[사이언스카페] 달에도 고속도로 깔리나, 레이저로 월면토 굳히기 성공

독일 연구진, 레이저 이동하며 달 토양 표면 연속 굳혀
포장도로 만들면 날카로운 달 먼지 피해 운송 가능

달의 포장도로와 착륙장 상상도. 레이저로 달 복제토를 녹여 단단한 포장재를 만들 수 있다는 연구 결과가 나왔다./Liquifer Systems Group

미국 우주기업 스페이스X가 추진하고 있는 '달 기지 알파 (Moon Base Alpha)' 상상도./스페이스X

레이저로 달의 토양을 녹여 포장도로와 로켓 착륙장을 만들 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 인류가 반세기 만에 유인(有人) 달 탐사를 재개하면서 우주복과 장비를 손상하는 날카로운 달 먼지가 문제가 됐다. 포장도로를 만들면 먼지 피해 없이 이동할 수 있어 큰 도움이 될 수 있다.

독일 연방재료시험연구원의 얀스 군스터(Jens Günster) 교수와 알렌대 기계공학재료과학과의 미란다 파테리(Miranda Fateri) 교수 연구진은 13일 국제 학술지 ‘사이언티픽 리포트’에 “이산화탄소 레이저로 유럽우주국(ESA)이 개발한 인공 월면토(月面土)를 녹여 단단한 유리 상태로 만드는 데 성공했다”고 밝혔다.

◇달 복제토 녹여 포장용 타일 만들어

미국은 1972년 아폴로 17호 이래 중단됐던 유인 달 탐사를 아르테미스 프로그램으로 재개했다. 과거와 달리 우주인이 달에 잠시 머물다 오는 것이 아니라 우주기지를 세워 장기 체류시킬 계획이다. 달을 화성 같은 심우주 탐사를 위한 전진기지로 삼겠다는 포석이다.

독일 연구진은 달 토양을 우주기지를 세울 재료로 쓰기 위해 사장석과 감람석, 휘석 등으로 인공 월면토를 만들었다. 바로 달 복제토이다. 달 기지를 세우려면 현지 재료를 활용해야 한다. 지구에서 건설자재를 실어 나르면 비용과 시간을 감당하기 어렵다. 달 토양을 건설자재로 쓰기 위해 달 복제토를 만들어 연구하는 것이다.

레이저로 인공 월면토를 녹여 단단한 삼각형 구조를 만든 모습. 이 구조를 타일처럼 이어 붙이면 포장도로를 만들 수 있다./독일 연방재료시험연구원

연구진은 인공 월면토에 12㎾(킬로와트) 출력의 레이저를 쏘았다. 온도가 섭씨 1200도까지 올라가자 워면토가 녹으면서 콘크리트와 비슷한 압축 강도를 가진 검은색 유리 같은 구조로 변했다고 연구진은 밝혔다.

이번 실험에는 다양한 강도와 폭의 레이저 빔이 동원됐다. 연구진은 실험에서 레이저 빔 경로를 교차하거나 겹치면 월면토 표면이 굳다가 균열이 발생한다는 사실을 확인했다. 연구진은 최종적으로 지름 45㎜ 레이저 빔을 사용하여 약 250㎜ 크기의 속이 빈 삼각형 모양을 만들었다. 연구진은 삼각형 타일을 서로 맞물리면 달에 도로 역할을 할 수 있는 단단한 표면을 만들 수 있다고 밝혔다.

파테리 교수는 “달 토양으로 도로 포장재로 만들면 달에서 운송이 더 쉬워질 것”이라고 밝혔다. 연구진은 앞으로 같은 방식을 달의 로켓 착륙장이나 발사대에도 사용할 수 있는지 알아볼 계획이다.

연구진은 이번에 레이저를 사용했지만, 달에서는 햇빛을 모아 같은 효과를 낼 수 있다고 밝혔다. 돋보기로 햇빛을 모아 종이를 태우는 것과 같은 원리이다. 독일 연구진은 별도 전원이 필요한 레이저 대신 지름 1.5m 렌즈로 햇빛을 모아 같은 효과를 낼 수 있다고 추산했다.

레이저로 인공 월면토를 가열해 만든 소결 타일들. 삼각형 구조물을 이어 붙이면 도로 표면을 단단하게 만들 수 있다./Scientific Reports

◇유인 탐사 장애물인 달 먼지 문제 해결

아르테미스 달 탐사가 성공하려면 과거 아폴로 탐사에서 문제가 됐던 달 먼지(moon dust) 문제를 해결해야 한다. 지구의 흙은 대기와 마찰로 둥글게 닳지만, 달은 대기가 없어 사방이 뾰족한 형태다. 달은 중력이 지구의 6분의 1에 불과해 대기가 거의 없다.

게다가 태양에서 날아오는 고에너지 입자 때문에 달의 먼지는 강력한 정전기를 띤다. 어디든 쉽게 달라붙을 수 있다는 말이다. 이 상태로 탐사 장비나 우주복에 달라붙으면 심각한 손상을 유발할 수 있다. 달 먼지를 피해 우주인과 물자를 수송하려면 현지 재료로 만든 포장도로가 필요하다. 과학자들이 인공 월면토를 연구하는 것도 이 때문이다.

국내에서도 한국건설기술연구원 신휴성 박사 연구진이 독자적으로 인공 월면토를 개발했다. 연구진은 레이저 대신 전자레인지에 쓰는 마이크로파로 온도를 올려 인공 월면토 벽돌을 만들었다. 도자기 굽듯 온도를 올려 단단하게 만드는 소결(燒結)을 한 것이다.

국내 연구진이 마이크로파로 인공 월면토를 소결해 만든 블록./한국건설기술연구원

건설기술연구원은 인공 월면토로 채우고 달 탐사장비를 시험하는 대형 지반열진공챔버도 갖추고 있다. 신휴성 박사는 “올해부터 월면토에 직접 마이크로파를 쏘아 표면을 소결하는 연구를 시작했다”며 “한국원자력연구원과 지면을 따라 이동하며 소결할 수 있는 장비도 개발하고 있다”고 말했다.

독일 연구진은 별도 전원이 필요한 레이저 대신 렌즈로 햇빛을 모으면 같은 효과를 낼 수 있다고 제안했다. 하지만 신 박사는 “우리도 햇빛을 집적해 인공 월면토를 직접 소결시키는 실험을 해봤지만 힘들다는 결론을 내렸다”며 “돋보기를 이동하면서 온도를 균일하게 올리고 월면토를 녹여 소결시키기 힘들다”고 밝혔다. 전자레인지와 돋보기 중 누가 먼저 달에 고속도로를 깔아줄지 미래 달 기지가 기대된다.

참고 자료

Scientific Reports, DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-42008-1

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