달에서 산소를 만드는 방법

시에라 스페이스는 달과 같은 조건에서 산소를 생산하는 장치를 개발중이다

엔지니어들이 거대한 공 모양의 방 안에서 장비 하나를 자세히 살펴보고 있었다. 그들 앞에 있는 것은 다양한 색깔 전선으로 뒤덮인 은빛 금속 장비, 언젠가 달에서 산소를 만들어 내리라는 기대가 담긴 상자였다.

연구팀이 공 모양의 방에서 나오자, 실험이 시작됐다. 상자 형태의 기계가 소량의 흙을 빨아들였다. 먼지와 날카로운 자갈 등을 활용해 실제 달 표면에 있는 흙의 화학 성분을 재현한 표토였다.

표토는 기계 안으로 들어간 후, 이내 찐득찐득한 상태가 됐다. 그런 다음 기계가 1650℃ 이상의 열을 가했다. 그리고 몇 가지 반응물이 추가되자, 흙에서 산소가 함유된 거품이 부글부글 끓어오르기 시작했다.

민간 기업 시에라 스페이스의 프로그램 매니저인 브랜트 화이트는 "우리는 지금까지 지구에서 할 수 있는 모든 실험을 했다"고 말했다. "다음 단계는 달로 가는 것입니다."

시에라 스페이스의 실험은 지난 여름 미항공우주국 나사의 존슨 스페이스 센터에서 진행됐다. 훗날 달 기지에서 생활하게 될 우주비행사들을 위한 시스템 연구의 일환이었다.

산소는 우주비행사들의 호흡을 위해서도 필요하지만, 달에서 발사해 화성 등 더 먼 목적지로 가는 우주선의 로켓 연료에도 쓰인다.

그리고 인간이 달 기지에 머물려면, 금속도 필요할 수 있다. 이러한 금속은 달 표면에 흩어져 있는 먼지 덮인 회색 파편에서 채취할 수 있다고 알려져 있다.

하지만 이러한 기술 대부분은 달에서 자원을 효과적으로 추출할 수 있는 반응로를 만들 수 있는지 여부에 크게 영향을 받는다.

화이트는 지구에서 많은 양의 산소와 예비 금속을 달로 보내는 방법은 어렵기도 하고 비용도 많이 든다며 "(필요한 것을 달에서 만드는 방법이 있다면) 수십억 달러의 탐사 비용을 절감할 수 있을 것"이라고 말했다.

이 밀폐 가능 실험 공간은 달의 압력과 온도를 재현해 낸다

다행히 달 표토에는 금속 산화물이 가득하다. 지금가지 금속 산화물에서 산소를 추출하는 방법은 지구상에서는 많이 연구되었다. 하지만 이 작업을 달에서 진행하는 것은 훨씬 어려운 일이다. 달 특유의 환경 때문이다.

작년 7월과 8월에 시에라 스페이스가 실험을 진행했던 거대한 공 모양의 실험실은 진공 상태를 만들고 달의 온도와 압력도 모방할 수 있는 곳이었다.

시에라 스페이스는 그곳에서 실험을 하면서 기계의 작동 방식을 계속 개선해야 했다. 표토 자체의 매우 들쭉날쭉하고 거친 질감에 잘 대처하기 위해서였다. 화이트는 "표토는 사방으로 날아가 모든 메커니즘을 마모시킨다"고 말했다.

하지만 달의 중력은 지구 표면 혹은 지구 궤도에서 실험할 수 없는 주요 환경이다. 달의 중력은 지구의 약 6분의 1에 불과하다. 시에라 스페이스는 2028년 이후에야 달의 저중력 환경에서 실제 달 표토로 실험할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

나사의 아르테미스 임무는 2027년 달에 우주비행사를 착륙시킬 계획을 갖고 있다

존스 홉킨스 대학의 폴 버크는 엔지니어들이 달의 중력을 고려하지 않으면 특정 산소 추출 기술에 심각한 문제가 생길 수 있다고 말했다.

버크와 동료들은 작년 4월 상대적으로 약한 달의 중력 때문에 산소 추출 과정에 어떤 문제가 생길 수 있는지를 컴퓨터로 시뮬레이션 한 논문을 발표했다. 이 논문이 연구 대상으로 삼은 산소 추출 공정은 용융 표토 전기분해였다. 이 방식은 산소가 포함된 달의 광물을 전기로 분해해 산소를 직접 추출한다.

하지만 이 기술이 용융 표토 깊은 곳에 자리한 전극 표면에 산소 기포를 형성하는 방식이라는 점이 문제가 됐다. 버크는 "용융 표토는 농도가 꿀과 흡사해서 매우 점성이 높다"고 말했다.

"(중력이 적은 환경에서는) 생성된 기포가 빠르게 올라오지 않을 것이고, 그러다보면 실제로 전극에서 떨어져 나오는 것도 늦어질 수 있습니다."

이에 대한 해법이 전혀 없는 것은 아니다. 그중 하나는 장치를 진동시켜 기포를 움직이게 만드는 것이다.

그리고 매우 매끄러운 전극을 사용하면, 기포가 더 쉽게 분리될 수도 있다. 버크와 동료들은 현재 이러한 아이디어를 검토하고 있다.

반면 시에라 스페이스는 이와 다른 탄화열 공정이라는 기술을 사용한다. 이 공정에서는 산소가 함유된 기포가 전극 표면이 아닌 표토 내에 자유롭게 형성된다. 화이트는 이 차이는 기포가 떨어지지 않아서 문제가 될 가능성이 적다는 뜻이라고 말했다.

버크는 향후 달 탐사를 위한 산소의 가치를 강조하면서, 우주비행사의 체력과 활동 수준별로 하루에 약 2~3kg 분량의 표토에 든 산소가 필요할 것으로 추정했다.

하지만 달 기지에서 운용될 생명 유지 시스템은 우주비행사가 내뿜는 산소를 재활용할 가능성이 높다. 그렇다면 달에 거주하는 인간의 생존을 위해 많은 양의 표토를 처리할 필요는 없을 것이다.

버크는 보다 야심찬 우주 탐사를 가능하게 해줄 로켓 연료에 산소 추출 기술이 실제로 더 많이 쓰일 수 있다고 말했다.

팔락 파텔은 달의 먼지에서 산소 및 금속을 추출하는 방법을 연구하고 있다

우리가 달에서 더 많은 자원을 만들어 낼 수 있다면, 분명 많은 도움이 될 것이다.

그런데 시에라 스페이스의 기술은 약간의 탄소를 추가하는 것도 필요하다. 다만 이 회사는 자사의 기술은 산소를 생산할 때마다 부산물로 나오는 자원은 대부분 재활용할 수 있다고 말한다.

한편 MIT 박사 과정 학생인 팔락 파텔도 동료들과 달 토양에서 산소와 금속을 추출하는 실험용 용융 표토 전기분해 시스템을 고안했다.

그는 "우리는 '달 기지 재보급 임무를 최소화하자'는 관점에서 이 문제를 바라보고 있다"고 말했다.

파텔과 동료들은 달의 약한 중력이 전극에 형성된 산소 기포의 분리를 방해할 수 있다는 버크 연구팀의 문제를 해결하려 하고 있다. 이를 위해 그들은 음파로 기포를 폭발시키는 '소닉케이터'를 사용한다.

파텔은 미래에는 자원 추출 기계를 활용해 달 표토에서 철, 티타늄 또는 리튬을 추출할 수 있을 것이라 전망했다. 이러한 자원은 달에 거주하는 우주비행사가 3D 프린팅 기술로 달 기지 예비 부품이나 우주선의 손상 부위를 교체하는 부품을 만드는 데 유용하게 쓰일 것이다.

우리가 달 표토를 활용해 할 수 있으리라 기대하는 것은 이뿐만이 아니다. 파텔은 또 다른 실험을 통해 달에 있는 것과 성분이 같은 용융 표토를 단단하고 어두운 빛깔을 가진 유리 같은 물질로 녹여내는 데 성공했다고 말했다.

그의 연구팀은 이 물질로 튼튼하면서 속은 비어있는 벽돌을 만드는 방법도 연구하고 있다. 어쩌면 이 벽돌은 달에 구조물, 예를 들어 인상적인 검은색 기둥을 짓는 데 쓰일 수도 있을 것이다. 충분히 가능성 있는 일이 아닐까?

우주 탐사 : 달에서 산소를 만드는 방법 - BBC News 코리아

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