우주방사선환경과 우주여행에 따른 건강영향

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  우주방사선환경과 우주여행에 따른 건강영향

우주방사선 환경; 우주여행을 다녀오면 무엇이 달라지나?

인류는 가까운 미래에 우주여행을 하게 될 것이다. 이미 우주선을 타고 달에 간 적이 있고, 이제 더 멀리 가려고 한다. 그런데 지구 밖으로 여행을 하면 우리 몸이 괜찮을까? 방사선이 쏟아진다는데 과연 가능할까?

※ 우주방사선 환경
지구표면에서 멀리 떨어진 곳(비행기고도, 위성궤도, 우주정거장궤도, 지구저궤도 밖) 우주방사선환경은 지상과 다르다. 지표 생활환경에선 지각물질에서 나오는 방사선이 주를 이루지만, 하늘(우주)에선 태양에서 오는 방사선과 먼 우주에서 오는 방사선(은하우주방사선)인 1차 방사선, 그리고 이 우주선들이 만드는 2차 방사선이 존재하는 환경이다. 1차 방사선은 대부분 고 에너지 성분이다. 은하우주방사선은 일정하지만 태양에서 오는 방사선의 양은 태양활동에 따라 불규칙하다.(흑점폭발, 태양풍 등) 우주여행을 할 때는 태양활동의 세기가 주요 변수이다. 그러니 우주여행을 하면 마치 여름날 가랑비에 옷 젖듯(은하우주방사선등), 소나기를 맞듯(태양활동에 따른 입자방출 시) 방사선에 노출된다. 가능하다면 태양활동을 예측하여 소나기를 피한다. 다가올 태양활동 극대기는 2025년경이니 현재 활성화 단계에 있다.

2022년 5월10일에도 태양 흑점 한 곳 근처에서 폭발이 있었다. 그 순간 양성자 등 고에너지 입자로 구성된 막대한 양의 플라즈마가 방출되어 우주로 뻗어 나간다. 다르게 표현하면 엄청난 방사선 폭풍이다. 태양에서 오는 양성자 등 고에너지 입자로 구성된 플라즈마 덩어리들은 지구자기장 때문에 방향이 꺾여 대부분 우주로 튕겨 나간다. 일부 플라즈마는 지구 남북극 쪽으로 향하고 지구 대기층과 반응하여 오로라를 만든다. 결국 지구자기장과 대기가 태양에서 오는 우주방사선을 막는 방패역할을 한다. 지상은 우주 방사선으로부터 안전하다. 지상에 도달하는 우주방사선의 양은 아주 작지만, 지구저궤도에는 지상보다 아주 많다. 예를 들어 국제선 여객기 고도(약 10 km 상공)에서는 지상에 비해 100배 이상 높다.

우주비행은 지구저궤도를 경계로 안과 밖으로 나누는데, 지구저궤도를 이루는 고도(지상에서 200 ~ 2,000 km 높이)에는 인공위성, 우주정거장이나 허블망원경이 지구를 돌고 있다. 지구저궤도 밖은 깊은(심) 우주다.

지구저궤도 영역에 존재하는 우주방사선 환경은 다음 3가지다.
① 입자포획 방사선(trapped particle radiation); 지구자기장에 의해 포획된 입자들로 내부와 외부 층으로 구분하며, 주요 입자는 내부는 양성자, 외부는 전자 등 플라즈마 덩어리인데 이른바 반알렌벨트 방사선영역이다.
② 은하우주방사선(Galactic Cosmic Radiation, GCR); 거의 변화가 없다. 아주 먼 곳에서 초신성 폭발이 있었다고 해서 지구환경에는 거의 영향을 주지 않는다. 우주 배경 방사선이다. 우주에 비교적 골고루 퍼져 있어 비교적 일정한 수준을 유지한다.
③ 태양입자방사선(Solar Particle Event, SPE); 혹은 태양 우주방사선(Solar Cosmic Radiation, SCR)이라고도 한다. 태양에서 크고 작은 폭발이 일어나 우주로 방출되는 고에너지 입자 플라즈마 덩어리다. 아주 강할 때는 최장 수일간 막대한 양의 입자방사선(주로 고 에너지 양성자)이 쏟아져 나온다. 태양입자방사선은 우주방사선환경을 급격하게 변화시킨다.

결국 지구저궤도방사선 환경은 11년을 주기로 태양 활동에 따라 그 정도가 계속 변하는데 태양활동이 최대이면 최소가 된다. 태양자기장이 방패 역할을 한다. 지구자기장이 미치지 않고 태양입자방사선의 영향이 없을 경우, 주로 양성자, 중이온, 전자 등으로 구성되어 있는 빈 우주(free space) 공간의 방사선수준은 연간 약 350 mSv다.

달엔 대기가 없어서 방사선환경이 심 우주와 유사하게 태양풍, 은하우주방사선으로 구성된다. 반면 화성에는 이산화탄소 대기층이 약간 있기 때문에 지구에서처럼 태양에서 오는 방사선을 일부 막아준다.

우주선 안은 사정이 다르다. 태양과 우주에서 오는 고 에너지 방사선을 우주선 구조물이 대부분 막아주나, 이 방사선이 구조물(외벽과 내벽, 기기장치 등), 우주복 재료 등과 반응하여 만드는 2차 방사선(중성자, 감마선 등)에 우주인이 노출된다.

※ 흡수선량과 유효선량
방사선은 진행과정에서 만나는 물질(원자 수준)에 갖고 있는 에너지의 일부 혹은 전부를 전달한다. 단위질량 당 흡수되는 에너지를 흡수선량(단위 Gy, 그레이)이라 하고, 건강영향을 고려하여 위험수준을 표현하고자, 흡수선량에 방사선 종류와 특정 조직이 보이는 영향 감수성 차이를 감안하여 이를 가중한 유효선량(단위, Sv, 시버트)이라는 개념을 만들었다. 따라서 기본 단위는 그레이(Gy)고 시버트(Sv)는 유도단위다. 큰 값이기에 주로 밀리(천분의 1). 마이크로(백만분의 1)를 붙여 사용한다. 에를 들어, 방사선가중인자가 2인 양성자만으로 1 mGy를 받은 특정 조직의 위험가중 값이 0.2이면, 유효선량은 0.4 mSv(1 x 2 x 0.2 = 0.4)다. 만약 가중인자가 20인 알파선만이라면 그 값은 양성자 경우의 10배가 된다.

※ 선량과 건강 영향
모든 물질이 일정 량 이상 우리 몸 안에 들어와 화학·물리 반응을 일으키면 세포수준에서 영향(손상 등)이 생기고 그 정도가 심해지면 결국엔 조직과 장기가 고장 날 수 있다. 섭취한도나 농도기준, 치사량 등을 정하여 관리하고 경계하는 이유다. 방사선량도 마찬가지다.

방사선량과 그로 인한 영향은 선량(률) 값에 따라 ① 미래에 나타날 가능성이 있는 영향과 ② 단기 혹은 즉시 나타나는 영향으로 나뉜다. ①에는 백혈병, 암 발생, 그리고 유전적 영향으로 비교적 작은 선량에 노출되는 경우, ②에는 피부나 신체 장기(조직)에 즉각 나타나는 어지러움, 구토, 피부 화상과 괴사, 일시 또는 영구 생식능력 장애, 장기 손상 및 사망 등으로 비교적 많은 선량에 노출되면 나타난다. 현재 밝혀진 바에 따르면 ①은 100 mSv 보다 큰 영역에서 관찰되고, ②는 그 보다 적어도 수배에서 10 배 이상 커야 나타난다. 정리하면 적어도 100 mSv 보다 큰 선량에 노출되어야 건강영향이 있을 수 있다. 물론 이 선량은 자연방사선(우리나라는 평균 연간 4.1 mSv, 세계는 2.4 mSv)에 더하여 추가로 받는 선량이다. 일상적인 생활에서 벗어나 특별한 활동을 한 결과 추가로 받는 위험이란 뜻이다.

※ 유효선량(시버트, Sv) 보다 흡수선량(그레이, Gy)이 정확하다.
아직 우주방사선으로 인한 건강영향에 대해 알고 있는 정보가 부족하다. 고 에너지 전자, 양성자, 알파입자, 중이온 등 1차방사선에 더하여 우주선, 장비, 우주복 등과의 상호작용으로 생성되는 2차 방사선(감마선, 중성자, 파이온 등) 까지 지구환경과 많이 다르기 때문에 그렇다. 유효선량보다 흡수선량으로 평가한 양이 더욱 정량적이긴 하지만, 방사선으로 인하여 인체에 나타나는 영향을 고려하여 표현하는 유효선량을 더 자주 사용한다.

※ 우주를 여행하면 받는 선량과 건강영향은?
현재 인류 중 극소수만 우주에서 생활하거나 여행을 했다. 여기에서 제한적이긴 하지만 방사선피폭선량에 관한 일부 자료가 만들어졌다. 알아낸 선량 값은 대략 우주정거장 110 mSv(180일 체류), 우주왕복선 10 mSv(10일 이내), 달 왕복 20 mSv(6일 이내)다. 반면 국제선 여객기 승무원의 선량은 3~6 mSv(365일) 정도다. 만약 화성 표면에서 30일 체류하면 15 ~ 30 mSv 일 것으로 예상한다. 하지만 왕복여행에 1,000 mSv 이상(906 ~ 1,554 mSv) 받을 것으로 보인다.

우주생활 및 자연 방사선량

구분	기간(일)	선량(mSv)	선량률(mSv/일)
우주비행사a) - 화성 왕복 - 달 왕복 - 우주정거장 - 우주왕복선 - 훈련비행(미국)	180 6 90 ~ 180 10 미만 365	~200 ~20 45 ~ 110 20 미만 0.335	~1 ~3 0.5 ~ 1.2 1 미만 ~0.001
국제선 여객기 승무원a)	365	3 ~ 6	0.01 ~ 0.02
자연방사선b) - 세계 평균(지표+체내) - 지표(지각+우주) 방사선 - 우리나라 평균 - 이란 람사르 지역 주민	365	2.4 0.87 4.1 0.61 ~ 260	0.007 0.002 0.011 0.002 ~ 1.4

^a) NCRP-132 / -153 / -167,
^b) UNSCEAR-2000 Annex B / 기저방사선 / Very High Background Radiation Areas of Ramsar,Iran: Preliminary Biological Studies, Health Phys.82(1) 87-93(2002) by M. Ghiassi-nejad et al.

우주여행으로 방사선에 노출될 경우 예상할 수 있는 건강영향은, 장기 만성(암, 백내장 등) 및 단기 급성(식욕감퇴, 구역질. 구토, 피부 및 혈액 질환 등) 영향이다. 특히 단기 영향(식욕감퇴, 구역질, 구토)은 무중력, 자외선 등이 원인이 될 수 있다.

최근 우주방사선피폭에 관해 주목받은 연구는 우주인 스콧 켈리 쌍둥이 형제에 대한 것이다. 2019년 ‘사이언스’에 게재된 연구결과에서는 340일 간 국제우주정거장(ISS)에서 생활한 우주인 스콧 켈리와 같은 기간 지상에 머문 그의 일란성 쌍둥이 형 마크 켈리의 신체 변화를 비교했다. 이 우주인은 우주에서 적어도 200 mSv 이상의 선량에 노출된 셈이었으며, 우주에 다녀온 직후 스콧에게 유전자 패턴 변화, 세포내 DNA 손상, 인지력 저하 맥박수 증가 등이 있었다. 6개월 후 대부분 원상태로 회복되었지만 일부 그렇지 않은 것도 있다. 수명에 관계한다는 텔로미어(염색체 끝부분에 있는 DNA로 길이가 짧은 사람은 수명도 짧다)도 평균 길이가 지구귀환 직후엔 길었지만, 이 역시 원래대로 돌아왔다. 단지 짧아진 텔로미어의 수가 많아졌다고 한다. 결과적으로 두 형제의 신체에는 큰 차이가 없었던 셈이다. 결국 두 형제의 몸 상태에 큰 차이가 없었지만 아직 그 이유를 정확히 알 수 없는 작은 변화도 있었다.

방사선이 원인인지 분명하지는 않지만 우주에 있었기 때문에 신체 상태가 변한 것은 사실이다. 아직 충분한 자료가 있는 것은 아니지만 적어도 일정 수준의 선량까지는 우주인 생활로 인하여 건강에 큰 영향을 미치지 않을 것임을 예상할 수 있다. 물론 우주비행사의 경우 일반인에 비해 신체 건강상태가 매우 좋고 정신적으로도 건강하지만 우주여행을 하면 방사선 외에 무중력, 고립감, 귀환위험 스트레스 등이 건강에 더 큰 영향을 미칠 수 있다.

최근 6개월 이상 우주에서 생활하고 귀환한 우주인을 대상으로 뼈 건강상태를 확인하고 보고한 자료에 의하면, 미세중력 환경이 우주인의 골밀도 감소를 가져온다고 했다.^주1) 이 연구는 계속되지만, 현재의 결과에서는 그들의 골밀도는 지구 복귀 후 1년이 지나도 우주생활 이전으로 회복되지 않았다. 또한 우주정거장에서 6개월 이상(1년) 근무하고 복귀할 경우, 회복정도가 6개월 이하의 경우보다 더딘 것으로 나타났다. 관련 연구는 우주생활환경에서는 우주인의 뼈 건강을 위한 운동방법도 제시하고 있다. 한편, 우주생활을 한 우주인에게서 노화현상 중 지금까지 분명하게 알려진 건강영향은 백내장이며, 이는 방사선에 의한 것일 수도 있다. 그래서 우주인은 안구 보호용구도 착용한다.

주1) 조사결과에 의하면 국제 우주정거장에서 6개월 넘게 생활하다 지구로 귀환한 우주인의 경우, 지상에 있는 사람에 비해 약 20년 정도 노화가 진행된 상태이고, 1년 이내 뼈 손실 상태가 어느 정도 회복되지만 그래도 10년 정도 진행된 노화에 해당하는 수준의 감소가 나타났다고 한다. 미세 중력 환경은 지상의 경우와 다르게 뼈가 신체를 지탱하는 하중을 덜 받기 때문일 것으로 추정한다. Long-duration spaceflight is bad for the bones,Physicsworld; diagnostic imaging/research update, Aug. 3(2022)

현재 미국 나사는 우주비행사를 보호하기 위하여 직무피폭(임무수행 중 노출되는 방사선량)으로 인해 생애 초과상대위험이(기저위험에 더하여) 추가로 3%^주2) 가 넘지 않아야 한다고 정하고 있다.^주3)

주2) NCRP-167; Potential Impact of Individual Genetic Susceptibility and Previous Radiation Exposure on Radiation Risk for Astronauts (2010년); 이 보고서에선, 방사선으로 인한 암발생 위험을 1 Sv 당 0.04(4%/Sv)로 추정했다. 미국인 생애 기저 암발생 위험은 40%이고, 이의 절반 정도가 사망한다. 저선량 수준(100 mSv)인 경우, 암발생위험은 40.4%가 되는 셈이니 사실상 기저 위험 수준(40%)과 구분하기 어렵다.

주3) 특정 인구집단에 대한 평균이기에 해당 위험수준을 개인에게 적용할 수 없다. 만약 ICRP-103(2007년)에서 제시한 5%/Sv를 적용하면 600 mSv 수준이다. 노출시작 연령별, 개인별 및 성별 차이 등을 고려해야 한다. 단지 참고하기 위한 비교다.

우주에서는 지구에서의 경우보다 방사선에 훨씬 더 많이 노출된다. 최근 화성의 방사선환경과 유사한 곳으로 이란 람사르가 거론되기도 했다. 지구상에서 가장 자연방사선 준위가 높고, 방사선가중인자가 큰 알파선을 내는 방사능이 많이 있는 라돈 유의지역이기도 해서 그렇다. 지역 주민의 일부(약 5% 미만)는 연간 260 mSv라는 매우 많은 선량에 노출되어 살고 있다. 달에 인류가 발을 딛기 전에 지형적으로 유사한 환경을 지구에서 찾아서 연습했다. 미래 유인 화성탐사의 경우에도, 화성의 방사선환경에 적응해야 하는 인간에게 어쩌면 람사르의 방사선환경과 거주하고 있는 주민들의 건강에 관한 연구가 중요한 정보를 알려줄 수도 있다.

참고자료
National Council on Radiation Prptection, Radiation Protection Guidance for Activities in Low-Earth Orbit, NCRP-132(2000)

National Council on Radiation Prptection, Information Needed to Make Radiation Protection Recommendations for Space Missions Beyond Low-Earth Orbit, NCRP-153(2006)

National Council on Radiation Prptection, Potential Impact of Individual Genetic Susceptibility and Previous Radiation Exposure on Radiation Risk for Astronauts, NCRP-167(2010)

F. E. Garrett Bekelman et al. The NASA Twin Study : a multidimensional analysis of a year-long human spaceflight, Science 364 Issue 6436(2019)

Leigh Gabel et al. Incomplete recovery of bone strength and trabecular microarchitecture at the distal tibia 1 year after return from long duration spacecraft, Sci Rep. 2022 Jun 30;12(1):9446(2022)

International Commission on Radiological Protection, The 2007 recommendations of the International Commission on Radiological Protection, ICRP Publication 103(2007)

J.S. Welsh et al. Ramsar, Iran, as a Natural Radiobiological Surrogate for Mars, Health Phys, 122(4) 508-512(2022)

이 자료의 최초 작성 및 등록 : 김봉환(KAERI) bhkim2@kaeri.re.kr