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- MOXIE 실험으로 화성 대기에서 O2 추출 가능성 입증

화성 최초의 산소 공장 성공
MOXIE 실험으로 화성 대기에서 O2 추출 가능성 입증

화성 우주비행사를 위한 산소:
화성 대기에서 산소를 얻는 것이 가능하다. 이것은 NASA의 "Perseverance" 화성 탐사선에 대한 MOXIE 실험의 성공으로 입증되었다. 작은 상자는 화성의 이산화탄소를 분해해 모든 테스트 실행에서 산소를 얻을 수 있었다. 이것의 생산 속도는 시간당 약 6g의 O2였다. 작은 나무만큼의 생산량이다. 그러나 더 크고 영구적으로 작동하는 장치는 미래에 훨씬 더 많은 산소를 생산할 수 있다. 

▲ Perseverance 로버는 미래 우주 비행사에게 중요한 자원인 화성 대기에서 산소를 추출할 수 있는 실험을 수행한다. © NASA/JPL-Caltech/MSSS

우주 비행사가 미래에 화성을 방문하거나 더 오랜 기간 동안 화성에 머물기 위해서는 호흡을 위해 산소가 필요하지만 귀환 비행을 위한 연료로도 필요하다. 다만 지구에서 화성으로 필요한 수량을 가져올 수 없기 때문에 현장에서 직접 생산해야 한다. 2021년 봄부터 화성 탐사선 "Perseverance"의 신발 상자 크기의 상자가 이것이 가능한지 방법, 즉 MOXIE 실험을 테스트해왔다.

이산화탄소 분해로 인한 산소

MOXIE는 얇지만 이산화탄소가 풍부한 화성의 공기를 흡입하고 압축하여 산소를 수집한다. 94%의 CO2로 구성된 가스는 약 800도까지 가열되어 두 개의 전극이 있는 용기에 공급된다. 그곳에서 전기분해가 일어나며, 이산화탄소가 산소와 일산화탄소로 분해된다. 예를 들어 산소는 음극에서 수집돼 호흡 가스로 사용될 수 있으며 잔류 가스는 여과된 후 대기로 다시 흐른다.

이 현장 산소 생성의 첫 번째 테스트는 이미 2021년 4월에 성공했다. 그 이후로 MOXIE는 7번의 작업을 완료했으며 계획대로 시간당 약 6g의 O2를 생산했다. 결국 이것은 작은 낙엽수의 산소 생산에 해당한다. MOXIE 수석 과학자인 MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 제프리 호프만(Jeffrey Hoffman)은 "이것은 다른 행성에서 자원을 사용하는 첫 번째 시연"이라고 말했다. 그런 의미에서 이것은 역사적이다."

▲ 전면 덮개가 없는 MOXIE 실험의 모습. © Hoffman et al./ Science Advances, CC-by-nc 4.0

극한 조건에서의 O2 생산

가장 중요한 점은 작은 산소 공장이 테스트된 모든 조건(낮, 밤, 다른 계절)에서 호흡 가스를 얻을 수 있다는 것이다. "화성의 대기는 지구의 대기보다 훨씬 더 다양하다"며 "그들의 가스 밀도는 화성에서 1년 동안 2배만큼 변할 수 있고 온도는 약 100도까지 변할 수 있다. 따라서 항상 산소 생성이 가능하다는 것을 보여주는 것이 중요했다”고 호프만은 말했다.

이것을 바로 MOXIE가 달성한 것이다. 작은 산소 공장은 화성 대기의 최소 CO2 밀도 또는 영하 74도의 온도에서도 시간당 평균 6g의 O2를 생산할 수 있었다. Hofman의 동료인 Michael Hecht는 "우리의 다음 테스트 실행은 올해의 가장 높은 가스 밀도 동안 수행될 것이다"고 말했다. “그러면 우리는 가능한 한 많은 산소를 생성하려고 노력할 것이다. 우리는 가능한 한 장치의 전원을 켜고 가능한 한 오래 작동하도록 할 것이다.”

생각보다 내구성

미래의 현장 산소 공장과 달리 MOXIE는 아직 연속 작동을 위해 설계되지 않았다. 화성 탐사선 "Perseverance"의 예비 전력으로는 충분하지 않다. 따라서 장치는 적절한 시간 동안 능동적으로 산소를 수집할 수 있기 전에 항상 몇 시간 동안 천천히 예열되어야 한다. 그런 다음 주변 온도로 다시 냉각더된다. 영하의 온도와 800도 열 사이의 이러한 지속적인 변화는 시스템에 상당한 열 부하다.

그럼에도 불구하고 성능 저하는 제한적이다. "MOXIE는 60 사이클 이상 동안 시간당 6g의 O2 생산 요구 사항을 충족할 수 있을 것이다"고 연구원들은 설명한다. 나중에 시스템의 더 큰 변형은 어쨌든 적은 변경을 겪을 것이다. "전체 규모의 산소 플랜트는 지속적으로 실행되는 더 큰 장치로 구성된다"고 Hoffman은 말했다.

▲ 거의 전적으로 CO2로 구성된 화성 대기의 밀도는 하루와 일년에 걸쳐 크게 변동한다. 그럼에도 불구하고 MOXIE(OC 점수)의 모든 테스트는 성공적이었다. © Hoffman et al./ Science Advances, CC-by-nc 4.0

화성의 미래 우주인을 위한 산소

과학자들에 따르면 MOXIE 실험은 완전한 성공이며 화성에서 중요한 자원을 현장에서 추출하는 유망한 시작이다. "MOXIE는 고체 산화물 전기분해 기술을 사용하여 화성 대기에서 산소를 추출하는 것이 실현 가능하고 확장 가능하며 효율성과 품질에 대한 기대치를 충족한다는 것을 보여주었다"고 팀이 설명했다.

화성에 대한 미래의 유인 임무를 준비하기 위해 우주 비행사가 착륙하고 그곳에서 산소를 추출하기 시작하기 전에 MOXIE의 대형 버전을 화성으로 보낼 수 있다. "시간당 2~3kg의 O2를 처리할 수 있는 MOXIE와 같은 시스템은 26개월 이내에 화성 상승 탐사선을 위한 연료를 생산하기에 충분한 산소를 생성할 수 있다"고 Hoffman과 그의 동료들은 설명했다.
(Science Advances, 2022; doi: 10.1126/sciadv.abp8636)
출처: Massachusetts Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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