[사이테크+] "달 토양서 물 추출→물과 CO₂를 산소·연료물질로 전환 성공"

中 연구팀 "달 토양 자체 광열촉매 반응으로 CO₂+물→CO+산소+수소 전환"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 중국 연구진이 햇빛과 열을 이용해 달 토양에서 물(H₂O)을 추출하고 달 토양의 광열 촉매 반응으로 물과 이산화탄소(CO₂)를 연료 제조나 우주비행사 호흡에 필요한 산소(O₂)와 수소(H₂), 일산화탄소(CO)로 바꾸는 데 성공했다.

달 토양의 물과 이산화탄소를 산소·수소·일산화탄소로 바꾸는 광열반응 설명 그림 중국 연구팀은 햇빛과 열로 달 토양에서 물을 추출하고 토양의 광열 촉매 반응으로 물과 이산화탄소를 산소와 수소, 일산화탄소로 전환하는 데 성공했다. 달에서는 밤에는 기온이 영하 173℃까지 떨어지고 낮에는 햇빛에 가열돼 127℃까지 치솟는다. [Joule / Sun et al. 제공. 재판매 및 DB 금지]

중국 홍콩선전중문대 루 왕 교수팀은 17일 과학 저널 줄(Joule)에서 달 토양에서 물을 추출하는 과정과 광열(photothermal) 촉매 반응으로 물과 이산화탄소를 산소, 수소, 일산화탄소 등으로 바꾸는 과정을 통합한 공정을 개발했다고 밝혔다.

왕 교수는 "물 추출과 토양의 광열 촉매 반응을 통합, 에너지 이용 효율을 높이고 기반 시설 개발 비용과 복잡성을 줄일 수 있게 됐다"며 이는 물과 연료 같은 필수 자원을 지구에서 운반할 필요성을 줄여 향후 심우주 탐사에 새 가능성을 열 수 있다고 말했다.

세계 각국 우주 기관들은 수십 년 동안 달을 우주탐사 전초기지로 활용하는 구상을 해 왔으나 유인기지를 유지하기 위한 물 같은 자원을 공급하기 어렵다는 점이 현실적 걸림돌이 돼 왔다. 연구팀은 우주비행사 한 명이 하루 약 15ℓ의 물을 쓰는데, 이를 지구에서 가져가려면 약 4억6천만원이 든다고 설명했다.

연구팀은 달 탐사선 창어 5호(Chang'E-5)가 싣고 돌아온 달 토양 표본을 분석해 물이 존재한다는 것을 확인하고, 달 토양에서 물을 추출하고 이를 이산화탄소와 함께 유용한 물질로 전환하는 광합성과 같은 반응을 모색했다.

이들은 이전에 개발된 달 토양에서 물을 추출하는 전략은 에너지를 많이 소비하는 여러 단계를 포함하고 있었고, 이산화탄소를 연료나 다른 필수 자원으로 분해하지는 않았다고 지적했다.

광열 반응기 바닥에 놓여 있는 창어-5호의 달 토양 샘플. [Joule / Sun et al. 제공. 재판매 및 DB 금지]

연구팀은 이를 위해 햇빛을 열로 전환하는 과정을 통해 토양에서 물을 추출하고, 광열 촉매 반응으로 이 물과 우주비행사가 내쉬는 이산화탄소를 일산화탄소와 산소, 수소로 전환하는 기술을 개발했다.

이들은 창어 5호의 달 토양 표본에서 물 함유 광물로 보고된 일메나이트(ilmenite)의 광열 활성도를 측정하고, 이 물질이 광열 촉매 반응을 통해 이산화탄소를 일산화탄소와 산소로 분해 과정을 밝혀냈다.

이어 달 토양 샘플과 모의 달 토양, 이산화탄소를 광열 반응기에 가득 채운 다음 여기에 광선을 집중시켜 광열 과정을 작동, 물이 추출되고 이어 물과 이산화탄소가 일산화탄소와 산소, 수소로 전환된다는 사실을 확인했다.

달 토양에서 물을 추출하고 물과 이산화탄소를 산소와 연료 물질로 전환하는 과정 중국 연구팀은 햇빛과 열로 달 토양에서 물을 추출하고 토양의 광열 촉매 반응으로 물과 이산화탄소를 산소와 수소, 일산화탄소로 전환했다. 달에서는 밤에는 기온이 영하 173℃까지 떨어지고 낮에는 햇빛에 가열돼 127℃까지 치솟는다. [Joule / Sun et al. 제공. 재판매 및 DB 금지]

연구팀은 하지만 이 방법이 실험실에서 성공을 거뒀지만 극심한 온도 변화와 강력한 방사선, 낮은 중력 등 달의 극한 환경에 기 기술을 적용하기는 여전히 어려운 과제이고 우주비행사 호흡에서 나오는 이산화탄소만으로는 필요한 물, 연료, 산소를 공급하기에 충분하지 않을 수 있다고 설명했다.

왕 교수는 "기술적 한계가 여전히 장애물로 작용하고 촉매 성능도 아직 부족한 상태"라며 "하지만 이런 기술적 장벽과 개발·배치·운영 관련 비용을 극복하는 것이 달의 물을 활용해 우주 탐사를 지속하는 데 중요하다"고 말했다.

◆ 출처 : Joule, Sun et al., 'Inherent lunar water enabled photothermal CO2 catalysis', https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(25)00187-4

scitech@yna.co.kr

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