정인 자율해저탐사로봇(ABE)은 지구물리학 현상을 조사하기 위한 전문 로봇이었으며, 노르웨이의 콘스베르그-심라드가 건조한 어뢰 모양의 허그인 3000(Hugin 3000)은 주로 3km 수심에 설치된 유전장비와 파이프라인, 대양 횡단 케이블을 모니터하는 역할을 했다. 그러나 해양학자들은 최초의 해저 관측소를 건설한다는 야심찬 계획에 착수했다. 이 해저 관측소는 계선 센서와 부표 등의 장비를 갖춘 해저 표면의 영구 무인 감시소로, 여기에서 차세대 AUV는 주로 해저를 돌아다니며 모니터링하고 실시간 데이터를 해안으로 전송해주는 중요한 역할을 맡게 될 것으로 기대된다.



망원경의 발명으로 천문학자들이 밤하늘을 관찰할 수 있었던 것처럼 이 해저 관측소는 해양연구에 있어 많은 것들을 가능하게 할 것이다.(대대적인 해저 관측소의 최초 현장시험은 2005년 경 이루어질 예정) 미 과학재단 해양 테크놀로지 부문 프로그램 이사인 알렉산드라 아이선(Alexandra Isern)은 “관측소와 연결된 AUV들은 그동안 발조차 딛지 못했던 곳에 365일 주둔하게 될 것” 이라며 “이제 이 AUV들이 심해의 숨겨져 있던 활동과정의 대부분을 지속적으로 모니터해서 제공할 것입니다.

위성 통신이 이미 지상에서 했듯이 말입니다” 라고 밝혔다. 관측소의 해저 도킹 스테이션은 AUV들이 몇 달 동안 동시에 밖에 머무를 수 있게 해준다. 이는 주유소와 같은 역할을 하는 곳으로, AUV들의 배터리를 충전하고, 수집해온 데이터를 모두 쌓아두고 다음 임무를 기다리는 장소다.

해저 관측소는 해양에 관한 모든 것을 볼 수 있게 해줄 것이다. 이것은 바다의 복잡한 물리적, 생물학적 연결고리들을 풀 수 있도록 할 것이다. 이것은 매우 시급한 문제이다. 현재 지구의 기후가 어떻게 형성됐는지를 풀수 있는 열쇠는 바다에 있기 때문이다. 벨링햄은 “ 바다에 관한 이해가 없이는 지구의 미래에 관해 어떤 예견도 할 수가 없다” 라고 주장했다.

벨링햄의 사무실은 어선들의 돛 때문에 가려져 잘 보이지 않는 청회색 틀의 구조물들이 얼기설기 자리하고 있는 지역에 있다. 이곳에서는 전세계에서 단연 으뜸가는 천연 해양학 실험실인 몬테레이만의 장관이 한눈에 들어온다. 여기에는 비교적 얕은 대륙붕들이 그랜드 캐년보다 더 깊은 협곡을 사이에 두고 있다.

대륙붕은 뭍으로부터 수 킬로미터 되는 지점에서 급경사를 이루면서 패여 있어, 그 심해의 표면에서 차가운 샘물들이 위로 치솟는다. 이 샘물들은 먹이사슬의 맨 밑바닥에 위치한 생명체들에게 영양분이 풍부한 양식처를 제공하고 있다. 이곳을 한 시간 가량 관찰하다 보면 지구 온 지역의 바다에서 일어나는 거의 모든 일들을 다 구경할 수 있다.

41세의 물리학자 겸 엔지니어인 벨링햄은 한 곳에 가만히 앉아 있지 못하는 사람이다. 그는 어느 새 비운 잔에 커피를 다시 가득 채워 들고 있었다. 1989년 MIT의 씨그랜트 프로그램에서 당시 갓 출범한 자율무인잠수정 실험실 책임자를 맡으면서 처음 수중 로봇을 접하게 되었다. 이때 벨링햄은 여섯 기의 자율무인잠수정을 설계, 제작하여 온갖 유형의 환경에서 수백회의 잠수 시험을 거쳤다. 그가 사용하는 로봇 잠수정들은 북극해의 빙하 아래에서든 아니면 마젤란 해협의 급 물살 아래서든, 또는 30.5m 아래로 잠수하든, 500 패덤 (=약 914m) 아래로 잠수하든 늘 어김없이 원 위치로 돌아간다. 최초의 무인 잠수정들은 목줄을 맨 개처럼 줄에 매달린 장비들이었다.

이들은 해상에 떠있는 연구선에 매달려 연구선에 있는 연구원들이 조작하는 대로 움직였다. 1993년에 엔지니어들은 자율해저 탐사로봇(ABE)처럼 자유롭게 유영을 하는 자율무인잠수정(AUV)을 만들었으나 이것들은 여전히 사람의 간섭이 필요했으며 수중에서 그저 몇 시간 밖에는 머무르지 못했다. 자동으로 움직이는 것으로서 구체적으로 프로그램된 임무를 수행하고 귀환할 수 있는 장비가 등장한 지는 2년도 채 못됐다. 임무는 한달 가량 걸쳐 이루어지는 것들이었다.

그러나 현재의 AUV의 능력은 향후 수년내에 벨링햄을 비롯한 잠수정 설계자들이 만들고자 계획하고 있는 것에 비하면 아무 것도 아니다. 수중 관측소들의 중요한 눈과 귀의 역할을 할 AUV들은 자기들이 받은 지시 이외에도 주위의 상황에 대응하면서 서로 간에 의사소통 또한 가능할 것이다.

현재 도라도(Dorado)라고 명명한 벨링햄의 최신 AUV는 어뢰 모양의 5.1m x 0.53m 크기의 장치로서 내압 알루미늄, 유리, 티타늄 재료의 케이스에서 상판을 제거하여 컴퓨터와 센서들을 드러낸 채 실험실에 놓여있다. 사고에 대비하여 다음과 같은 글이 케이스에 쓰여 있었다. “비무장 해양학 연구 장비임. 연락주시는 분에게는 후사하겠음. 연락처:..”. 이 장비는4.5~7kg의 양성부력을 지니고 있으며, 수중에서 고장을 일으키는 경우에는 수면위로 떠오르게 돼 있다.

도라도의 과학 연구용 적재물 가운데는 북극해의 깊이를 측정할 수중음파장치와 질산염, 산소, 부유물질 및 기타 매개체들을 탐지해 위치, 계절 및 기타 요소에 따라 대양의 성분이 어떻게 달라지는 지를 파악할 센서들이 포함돼 있다. 전도성-온도-깊이 (CTD) 측정기기는 염분, 농도, 조류 및 소리의 속도를 계산하는데 필요한 데이터를 제공한다. 얼마 전만 해도 이 CTD들은 사람만한 크기의 패키지로 수면 위의 선박으로부터 케이블에 매달려 수중으로 내려보내졌으나 이젠 도라도 안의 작은 공간에 넣을 수 있도록 되었다.



필요한 장비들의 규격을 줄이는 일은 AUV의 장래를 결정짓는 요소중의 하나. 또 하나의 실험실 아래층에는 선정된 미생물을 채취해 분쇄하고 즉석에서 DNA 분석을 하는 장치가 있다. 이것은 독성 물질들을 비슷한 모양의 무해한 물질들로부터 분리해 내는 일을 한다. 이 프로토타입은 달린이라는 별명이 붙어있으며 금속틀, 회전목마, 전기 배선, 약병, 도르래, 벨트로 이루어진 실물 크기의 피카소 조각 같은 모습이다. 달린은 수년 내에 AUV에 들어갈 정도로 축소돼 잠수정이 플랑크톤의 구름이나 독성 해조류 꽃 사이로 헤치고 내려가는 동안 복잡한 생물학 샘플 채취를 수행하게 된다.

미래에는 음향부표 탐사정을 북극해의 빙하 밑으로 발사하여 벨링햄이 말하는 빵껍질 궤적을 남기게 될 도라도는 12시간 동안 3노트의 속도로 거의 4.8km의 거리를 잠수할 수 있다. 현재 벨링햄 팀은 배터리의 효율성을 높임으로써 AUV가 수중에 머무를 수 있는 시간을 20시간 정도로 늘릴 수 있기를 기대하고 있으며, 260 시간의 여행 길에 나설 수 있는 연료 전지로 작동하는 버전을 또한 시험 중이다.

도라도는 프로펠러에 동력을 제공하는 거대한 배터리들이 부착돼 있기 때문에 수영선수라는 별명이 붙은 AUV들 가운데 한 종류다. 이 수영선수 들은 상당한 거리를 많은 양의 짐을 싣고 이동할 수 있다. 최근에 도입된 또 다른 종류의 AUV인 글라이더는 부표와 무게 중심의 변화를 이용하여 잠수하거나 물위로 오른다. 글라이더들은 수영선수라는 별명의 AUV 들보다 대체로 작으며 특정하고 제한된 임무에 이용된다. 이들은 천천히 (약 시속 800m) 움직이지만 지구력은 상당하다.

전형적인 글라이더는 워싱턴 대학교 팀의 씨글라이더. 이것은 바늘같이 뾰족한 코를 달고 있는 길이 1.8m, 무게 51kg의 장치이며 두툼한 고정익과 고정 꼬리를 달고 있다. 전기 모터가 전지 팩을 움직이면 씨글라이더의 무게 중심은 앞뒤로 움직이며 코의 상하진동을 조절한다. 씨글라이더가 항공기처럼 선회하도록 해주는 제어장치는 배터리들을 한쪽으로부터 다른 한쪽으로 움직여 기능을 한다. 또한 물 위 아래로 움직이려면 내부 저장고에 담아 놓은 기름의 양을 조절한다. 수면 위로 올라가려면 내부의 기름을 외부 저장실로 뿜어내어 부력을 높이고, 해저로 내려가려면 외부 저장실의 기름을 다시 빨아 들인다.

한번 잠수하고 난 뒤 수면위로 부상한 글라이더는 앞 부분을 다시 물 속에 쳐박고는 꼬리부분의 안테나를 수면 위로 쳐들고 위성항법장치 상의 위치를 파악하며, 이리듐 위성망을 통하여 데이터를 업로드하고 새로운 지시를 다운로드한다. 씨글라이더는 900m 깊이 이상으로 잠수할 수 있으며 한번에 수개월씩 수중에서 머물도록 설계돼 있고, 잠수, 정지, 부상, 수면 체류, 잠수, 정지, 부상, 수면 체류의 과정을 느린 동작으로 끊임없이 반복할 수 있다.

한편, AUV 연구가들은 글라이더에 동력을 제공할 다른 방법들을 실험하고 있다. 예를 들어, 뉴햄프셔 주 리(Lee)의 자동 해저 시스템 연구소의 엔지니어들은 AUV에 적합한 태양열 집열 장치를 개발 중이다. 말하자면 이 글라이더들은 수면 위로 올라와 태양 볕을 쬐며 데이터를 업로드 하면서 일년 이상의 기간 동안 환경 정찰 임무를 띠고 활동할 수 있게 된다.

오퍼레이터들은 AUV의 임무에 대한 프로그램을 작성하기 위하여 컴퓨터 프로그램인 임무 스크립트를 작성한다. 임무 목록은 명확하다. 물기둥의 윤곽을 파악할 것. 바닥에서 3m 미만으로 움직이지 말 것. 15℃와 7℃인 바닷물 사이로 주기적으로 오갈 것. 플랭크톤 떼를 발견하면 샘플을 채취할 것. 그리고 나서 해저에 내려가 45분간 움직이며 생명체를 찾을 것. 150m 상승하여 계곡과 바위 틈을 찾을 것 등이다.

그와 같은 초기 스크립트가 프로그램으로 입력되면 AUV는 선박의 기중기에 들려 수중으로 들어간다. 대개 거룻배의 작업자들이 물 속으로 밀어넣게 된다. 그리고는 임무 활동을 시작한다. AUV는 일단 물 속에 들어가면 독자적으로 활동하며 해상의 과학자들과는 별 접촉을 하지 않는다. 수면 위로 다시 떠오르려면 선박의 전파탐지장치와 교신을 하여 승무원들이 다시 끌어올리며 잠수정이 수집한 자료들을 다운로드하게 된다 (AUV들에게도 전파탐지장치가 있어서 그것을 위로 내밀면 승무원들이 수면에서 까딱거리는 그것을 발견하게 된다.)

AUV 임무 중 가장 위험한 부분은 특히 거친 파도 속에서 물속에 들어갔던 잠수정을 되찾는 일이다. 3.2km 깊이의 압력이면 부표를 상실할 수 있으며, 이 경우 수면 위로의 귀환은 불가능하다. 또한 이 장비가 해저와 충돌하여 방향 감각을 잃게 될 위험이 있다. “해저탐사를 하다 보면 여러 가지 생명체들이 바닥에 깔려있는 경우가 있는데 이 경우 이 장비들은 그 생명체들을 해저인 것으로 착각할 수 있습니다.” 벨링햄의 말이다.

최근에 뉴스에 자주 등장하는 무인항공기는 AUV의 경우보다 목표물을 조준하여 움직이는 것이 훨씬 쉽다. 수면 부근을 움직이는 AUV는 안테나를 사용하여 위성항법장치의 위성으로부터 계속적인 위치 확인을 할 수 있다. 무인항공기의 경우와 유사한 이치이다. 그러나 위성항법장치 신호는 바다를 통과하지 못하므로 심해에서의 임무 수행을 위한 항로설정은 잠수정 스스로 해야 한다. 이 경우 잠수정은 잠수 시 추측항법 즉 일정한 방향으로 움직이는 거리와 속도를 계산하여 위치를 파악하는 방법을 사용하기도 한다.

또 도라도와 같은 경우에는 레이저 자이로스코프가 공간적으로 장치의 방향을 잡고 가속도계가 속도와 방향의 변동을 감지하는 관성항법장치를 사용한다. 컴퓨터가 데이터를 모아 잠수정의 위치를 파악한 후 데이터가 프로그램된 위치와 비교하며, 필요하면 컴퓨터가 AUV의 위치를 조정하기도 한다.

심해 관측소에서 사용될 부품들에 대한 현장실험은 이미 완료된 단계이나, 이 항구적 해양 감시 장치들에 대한 중요한 시험은 2005년 초에 실시될 예정이다. 과학자들은 65km의 광섬유 케이블과 전원 케이블을 태평양에 부설하고 몬테레이 가속 연구 시스템 (MARS)의 스위치를 켜게 될 것이다. 이 연구소의 개발책임자들- 벨링햄과 그의 동료들 그리고 NASA의 제트추진연구소나 캐나다의 도미니언 천체물리학 관측소와 같은 연구기관의 연구원들-은 캘리포니아 수역에 묻힌 가장 복잡한 과학적 수수께끼를 풀어볼 예정이다. 이들은 AUV, 이미징 시스템, 탐지 장치 그리고 위성과 광섬유 케이블을 통하여 해안의 기지국과 연구선들과 교신하면서 비교적 알려지지 않은 채로 남아있는 수중 서식지에서의 동물들의 행태에 관한 연구를 기록할 것이다.



이들은 몬테레이 캐년의 심연을 들여다보면서 침전물의 움직임에 대한 연구를 통하여 수중의 산사태가 얼마나 격렬하게 일어나는지에 관하여 연구하게 될 것이다. 이들은 (일부 전문가들이 지구 온난화를 막기 위하여 대양에 버리자고 주장하는) 잉여 이산화탄소가 다양한 바다 생명체들의 건강에 어떠한 영향을 미치는지에 관하여 연구하게 될 것이다. 이들은 또한 희귀한 플랑크톤들의 화학 성분을 연구하게 될 것이다.

해양학자들은 넵튠이라는 이름의 야망에 찬 수중 관측장치로 현재의 MARS의 뒤를 잇게 할 생각이다. 이들은 넵튠을 후안 데 후카 해저산맥(미서부-캐나다 국경 부근에 위치)에 설치할 계획이다. 이 프로젝트의 개발자들인 NASA, 워싱턴 대학교, 우즈홀 해양연구소 등-이 후안 데 후카를 선택한 이유는 이곳이 지각 활동이 쉴 새 없이 일어날 뿐만 아니라 지진위험이 높은 곳이기 때문이다. 과학자들은 넵튠을 통해 앞으로 일어날 지진들에 하여 예보를 할 수 있게 되길 기대한다.

과학자들은 또한 넵튠을 이용하여 심해 통기구로 알려진 해저의 틈 사이에서 엄청나게 높은 온도에도 불구하고 최근 몇 년 간에 걸쳐 발견된 미생물 군락도 연구할 예정이다. 이 생물체들은 열악한 환경에서도 번성을 하고 있으므로 고온성 미생물이라는 이름이 붙여졌는데, 그 자체로도 흥미로운 존재들이지만, 과학자들 가운데는 이들과 아주 흡사한 미생물들이 지구에 가장 먼저 등장한 존재들이었을 것이며 이들이 아마도 지구 이외의 혹성에 존재할 생명 형태의 원형일 것이라고 생각하는 이들이 있어서 특히 더 흥미로운 연구 대상이다.

넵튠의 활동이 성공을 거두게 되면 과학자들은 더욱 많은 것들을 알려주게 될 북극 같은 주요한 위치에 다른 관측 장치들을 세울 계획이다. 예를 들어 과학자들은 수중 관측 장치들을 통해 갑자기 몇 년 동안 사라지는 새우, 백상어, 고래 등의 해양의 주요 생물들의 이동 경로에 대해 더욱 많은 사실을 알게 될 것이다. 이들이 움직이는 경로를 파악하게 되면 인류는 이 바다 생물들에게 해를 덜 끼칠 장기적인 어로 전략을 수립할 수 있을 지도 모른다.

그러나 대부분의 과학자들은 AUV와 해양 관측 장치들을 활용하여 해양이 지구의 기후에 미치는 영향에 관하여 탐사하고자 한다. 이들은 특히 심해의 대류 즉, 멕시코만류와 같은 해류가 따뜻한 바닷물을 추운 지역으로 옮겨가는 주기 등을 연구하고 싶어한다. 따뜻한 바닷물은 북쪽으로 움직이면서 온도가 내려가며 농도가 짙어지며 이 농도가 짙어진 바닷물이 북극에 닿으면 밑으로 가라앉는다.

그러나 과학자들은 이와 같은 대류 현상이 최근에는 덜 규칙적으로 일어나고 있음을 관찰하면서 그 이유를 설명하고 있다. 일부 과학자들은 이 것이 지구 온난화의 탓이라고 믿고있다. 빙산들이 녹으면서 전체 시스템이 민물로 씻겨내려져 바닷물의 염분 농도가 희석되며 희석된 바닷물은 밑으로 가라앉지를 않는다는 것이다. 불길한 전조로서 과거 수천 년 동안 해양 바닷물의 혼합에 있어서의 혼란이 생기면 그것은 빙하시대의 빠른 도래와 이어져왔다.

일부 과학자들은 현재 이 시대에도 빠른 빙하시대의 도래가 이루어지고 있으며, 간단히 이야기해서 심해 대류의 현상을 정상화시킬 수 있을 정도로 충분히 알아내지 못한다면 아마도 미래에 재난이 발생할 것이라고 말한다.

해양학자들에게 있어서 이것은 어려운 문제이며, 미지의 영역이다. 스스로 유영하는 AUV들의 지원을 받아서 활약하는 수중 관측 장치들은 지구의 필수적 구성체인 저 바다 밑의 뿌연 물속 세계가 언젠가는 아주 맑게 우리 눈에 비쳐 보여지게 되기를 바라는 진정한 기대를 우선 가능하게 해줄 희망인 것이다.

필자 칼 포시는 버지니아 주 알렉산드리아의 프리랜서이다.