Korean J. Mineral. Petrol. Vol. 34, No. 1, p. 83~93, 2021 https://doi.org/10.22807/KJMP.2021.34.1.83
달 표면 산소 분포 및 산소 추출 기술 소개
김경자*
한국지질자원연구원 국토지질연구본부
Introduction to Lunar Oxygen Distribution and
Its Extraction Technology
Kyeong Ja Kim*
Geological Research Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, 124 Gwahak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34132 Korea
요 약: 2024년 미국항공우주국은 아르테미스 유인 달 탐사를 계획하고 있으며, 2030년대에는 미국을 비롯 해 주요 국가들은 인류가 1개월 이상의 장기적인 유인 활동을 추진하기 위한 관련 핵심기술을 개발하고 있 는 실정이다. 이러한 계획과 더불어 가장 우선시하여 고려되는 것은 달 현지자원 활용이며, 반드시 필요한 자 원은 생명유지를 위한 물과 산소자원이라고 할 수 있다. 이러한 자원은 지구에서 가져가는 것이 아니라 달 표면 현지에서 확보해 활용하는 것이 가장 경제적이며, 달 기지 건설 및 향후 화성으로 진출하기 위한 추진 체의 연료로 활용할 수 있는 점에서도 산소자원의 채굴 및 활용방안에 대한 국제적인 연구개발은 활발히 진 행되고 있다, 본 논문은 달 표면에서의 산소의 분포 및 산소 추출에 대한 대표적인 방법을 소개하고자 한다. 핵심어: 달 자원, 달 기지, 현지 활용, 산소 추출
Abstract: NASA has a plan for the Artemis manned lunar mission in 2020. In 2030s, not only America but also other countries are considering to prepare for human to stay on the Moon at least for a month and necessary technology is currently being developed. With this plan, the mostly considered thing is lunar in-situ resource utilization. The most essential resources could be water and oxygen for sustain human life on the Moon. These resources are not supposed to be brought from the Earth, and it is economically sensible if they are obtained from the lunar surface. Because oxygen can be used as both oxidizer and propellent when a rocket departs from a lunar base directly to Mars, technology for extraction method of oxygen resource and its utilization has been being developed worldwide. This paper introduces oxygen distribution on the Moon and major oxygen extraction methods.
Keywords: Lunar Resources, Lunar base, In-situ Utilization, Oxygen extraction
서
언
지금까지 조사된 달 표면에서의 산소 함량은 약 40-45(wt%) 정도이며, 2009년에 발사된 LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter)/LCROSS(The Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) 달 탐사 미션 의한 결과들은 인류가 극지역에서 정착했을 때 활용할
수 있는 충분한 물이 있는 것으로 확인되었으며 (Colaprete et al., 2010), 달의 먼지와 대기를 연구하 기 위해 추진된 LADEE(Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) 미션 결과는 달의 천부지하 어디에나 소량의 물이 있는 것으로 확인되었다. 특히 극지방에는 물 뿐만아니라 여러 가지 활성물질들이 다 량 존재하고 있는 것으로 알려졌다(표 1) (Gladston et al., 2010). 극지방에 축적되어 있는 활성물질들은 혜성이나 소행성이 이 지역에 부딪치면서 잔해들이 계속 축적된 것으로 확인되고 있으며, 활성물질이나 *Corresponding author Tel: +82-42-868-3669 E-mail: kjkim@kigam.re.kr
희귀금속 등을 포함한 얼음물이 충분히 있는 것으로 확인되었다. 달 표면 산소자원은 대표적으로 생명유 지나 추진체 연료, 산화제로 쓰일 수 있으며, 산소 현지자원활용(In-Situ Resourece Utilization) 기술개발 은 매우 중요하다고 여기고 있다.
달 표면 산소자원과 추출
연구개발 소개
달 표면 산소 함유량에 대한 조사는 아폴로 달 프 로그램에서 지구로 가져 온 시료 383 kg을 통해 보다 정밀한 조사가 이루어 졌으며, 원격탐사로 얻어진 광 물지도나 원소지도를 통해서도 산소의 양에 대한 연 구 결과가 나와 있다. LCROSS 충돌지점인 Cabeus 분화구 지역에는 여러 종류의 휘발성물질이 존재하며 이들 대부분은 산소를 포함하고 있다. 극지의 휘발성 물질들은 영구동토에 유입된 것으로 달이 생성된 이 래 1 mm/10억년 정도의 물질이 승화되는 것으로 밝 혀져 이곳에 축적된 물질은 생성 이후 그대로 존재하 는 것으로 조사됐다. 반면 기타 지역에서는 극지처럼 외부 물질의 유입을 보존하기가 어려우나 태양풍으로 날아오는 원자들이 일메나이트 같은 광물에 더욱 많 이 축적되어 있어서 달 토양에서의 산소의 추출은 가 능한 것으로 알려졌다. 달 표면에서 산소추출법으로는 Hydrogen Reduction of Ilmenite(HRI), Carbothermal Reduction of Silicates (CRS), Molten Regolith Electrolysis(MRE)가 대표 적인 방법으로 잘 알려져 있다. MRE는 토양을 1,900 K 이상에서 용융한 후 산소가스를 음극에서 액 체 금속을 양극에서 생산하는 방식이며 HRI와 CRS 가 합쳐진 기술로 가스를 리사이클링 하거나 물을 전 해질로 사용하지 않으며 철, 규소, 알루미늄, 유리질 물질 생산이 가능하다. 현재 개발된 시스템은 반응로, 전력시스템, 제거시스템, 산소저장, 액화시스템과 토 양 채굴 및 주입 시스템이 일원화된 ISRU 시스템이 다. NASA가 개발한 이 시스템은 약 1,400 kg ISRU 시스템은 년간 10,000 kg 산소를 생산이 가능한 것으 로 추정되었다. 산소 7 kg은 시스템 질량 1 kg을 1시 간 반응으로 얻어진다. 용량이 큰 반응로의 경우는 52일 이내에 2,200 K에서 산소 ~2,500 kg/년 생산이 가능한 것으로 추정하고 있다(Schreiner et al., 2015) 기타 연구를 살펴보면, Allen et al. (1996)은 달 토 양과 화산쇄설유리를 1,000-1,050oC에서 3시간 가열 해, 산화철에 수소를 가하는 환원반응으로 철과 물을 얻은 후 산소를 전기분해로 얻어냈으며 시료의 약 5%까지의 산소를 얻어냈고, 철 함량과 산소의 획득은 비례하는 것으로 확인되었다. Lomax et al., 2020은 모사토를 ~950oC로 가열하고 CaCl 2를 전해질로 사용 해 52시간 반응으로 산소를 96%까지 추출하였으며, 금속 혼합체들은 Al/Fe, Fe/Si, Ca/Si/Al alloy로 구 분해 추출이 가능하며 70-150 µm 크기 입자일 때 산 소추출이 5.9%(wt)이다. 달에서의 산소추출은 생명유지 뿐만아니라 추진체 의 산화제로도 사용될 수 있기 때문에 달에서 다시 지구로 또는 화성으로 떠나는 경우의 산소자원의 현 지 활용이 더욱 관심을 끌고 있는 실정이다. 따라서 달에서의 산소 추출 및 저장과 활용 기술의 발전은 달이 화성으로 진출하기 위한 전진기지로서의 역할을 충분히 담당할 것으로 기대하고 있다. 2030년대에 인 류가 달에 영구적인 기지를 건설하려는 계획이 추진 되고 있는 실정에서 달 표면에서의 산소자원 추출은 보다 현실에 가까운 그리고 새로운 미래를 향한 도전 적인 기술발전을 이루는 첫 걸음을 디디게 할 것으로 전망한다.Table 1. Abundance derived from spectral fits of NIR (Colaprete et al., 2010, Gladstone et al., 2010)
Compound Molecules cm-2 % Relative to
H2O(g) Compound Molecules cm
-2 % Relative to H 2O(g) H2O 5.1(1.4)E19 100% CO2 1.1(1.0)E18 2.17% H2S 8.5(0.9)E18 16.75% CH3OH 7.8(42)E17 1.55% NH3 3.1(1.5)E18 6.03% CH4 3.3(3.0)E17 0.65% SO2 1.6(0.4)E18 3.19% OH 1.7(0.4)E16 0.03% C2H4 1.6(1.7)E18 3.12%
In Soil 10,000 kg soil (%) In Soil 10,000 kg soil (%) In Soil 10,000 kg soil (%)
달 표면 산소 자원 활용
달 표면 산소 함량 달 표면에서의 산소의 함량은 지역적으로 크게 차 이가 없는 것이 특징이다. 그림 1은 달 표면의 산소 는 바다지역이나 고원지역에서도 약 45%정도인 것으 로 대략적으로 유사하다. 상세한 연구결과를 보면 달 표면 현무암대(Mare)과 고지대(Highland)의 경우 산소 의 함량은 각각 60.3±0.4와 61.1±0.9(atom%)로 고지대 가 약간 높은 정도이며 달 표면 평균은 60.9(atom%) 인 것으로 알려져 있어 달 전체적으로 산소의 양은 크게 다르지 않은 것을 알 수 있다(Turkevich, 1973). 아폴로 귀환 시료 18개와 루나 프로그램 시료 3개 를 조사한 결과 산소의 함량은 규소의 함량과 유사하 게 크게 지역별 차이가 없는 것으로 나타났다(그림 2). 산소의 함량은 그림 2에 나타난 바와 같이 21개 달 귀환시료에서는 달 표면산소 함량이 약 40%에서 45%정도의 함량분포를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서 달 표면의 산소는 어느 지역에 기지 를 건설하더라도 유사한 양을 달 토양에서 얻을 수 있음을 전망할 수 있다. 달 극지 자원 함량미국의 LCROSS(Lunar Observation and Sensing Satellite)와 LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter)의 달 탐사는 2009년 6월에 발사되었으며, LCROSS의 남극분지 캐비우스(Cabeus)에 충돌한 결과로 얻어진 새로운 결과에 따라 향후 인류가 달의 극지방의 물을 포함한 여러 휘발성 물질들을 현지자원으로 사용할 수 있다는 결론을 가져다 주었다. LCROSS/LRO 미
Fig. 1. Oxygen content of lunar samples (Spudis 2020F).
션으로 밝혀진 달 극지자원은 물을 포함한 휘발성 물 질의 발견이 무엇보다 중요한 결과로 조사되었으며, 이러한 극지자원에서 산소를 포함한 여러 화합물의 정보는 향후 인류가 생명유지와 현지에서 활용될 추 진체 연료를 확보하는 점에서 보다 필수적으로 활용 될 자원으로 보고 있다. 표 1에 나타난 바와 같이 LCROSS 충돌지점인 Cabeus 분화구 지역에는 여러 종류의 휘발성물질이 존재하며 이들 대부분은 산소를 포함하고 있다. 그러나 극지의 휘발성물질과는 달리 다른 지역의 달 표층에서의 휘발성 물질의 조성은 다 소 차이가 있다. 달 극지의 경우는 영구동토 지역에 서 발견된 휘발성 물질들은 혜성이나 소행성 등의 충 돌에 의한 물질의 축적으로 보고 있으며, 영구동토의 경우 달이 생성된 이래 1 mm/10억년 정도의 물질이 승화되는 것으로 밝혀져 외부로부터 유입되는 물질은 그대로 존재하는 것으로 조사되었다. 반면 기타 지역 은 달의 중력이 약하고 온도가 높은 지역이 많으며, 이들 지역에서는 태양풍으로 날아오는 기체들이 일메 나이트 같은 광물에 더욱 많이 축적되어 존재할 것으 로 보이며, 산소의 추출도 달 표면 토양에서 추출이 가능할 것으로 전망한다. 달 귀환시료의 예를 들면, 달 표면의 산소의 양은 지역마다 큰 차이를 보이지 않는 것으로 알려져 있으며, 아폴로 17 착륙지점에서 는 다양한 시료를 채취한 이류로 약간의 차이가 뚜렷 이 보임을 알 수 있다. 그림 3과 표 1은 LCROSS가 달 표면에 충돌하면사 분출된 분진을 LAMP(Lyman Alpha Mapping Project)와 NIR(Near Infrared) 분광 기로 각각 분석한 결과들을 보여 주고 있다(Gladstone, et al., 2010). 달 표면 극지방의 산소의 함량은 기타 지역의 토양 성분에서 얻어지는 함량과 크게 다를 것을 짐작할 수 있다. 달의 극지 지역의 자원의 기원은 혜성이나 소 행성이 달 극지방에 충돌했을 때 극저온환경에서 이 들 물질이 유입되면 승화되지 않고 거의 대부분 얼어 서 축적되고 있다는 것을 달 극지방의 환경상 그 특 성을 이해할 수 있다(Paige et al., 2010). 표 1에서 보는 바와 같이 산소는 대부분 물이나 탄소, 그리고 황 화합물 형태로 존재함을 알 수 있다. 또한 이러한 산소자원의 축적은 영구동토지역에서 더 높게 나타날 것이며, 이러한 이유로 산소자원을 활용하기 위해서 는 최적지를 먼저 찾는 게 중요하다. 달 극지방의 표 면 토양에서 얻어지는 산소와 함께 수소나 황을 포함 한 휘발성 물질은 추진체 연료나 다른 용도로 활용될 수 있는 장점이 있어 극지방의 현지 자원활용은 보다 매력적인 상황이다. NASA는 2024년을 아폴로프로그램 이후 첫 번째로 다시 유인미션인 Artemis를 계획하고 있다. 이 때에 는 1개월간의 장기 체류를 계획하고 있으며, 우주비 행사 두명은 달에서 현지자원추출 실험을 수행하게 된다. NASA는18명의 달로 갈 수 있는 2020년 12월
우주비행사 이름들을 발표하였다. 달 남극지역은 여 러 풍부한 자원을 활용할 수 있는 장점이 있어서 2024년 Artemis는 이 지역으로 가지만 구체적인 장소 는 아직 알려지지 않았으며, 관련학자들은 착륙후보 지 연구를 하고 있는 상황이다. 최근 LADEE 미션 결과에 따르면 달 표면 상부 지하층에는 적은 량의 물이 어디나 있는 것이 확인되었으며, 이러한 이유로 달 표면에서 물이나 산소자원을 추출하는 것을 기준 으로 한 착륙지 선정은 이미 배제되고 있는 상황이며, 인류는 달 어디에나 착륙하여 기지를 건설할 수 있다 는 의견을 NASA도 표명하고 있는 실정이다. 달 토양에 존재하는 산소의 기원 달 표면에 존재하는 산소는 달 지각을 구성하고 있 는 암석 성분에 기인 한 것(1)과 외부에서 유입이 된 산소를 고려 할 수 있다. 태양계가 형성되고, 달과 지 구는 거의 비슷한 시기에 생성된 것으로 보고 있다. 달은 초기에는 대기가 있었던 것으로 알려지고 있고, 자기장도 있었던 것으로 알려져 있다(Needham and Kring, 2017). 지구와 상호인력으로 안정된 궤도에서 지구를 공전한 이래로 연속적으로 태양풍의 영향을 받아왔으며 태양풍입자(solar particle)들은 대부분이 양성자와 전자과 무거운 입자들을 포함하고 있으며 연속적으로 달 표면에 축적되었으며(2), 특히 일메나 이트는 태양풍입자가 보다 오래 머물게 되는 것이 밝 혀졌으며(Johnson et al., 1999), 이러한 이유는 결정 구조나 입자의 크기와도 관련이 되어 상대적으로 많 은 태양풍 입자들이 축적된 것으로 확인되었으며 (Becker, 1977), 이와 유사하게 태양풍 입자 주입 모 사실험에서도 감람석이 석영보다 상대적으로 더 양성 자 입자 주입이 용이했던 것이 확인되었다(Schaible and Baragiola 2014). 다른 외부로 부터의 산소의 유 입은 거대한 소행성의 충돌이나 혜성, 그리고 아주 작은 마이크로 운석의 끊임없는 달 표면으로의 유입 이 달 표면의 산소의 기원으로 확인되었다(3). Benna et al., 2019는 LADEE 미션 기간 중에 운석충돌에 의해 분사되는 분진을 조사해 본결과 달에서의 물의 순환에 대한 관찰이 LADEE 탑재체인 NMS(Neutral Mass Spectromter)를 통해서 이루어졌다고 밝혔다. 달 표면 토양에서는 태양풍에 의한 수소가 토양층에 머물다가 산화철에 의해 환원이 되어 물로 형성되고 이 물은 더 깊은 곳으로 스며들었다가 이 물이 토양 표면층으로 다시 확산 되는데, 이때 운석의 충돌에 의해 물은 달 표면 위로 분사되게 되고, 이때 물은 지표 위에서 소실되거나 다시 달 토양으로 축적되는 과정을 반복하는 현상을 관찰 했고 이러한 발견으로 달 표면에 물은 천부지하에 어디나 존재할 수 있다는 것을 증명하였다. 이러한 발견은 인류가 물을 달 표 면 어디에서나 적은 양이지만 얻을 수 있으며 인류는 심부 지하에서 오래전에 형성된 물 저장고가 있는 것 을 활용할 수 있다는 전망을 하였다(Benna et al., 2019). 그림 4는 아폴로 귀환시료 12045로 일메나이트 현 무암이다 표면은 많은 구멍들이 있으며 이는 미세운 석들이 충돌해서 생긴 구멍들이다. 이 암석은 감람석, 휘석, 장석, 규산염 등이 주성분이며 화학성분을 자세 히 살며보면 표 2와 같다(Neal et al., 1994). 달 표 면에 일메나이트가 많은 지역은 티타늄과 철분성분이 많은 지역을 가리킨다. 표 2는 SiO2가 낮으며, FeO
와 TiO2가 높으며 MgO가 높은 점이 특징이다. FeO
가 존재하는 달 토양에서 태양풍입자인 H가 유입이 되면, FeO는 H에 의해 환원작용이 일어나며 물이 형 성되어 달 표면 토양에 존재하게 되는 것이 달 표면 에서 일어나는 현상이며, 달 기지에서 인위적으로 일 Fig. 4. Photo of Lunar ilmenite basalt sample (12045)
(Meyer, 2011).
Table 2. Composition of ilmenite basalt lunar sample, AP 12045 (Meyer, 2011)
산화물 SiO2 TiO2 Al2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 S Total Weight (%) 42.3 4.78 8.06 22.09 0.29 11.63 9.09 0.26 0.07 0.09 0.09 98.75
메나이트를 가열하고 수소를 제공하면 달 표면에서 물을 얻을 수 있으며, 이 물을 전기 분해하면 산소를 얻을 수 있다. 이 실험은 달 유인 탐사에서 수행될 실험 중의 하나이다.
달 표면에서의 산소 추출 방법의
대표적 예
수소 환원 방법 달 표면에서 산소 추출에 대한 연구는 오랫동안 진 행되어 왔었다(Aiken 1906). 최근 들어 달에 기지를 건설하려는 계획이 확실시 되면서 여러 가지의 관련 기술에 대한 참고 논문들이 출판되었으며 이 중에 Schlüter Cowley 2020은 산소 추출에 대한 기술을 잘 정리하고 있는 리뷰 논문이다. 이 논문에서 소개 된 여러 가지 산소 추출 방법 중 대표적인 방법을 소개하면, 수소환원 방법이며, 이 방법은 2024년 아 르테미스 유인 탐사에서 실제로 산소 추출에 대한 실 험을 적용할 것으로 알려져 있다. 그림 5에서 보는 반응의 시작은 수소가 산화철을 함유한 광물 예를 들 면 일메나이트 광물과 반응하여 물과 철을 형성하는 반응에서 기초를 둔다. 물과 수소는 분리되고, 수소는 다음 환원반응을 위해 재사용되고, 물은 전기분해 되 어 산소를 분리해 내는 데 활용되고 이때 나온 수소 는 다시 리사이클 되도록 하는 반응이다. 이 방법은 달에서 물을 생산하는 방법으로 특히 일메나이트를 가열해서 물을 생산해야 하며 수소가 반응을 위해 필 수적이다. 따라서 일메나이트가 풍부한 지역에서만 활 용될 수 있는 방법으로 고원지역에서는 활용 될 수 없다. 이때 물과 수소는 약 섭씨 500oC 정도면 수소 환원 반응이 시작되고 약 1400oC까지 산소는 점진적 으로 증가되어 전체 가스 양으로 보면 이시점에서 약 25% 이상의 산소가 발생하고, 수소는 약 75%를 차 지하는 것으로 나타나 있다(Shomate et al., 1946; Bale et al., 2016). 달 토양과 화산쇄설유리질 시료 를 사용한 실험에서 산소 추출의 양은 철(Fe2+ wt%) 의 함량과 비래하며 약 20%의 철의 함량일 경우 약 5%의 산소(wt%) 생산이 가능한 것으로 확인되었다 (Allen et al., 1996). H2 + FeTiO3 ↔ H2O + Fe + TiO2 (1) 극지의 경우, 산소 추출의 방법 미국의 유인 탐사선이나 일본/인도, 중국 등 여러 나라의 달 착륙 후보지역은 극지방에 관심도가 집중 되어 있는 실정이며, 이러한 이유는 극지방에서의 자 원활용 가능성이 풍부한 이유 때문이기도 하다. 따라 서 극지역의 분화구 지역 영구 동토를 가열하며 산소 뿐만아니라 여러 화합물들을 동시에 추출해서 용도에 따라 사용할 수 있다는 기대가 큰 이유 때문이다. 표 3은 LCROSS가 달 남극분지 Cabeus에 충돌 된 후 생성된 분진을 조사한 LAMP의 분석결과이며, 물의 양을 기준으로 발견된 화합물의 양을 상대적으로 비 교해 두었다(Colaprete et al., 2010, Gladstone et al., 2010). 표 1에 나타난 바와 같이 달 극지역 영구 동토에 서는 물과 산소 뿐만아니라 기타 화합물의 활용도 추 출 분리하여 활용 되는 것이 보다 용이할 것으로 보 이며, 기타 달 지역에서는 확보하기 어려운 현지 자 원 활용이 가능한 것이 특징일 것으로 보인다. 따라 서 이러한 지역에서의 산소 추출은 동토를 200oC로 가열하는 것(대기압 기준)이다. 동토는 수산화광물들 로 간주할 때 이들 광물들은 얼음과 결합되어 있으며, 얼음을 가열하면 이들 광물은 분리되는 것으로 간주 한다. LCROSS 충돌 지역에서의 동토는 5.6±2.9% (Colaprete et al., 2010) 물을 함유하는 것으로 확인 되었고, 1 kg의 산소를 물을 가열해 얻기 위해서는 13.2에서 41.3 kg 가열하면 얻을 수 있으며 이때 필 요한 에너지는 0.995에서 3.118 kWh의 에너지가 필 요한 것으로 물이 5.6%가 함유한 동토를 가정하면 20 kg 가열에 필요한 에너지는 1.509 kWh로 계산되 었다. 또한 수증기는 산소를 얻기 위해서는 전기분해 Fig. 5. Hydrogen reduction of iron oxide for oxygen가 필요하므로 다시 액화 시키는 쿨링시스템이 필요 하며, 이러한 시스템에 필요한 전기는 31.07 Wh가 필 요할 것으로 1 kg 수증기를 200oC에서 50oC로 변환 시키는데 필요한 에너지는 산소 1 kg 당 34.98 Wh가 필요한 것으로 계산되며, 1 kg 산소를 얻기위해 물을 전기분해하면 4.12 kWh 에너지가 필요한 것으로 계 산되었다(Schluter and Cowley, 2020). 그림 6은 극 지방에서 고려할 수 있는 동토를 가열해 기체들을 분 리시키고는 방법을 보여 주며, 분리된 물은 전기분해 하여 산소를 얻게 된다. 영구동토 지역에서 산소추출 에 필요한 총에너지는 동토가 함유한 물의 함량과 다 르게 계산 되며, 물이 2.7, 5.6, 8.5%를 함량한 동토 의 경우에 필요한 총에너지는 8.88, 7.10, 6.52 kWh 인 것으로 확인되었다(Schluter and Cowley, 2020). 달 토양 용융 전기분해에 의한 산소 추출 방법 달 토양을 용융시킨 후 전기분해 과정을 통해 산소 를 추출하는 방법은 오랫동안 연구해온 방법 중에 하 나이다. 전기분해과정에서는 음극에서 환원이 이루어 지고 양극에서는 산화과정이 진행된다. 토양으로부터 광물들은 음극에 집적되고, 산소는 양극에서 발생하 게 된다. 양극 쪽으로는 음이온인 O2-가 용융된 토양 을 통하여 이동하게 되고, 양극성을 띠는 금속들은 Men+로 음극에서 환원이 되며 액체 또는 고체 형태의 금속이 형성된다(Kesterke, 1970). 이러한 방법으로 용융된 규소 bath에서 산화철의 탈산솨 과정을 처음 으로 보여주고 특허를 등록한 것은 Aiken 1906에 의 해서 알려졌다. 이과정은 토양에서 산소를 추출해 내 는 원리로 처음으로 응용된 것은 Kesterke, 1970에 의해서였다. 이 방법에 의한 산소 추출의 양은 아래 와 같은 식으로 표현된다(Curreri et al., 2006) (2) 여기서 는 산소 추출 양이고, 는 전류 효율, F 는 패러데이 상수이며, z는 분자의 밸런스 전자 수 이며, 산소(z = 4, O2)의 경우는 4이며, I는 전류이다. Curreri et al., 2006에 의하면 산소용해전기분해방법 은 Fe3O4와 JSC-1 달 모사토를 사용하고 SiO2, B2O3 와 Na2O 0.72:1:1 비율로 섞어서 전해질을 추가한 경우에, 1200oC에서 100 W 전력으로 2.4 kg에 해당 하는 전기화로를 사용해서 125.7 g의 산소를 추출해 내었다(Curreri et al., 2006). 토양을 용융하는 것은 화학적으로 격렬하며, 반응로 벽의 부식을 막기 위한 주의가 요구되며, 전기분해는 코어가 녹은 곳에서만 일어나고, 바깥쪽은 고체로 남아있고, 반응로 벽과도 단열이 잘 되어야 한다. 전극은 높은 전기전위를 가 지는 양극 표면에 원자 산소가 형성되는 화학적으로 강렬한 용융된 토양에 깊이 잠긴 전극은 고온인 1600oC에서 2000oC를 견딜 수 있어야 하기 때문에, 전극은 귀금속들이 쓰이며, 이리듐, 몰리브덴, 또는 백 금이나 전도성 있는 세라믹 물질들이 사용 된다 (Schreiner et al., 2015). mO2 MO2 zF ---It = mO2
Fig. 6. Method for a volatile extraction process with water and other volatiles as detected by LCROSS (Schlüter and Cowley 2020).
Fig. 7. Method of the molten regolith electrolysis pro-cess (Schlüter and Cowley 2020).
달 표면에서의 산소 자원의 활용을
위한 여러 단계
달 표면 현지에서 산소를 추출해 활용하는 것은 인 류가 달 표면에서 보다 장기적인 체류를 원한다면 반 드시 고려해야 하는 현지 자원 활용 기술 중의 하나 이다. 달에서 산소를 추출하기 위해서는 선행되어야 할 것은 먼저 선정된 착륙지에서 (1) 전기 및 열에너 지 생산을 위한 시스템을 갖추고 (2) 달 상부층 토양 을 굴착하고 이동하는 시스템, (3) 달 토양에서 물을 추출하기 위한 반응로 (4) 추출한 산소를 저장할 수 있는 시스템과 (5) 저장된 산소를 모아 두고 활용하 기 위한 저장고와 이를 연결해 활용할 수 있도록 하 는 산소 제공 시스템으로 볼 수 있을 것으로 본다. NASA는 달 표면 산소 활용은 생명유지와 추진체에 필요한 산화제로 활용하는 것을 주요 활용 목적으로 보고 있다. 그림 10은 달 표면에서 산소자원을 현지 에서 추출 활용하는 활동을 요약한 그림이다. 그림 10 Fig. 8. Example of cooperative work scheme for oxygen extraction of lunar ilmenite on the Moon.과 같이 달 표면 산소의 현지활용을 위해서는 여러 단계의 과정과 이와 관련된 기술이 요구된다. 한국지질자원연구원은 향후 우리나라의 달 기지 건 설과 연결되는 달에서의 산소 자원 활용에 대한 기획 연구를 추진하였으며 이와 관련해 협력이 가능한 출 연연을 표시해 보았다. 현 시점에서는 구체적으로 어 느 산소 추출 방법이 선택되거나 새로운 방법이 고안 될지는 모르는 상황이지만 달 표면에서의 산소 자원 활용을 위한 프로젝트는 여러 기관의 정부출연연구원 들의 협력이 요구된다고 할 수 있다. 각 정부출연연 구원의 역할 분담을 고려해 협력하고 있는 기관들은 로봇 자동화 시스템, 열과 전기 에너지 생산, 산소 추출, 산소의 저장 활용, 우주방사선 차폐에 대한 고 려, 건설 재료의 활용 등 기관별 전문분야 특성을 고 려한 지속적인 연구협력을 추진할 수 있을 것으로 전 망한다. 이러한 노력은 향후 우리나라가 독자적으로 달 기지를 건설하기 위해 필수적인 산소자원의 현지 자원 활용 프로젝트 수행을 가능케 할 것으로 전망한 다.
ESA(European Space Agency)는 ESA의 달 착륙 프로젝트와 관련한 달 착륙 후보지들을 발표하였으며 이들 지역은 달의 남극지역과 그 주변지역으로 지구와
잘 교신이 되는 고산지역들도 후보지로 선정하였다. ISECG(International Space Exploration Coordination Group)는 국제적으로 추진되는 달 미션에 대한 요약 보고서를 발행하였다. 그림 12는 2020년 현재부터 2030년 중반 까지 계획된 달 미션 시나리오를 보여 주고 있다. 이 그림에서 우리나라는 달 궤도선인 KPLO을 2022년에 그리고 2030년 까지 달 착륙선 발사에대한 제3차 우주개발진흥계획에 대한 내용도 포함되어 있다. 2010년 초에 달 탐사 1단계가 기획되 었으며, 2022년 8월에 KPLO는 발사를 예정으로 추 진되고 있으며, 우리나라의 시험용 달 궤도선은 착륙 선들의 활동이 잦아지는 즈음에 달 궤도에서 달의 극 지를 관찰하고, 달 표면 자원을 조사하는 역할은 과 학적 임무를 수행한다. 또한 2030년 달 착륙선에 대 한 기획이 시작되는 현 시점에서 우리나라의 달 착륙 선은 현재 유인미션과 달 현지자원활용 중심의 국제 달 미션 시나리오의 추세에 맞는 과학 및 기술검증의 설정과 이를 위한 준비가 필요한 때라고 할 수 있다.
토
의
지금까지 달 표면에서의 산소추출 기술은 여러 가 Fig. 10. ISECG Lunar Mission Scenario (ISECG 2020).지 핵심기술이 개발되었다. 2024년 유인탐사 후에 강 조될 분야는 달 현지자원 활용이며 산소자원의 추출 에 대한 달 표면에서의 적용과 시연 탑재체 개발이 필요한 시점이므로, 달 기지 건설과 산소자원의 활용 에 대한 연구에 심혈을 기울일 때이다. 달 표면에서 의 산소 추출 방법은 크게 착륙지역을 극지방과 그 외 지역으로 나누어 볼 때 그 방법이 크게 다르므로 이를 구분하여 산소추출장치를 개발하는 것이 필요하 다. 달 어느 지역에서나 물은 소량이라도 존재하여 그것을 활용할 수 있으며, 또한 산소 추출시에 생성 되는 산소와 더불어 물, 수소 등 활성기체들과 고체 부산물들의 활용은 현지에서 필요한 생명유지, 로켓 추진체 연료 및 산화제, 농업, 건설재료 등으로 나열 할 수 있다. 약 10년 후에 세워질 달 기지건설이지만, 2020년대에 들어서 반드시 실험실에서 달 표면에서 로봇을 활용하거나 인간이 현지에서 거주하면서 현지 지원활용을 위한 탑재체를 시연하고 향후 적용가능성 을 검증해야 하는 것을 실질적으로 고려해야 한다. 2030년 이내에 우리나라는 달 착륙선 프로그램을 수 행할 것을 계획하고 있는 상황이다. 우리나라도 향후 장기적인 달 착륙선 프로그램 기획과 우리나라의 독 자적인 달 기지건설 계획에 맞추어 실험실에서의 달 모사토양의 구현 및 이를 활용한 산소추출과 관련 시 스템을 구성하는 것은 급선무 중의 하나로 볼 수 있 으며, 여러 출연(연)의 협력으로 이러한 연구는 진행 되어야 할 것이며 정부와 산학연 관계기관들의 관심 을 당부하고 싶다.
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본 연구는 2020년 한국지질자원연구원 자체사업 (20-7606)과 달 탐사용 감마선 분광기 개발(20-6801: 2016M1A3A9913307) 프로그램의 일환으로 추진되었 습니다.REFERENCES
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Review started January 12, 2021 Accepted March 23, 20201 [ 저 자 정 보 ]
