화성 대기에 산소 생성 성공 인류 첫 걸음

 

화성 하늘에 인류 첫 헬기 운항 성공에 이어 화성에서 산소를 만드는 데도 성공했다.

나사(NASA)가 화성에서 임무를 수행하고 있는 탐사선 퍼서비어런스(Perthaviarans)에 탑재된 산소 생성기를 이용해 화성 대기에서 산소를 만들어내는 데 성공했다고 발표했다.

 

NASA 제트 추진 연구소의 기술자들이 화성 산소 현지 자원 활용 실험 (MOXIE) 장비를 로버 내부에 설치. [출처: NASA / JPL-Caltech]

 

나사는 20일 화성 분화구에서 이뤄진 막시(MOXIE) 실험에서 생산한 산소량은 시간당 10g이지만 장비 설치 및 움직이는 과정으로 인해 5.37g을 생성했다. 이는 우주 비행사가 약 10분간 호흡 할 수 있는 양이다. 

엄밀히 따지면 화성 대기에서 산소를 추출하는 것이다. 고열과 전기분해를 이용, 화성 대기에서 이산화탄소를 분리해 산소를 생성하는 MOXIE 실험 장비에 의해 만들어졌다. 

나사는 이를 '현지 자원 활용 기술'(ISRU, In-Situ Resource Utilization)이라고 부른다. 즉 달과 화성에 얻을 수 있는 자원에서 우주 비행사 생존에 필요한 자원이나 우주 기지 건축 자재 등을 생산하는 기술을 추진하고 있다.

나사는 “우주 비행사 4명이 화성에서 귀환하기 위해 로켓 연료 7톤(t)과 산소 25톤이 필요하다. 지구에서 화성까지 25톤 산소를 운반하는 것이 어렵기 때문에, 25톤의 산소를 생산할 수 있는 무게 1톤의 막시(MOXIE)를 보내는 것이 훨씬 경제적이고 실용적이다”라고 말했다.

2시간 가열 후 MOXIE는 시간당 6g의 속도로 산소를 생산하기 시작했다. 기기 상태 평가로 실행 중에 속도가 두 번 감소했다. 1시간 작동 후 생성된 총 산소는 약 5.4g이다.

2020년 7월 20일에 발사 2021년 2월 18일 화성에 도착한 퍼서비어런스는 화성 유인 탐사를 목적으로 화성 대기에서 산소를 생성하는 실증 실험 장비 막시(MOXIE)라는 ISRU가 탑재되어 있다. 

화성 대기는 이산화탄소가 9%, 산소는 0.13%다. 지구와 거리가 멀기 때문에 장기 임무수행에서 사용하는 모든 산소를 지구에서 운반하는 것은 거의 불가능하다. 유인 화성 탐사 시에는 산소 현지 생산은 필수이기 때문에 이번 막시 실험이 중요하다.

이번 퍼서비어런스에 탑재된 막시(MOXIE)는 화성 대기에서 회수한 이산화탄소를 800℃까지 가열해 전기분해로 산소와 일산화탄소를 분리하고 산소만 추출하는 시스템이다. 크기는 23.9 × 23.9 × 30.9cm, 무게는 17.1kg이다.  

 

막시 가동은 300W의 전력이 필요하다. 퍼서비어런스의 전력 생산량과 전력 용량으로 볼 때 1개월당 몇 시간밖에 사용할 수 없다. 예상 산소 생성량은 시간당 10g으로 인간 생존에 필요한 산소는 시간당 최소 20g이 필요하다. 

또 지구로 귀환하는 데 필요한 혼합 연료에 산소가 3만 ~ 4만 5000kg 산소가 필요하다. 따라서 만일 장기 임무에서 사용하는 전체 산소를 현재 MOXIE에서 생산하려면 최소한 현재의 100배 크기 막시(MOXIE)가 필요하다.

이번 퍼서비어런스에 탑재된 막시(MOXIE)는 어디 까지나 산소 생성만을 목적으로 한 실증 실험이다.

NASA Perseverance Mars 탐사선이 로버 로봇 팔에 장착 된 WASTON 카메라로 약 3.9m 떨어진 Ingenuity 헬리콥터를 셀카로 찍었다. [출처: NASA / JPL-Caltech / MSSS]

 

퍼서비어런스는 화성의 생명체 흔적과 고대 환경 조사, 지표의 역사 등을 밝히는 것이 목표다. 특히 중요한 목표는 미래 인류가 화성을 유인 탐사할 때를 대비해 미래의 기지를 건설하는 데 도움을 주는 것으로 인간이 어떤 조건으로 착륙해야 되는지 등을 탐색한다.

퍼서비어런스에 탑재된 페이로드(장비)로는 ▲ FIXL(X선 분광기로, 화성의 흙의 성분을 분석), ▲ RIMFAX(지하 질량 분석 레이다로 10m 이내에 있는 화성 지하의 구성 성분, 물 등을 탐색), ▲ MEDA(화성 날씨를 기록 측정하는 장비로 화성 기온, 풍속, 기압, 화성 먼지 등을 측정, 스페인 국립 연구 위원회 제작), ▲ MOXIE(화성 대기 주요 구성 성분인 이산화탄소를 산소로 바꾸는 장치로 미래에 인류가 화성에 거주하는데 필요한 산소 교환 장치의 시범 가동이 목표), ▲ SuperCam(질량분석기로 화성 간헐천에 있는 미네랄, 산소, 탄소, 질소 등을 발견하고 검출), ▲ MASTCAM-Z(주변 풍경을 줌으로 찍는 게 목적, 말린 우주 센터 제작), ▲ 
SHERLOC(자외선으로 인간이 살기 좋은 곳을 찾는 것이 목표), ▲ Ingenuity(인제뉴어티 드론 헬리콥터는 탐사선의 일종으로 화성의 대기를 자세히 탐사하는 것이 주목표로 하루에 3분, 600m 이상 상공에서 날지 못한다), ▲ 로봇 팔(샘플을 수집하고 탐사 대상을 로버로 끌어오는 등 역할) 등이다.

 

한편 초소형 무인 드론 헬리콥터인 인저뉴어티(Ingenuity)가 비행에 두번이나 성공했다. 지구가 아닌 행성에서 공중 이동체 비행에 성공한 것이 이번이 처음이다, 

인저뉴어티는 지난 19일(현지 시각) 두 날개를 초고속 회전시켜 약 40초 동안 3m 높이까지 상승했다가 다시 내려앉는 1차 비행에 성공했다. 이어 22일(현지 시각) 2차 비행에서는 화성 ’라이트 형제 필드' 지역에서 1차보다 고난도로 이륙해 52초 동안 4.9m 높이까지 올라간 뒤 잠시 호버링하고 기체를 5도 각도로 기울여 2.1m를 옆으로 이동했다.

인저뉴어티는 앞으로 3차례 더 시험 비행에 나설 예정이다. 마지막 5차 비행에서는 최대 한계 높이 600~700m 상공까지 시험할 예정이다. 이는 화성 중력은 지구의 3분의 1이며, 공기는 지구 1% 정도에 불과해 완전히 지구와는 다른 환경이라 다양한 비행 시험이 필요하기 때문이다.