▲ 미래의 달 정거장 거주자는 달의 암석에서 산소를 얻는다. ESA는 달 "산소 공장"의 첫 번째 프로토타입을 가동시켰다.  © ESA/ P. Carril

달 기지로의 첫 걸음 :

유럽 우주국 ESA는 네덜란드의 노르드비크(Nordwijk)에 달 "산소 공장"의 원형(Prototype)을 설치했다. 이것은 달에 있는 암석에서 산소를 추출하는 시스템이다. 이 과정에서, 레골리스(달 표면의 돌가루 모양 물질)는 소금과 함께 가열되어 전기가 통한다. 미네랄에 결합된 산소가 방출된다. 실제적인 부가 효과로 사용 가능한 금속도 생성된다.

미국과 유럽 우주국 ESA는 유인 우주여행의 대상으로 지구 위성을 재발견했다.
미션 아르테미스 임무 중 하나로 NASA는 이미 2022년에 달 궤도 관측소의 시작을 계획했고 2024년에 우주 비행사 착륙을 계획하고 있다. ESA는 이미 몇 년 전에 국제 달나라에 마을 건설계획을 발표했다.

달-레골리스(regolith)에서 산소를 얻다.

그러나 미래에 사람들이 달에서 더 오래 살고 일하려면 무엇보다도 산소가 필요하다.
달의 얼음물, 물이 스며든 곳, 달의 표토층에서 얻을 수 있다. 아폴로가 가져온 달 암석표본에서 알 수 있듯이 미네랄은 대부분 산화물이기 때문에 레골리스는 40~45%의 산소를 함유하고 있지만 화학적으로 결합된 형태다.

ESA는 이제 레골리스regolith에서 산소가스를 추출할 수 있는 달의 “산소 공장” 프로토타입을 개발했다. 이 공정은 용융 흐름 전기 분해, 즉 광석에서 금속 및 합금을 생산하는 공정을 기반으로 한다. "이 과정에서 생성된 산소는 의도치 않은 부산물이며 일산화탄소 또는 이산화탄소로 방출된다"라고 글래스고우(Glasgow) 대학의 베트 로막스(Beth Lomax)는 설명한다. 

▲ 산소 추출 (위) 과 반응과정 중 레골리스-아날로그의 전자 현미경 이미지. © Beth Lomax / University of Glasgow

열과 전류로

"달 공장"의 경우, 연구원들은 산소가 탄소와 반응하지 않고 포획될 수 없도록 공정을 수정해야 했다. 이를 위해 암석 물질은 먼저 염화칼슘 염과 함께 950도까지 가열된다. 예를 들어 집광된 햇빛을 화용한 태양오븐으로 수행 할 수 있다. 소금은 녹아지고, 리골렛regolith는 견고하게 남아 있다.

이어서, 전해질로서 작용하는 액체 염인 전극을 사용해 전기를 혼합물에 통과시킨다.
이는 전기 화학 반응을 유발하며, 이 과정에서 산소가 레골리스의 산화물로부터 방출된다.
액체 염을 통과하여 반응기의 양극에서 수집돼 이곳에서 수집 및 배출될 수 있다.

"부산물"로 사용 가능한 금속

연구원들은 현재 이 공정에서 방출되는 산소량과 노르비크(Nordwijk) ESA 연구소의 새로운 프로토타입 공장에서 공정이 어떻게 최적화될 수 있는지 테스트하고 있다.
그들은 레골리스-유사한, 하나의 미네랄 혼합물(달에서 상대적으로 가까운 곳에 산출되는 물질)을 산소 반응기의 출발 물질로 사용한다. 로막스(Lomax)는 “이 설비의 도움으로 작동 온도를 변경해 공정에 잘 맞도록 조정할 수 있다.

공정의 긍정적인 부수효과 : 용융 흐름 전기 분해는 산소를 방출 할 뿐만 아니라 달 암석에 포함된 금속을 감소시킨다. ESA의 알렉산드르 노이리세(Alexandre Meurisse)는 “우리는 어떤 합금을 사용해 생산할 수 있는지, 어떤 응용 분야에 적합한지를 찾고자 한다. 그러나, 생성 된 금속의 정확한 조합은 “공장”이 나중에 달에 있을 위치에 따라 달라진다.
왜냐하면 레골리스는 지역에 따라 구성 성분이 약간 다르기 때문이다.

2025년 첫 달 공장?

ESA 계획에 따르면, 2025년까지 운영 파일럿 시스템이 달에서 사용될 정도로 프로세스가 충분히 무르익어야 한다. ESA 재료 연구 책임자인 토마시오 기디니(Tommasio Ghidini)는“ESA와 NASA는 유인 임무를 통해 달로 돌아 오고 있다. 그래서 우리는 현장에서 달의 자원을 체계적으로 사용하는 데 집중한다."고 강조했다.

Lomax는 다음과 같이 덧붙였다.
“현지 자원으로부터 산소를 얻는 것은 호흡과 로켓 연료의 현지 생산 모두에서 달 기지의 미래 거주자에게 막대한 이점이 될 것이다. 액체 수소와 산소의 조합은 다음과 같은 발사기의 일반적인 연료이다. 아리아네 5호는 물론 NASA 또는 아폴로 로켓 토성-V에서 우주 왕복선을 추진했다.

출처 : European Space Agency (ESA)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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