연구자들은 '달 기지'를 어떻게 건설하려고 하는가?

연구자들은 '달 기지'를 어떻게 건설하려고 하는가?

인류는 1969년에 발사된 아폴로 11호에 의해서 첫 달 착륙을 하고, 그 후에도 몇 차례의 달 착륙을 실현시켜 왔다. 예산 등의 문제로 1972년 발사된 아폴로 17호를 끝으로 인류는 달 착륙을 하지 않고 있지만, 트럼프 전 대통령이 달 기지 건설을 지시하는 등 달 기지 건설계획이 가시화되고 있어 연구자들은 기지 건설을 위해 다양한 구상을 하고 있다.

How to build a Moon base
https://www.nature.com/articles/d41586-018-07107-4

독일 쾰른 근교에는 유럽우주기구(ESA)가 건설한 1000㎡가 넘는 '인공 달 표면'이 있다. 몇 백만유로를 들여 건설된 이 시설의 프로젝트 매니저이자 우주비행사인 마시아스 마우러는 달에 관한 기술을 테스트하기 위한 흥미로운 장소라고 말했다.

마우러는 2018년 기준으로 48세인데 "정년퇴직을 맞이하기 전에 저는 달을 걸을 수 있을지도 모른다는 희망을 버리지 않았다"라고 말했었다. 사실 2017년 트럼프 전 대통령이 '달 기지 건설'을 지시하는 등 세계적인 조류는 그동안 "비용이 너무 많이 든다"며 꺼렸던 달 착륙이나 달 기지 건설을 하는 방향으로 나아가고 있다.

세계적으로 달 개발에 대한 관심이 높아지고 있다고는 하지만 향후 몇 년간은 달 표면에 도착하는 것은 로봇만이 할 것으로 보인다. 중국과 인도, 러시아는 2020년대 초반까지 우주탐사용 장치를 발사할 예정이며 NASA와 ESA, 러시아와 일본우주기구는 2020년대 중반까지 달 주회 궤도상에 우주정거장을 발사하는 계획을 추진하고 있으며, 미국은 2018년 이후 NASA의 우주개발에 5년간 27억달러의 자금을 투입할 방침이다.

또 연구자들은 달에서 우주개발에 필요한 자원을 채굴하는 방법에 대해서도 연구를 진행하고 있다. 연구자들 중에는 달 얼음에서 귀중한 에너지 저장매체인 산소와 수소를 꺼내 우주 급유소로 만들겠다는 생각을 가진 사람도 많다고 한다. 콜로라도광산대학 항공과학 교수인 조지 소워즈는 물은 우주공간에 기름이며 달 표면에는 경제적으로 이용 가능한 양의 물이 있다는 증거도 발견됐다고 말한다.

아폴로계획에 의한 달 착륙이 이루어지던 당시는, 착륙한 사람들의 증언이나 채집한 샘플에 의해 「달의 표면은 건조한 불모의 땅이다」이라고 하였다. 그런데 최근 들어 달의 표면에는 바위에 섞여 얼음이 존재한다는 증거가 발견되면서 기존의 생각을 재검토하고 있다. 인도가 2019년 발사를 예정이었는 찬드라얀 2호와 러시아가 2022년 발사를 계획하고 있던 루나-27 같은 탐사선은 달 표면의 얼음과 물에 대한 탐사를 진행할 것이라고 한다.

소워즈에 따르면 4명이 거주하는 월면기지를 건설할 경우 1년간 필요한 물의 양은 수천t에 이르는 것으로 알려졌다. 그러나, 소워즈는 「최근의 데이터로부터 추측하면, 달의 극지에는 100억톤의 물이 존재하고 있다고 생각할 수 있다」라고 말해, 달에서 우주비행사가 필요한 물을 조달할 수 있을 가능성이 있다고 하고 있다. 소워즈는 달에 채굴되는 물의 대부분은 산소와 수소로 분리돼 연료로 사용될 것이라고 생각한다. 달의 중력은 지구보다 적기 때문에 지구보다 달을 발사지점으로 장거리 우주비행을 하는 것이 훨씬 저렴한 비용으로 우주비행이 가능하다고 한다.

달에서 물을 채취한다는 계획에서 문제가 되는 것이 채취에 필요한 에너지의 확보다. 얼음은 매우 한랭한 기후인 달의 극지에 집중해 존재하는 것으로 알려져 있지만, 굴착기계로 땅을 파내려면 열과 에너지가 필요하다. 그래서 연구자들은 햇빛을 크레이터 상단에 설치한 거울에 반사시켜 반사광을 굴착기계에 쏘아 태양에너지를 이용할 계획을 세우고 있다. 또 채취한 물은 태양광 발전한 전기를 이용해 수소와 산소로 분리해 연료전지의 에너지나 굴착기계 추진제로 이용할 수 있다는 것이다.

얼음을 채취하기 어려운 경우에도 달 표면에는 풍부한 자원이 존재하고 있다. 레고리스라고도 하는 달 표면의 퇴적층에는 실리카와 금속산화물이 포함되어 있다. 레고리스 질량 중 무려 43%는 산소라고도 하며, 달 표면 곳곳에 있는 레고리스에서 산소를 꺼내 에너지로 이용 가능하다. 부산물로 희귀금속을 축출할 수도 있을 것 같다.

한편 레고리스에서 산소를 추출하기 위해서는 얼음을 가열하는 것보다 많은 양의 에너지가 필요하다. 과학자들은 태양광을 거대한 거울로 모아 화로의 표면을 달궈 레고리스를 900도 이상으로 달궈 산소를 추출하는 방안을 고려하고 있다고 밝혔다. 2010년에 하와이에서 행해진 실험에 의해 이 프로세스가 실행 가능하다고 증명되고 있으며, 마우러는 「원리적인 문제는 증명 완료되었으며, 수년 이내에 준비가 갖추어질 것이다」라고 말한다.

또 달 표면의 얼음이나 레고리스에서 에너지를 빼내지 못할 경우에도 과학적인 실험을 위해 전진기지가 건설될 전망은 있다고 마우러는 생각한다. 경제적인 문제에서 시간이 걸릴 수도 있지만 남극의 기지건설 등과 마찬가지로 순수한 학술적 흥미에서 계획이 실행될 것이라고 마우러는 말했다. 달에 기지를 건설함으로써 달 연구가 비약적으로 진보하고 달의 크레이터를 조사함으로써 태양계 형성시스템이 밝혀지거나 달 표면의 지질학적 조사를 할 수 있을 가능성이 있다.

달의 대기와 운석 등으로부터 우주비행사의 몸을 보호하기 위해 달에는 셸터가 되는 건조물이 필요하다. 달에 존재하는 천연구멍이나 절벽 같은 지형을 이용하는 방안도 있는 반면 독일항공우주센터에서는 레고리스에서 벽돌을 만들어내 건조물을 만들 수 있는 연구를 진행하고 있다. 레고리스 가루를 퇴적시킨 시트에 1000도 이상의 열을 주는 것으로 굳히고 3D프린터처럼 시트를 퇴적시켜 돌멩이와 같은 정도의 강도를 가진 벽돌을 만들어 낼 수 있다는 것이다.

마우러는 월면 기지 건설에 대해 아마도 기술적인 욕구가 아니라 정치와 경제적인 힘에 의해 추진될 것이라고 생각한다. "그 요소들이 양립할 경우 인간이 달에 반영구적으로 생활하는 것도 불가능하지는 않다"라고 마우라는 말했다.