달에서 건물 어떻게 짓지? "방법 공개"
달에서 건물 어떻게 짓지? "방법 공개"
  • 함예솔
  • 승인 2019.05.06 10:05
  • 조회수 4921
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몇몇 국가들과 민간 기업이 향후 수년 내에 달 표면에 기지를 세우는 임무를 계획합니다. 그런데 달에는 건물을 지을만한 마땅한 재료가 없어 보이는데요. 과학자들은 어떻게 달 위에 건물을 짓겠다는 걸까요? 

달에 건물지을때 재료 뭐쓰지? 출처: fotolia
달에 건물 지을 때 재료는 뭘 쓰지? 출처: fotolia

유럽우주국(ESA), 달 먼지로 벽돌 만든다

 

울퉁불퉁한 달 표면은 '레골리스(regolith)'라고 불리는 미세한 먼지로 덮여 있습니다. 달의 토양은 규산염으로 이뤄진 현무암질로 구성되는데요. 이는 화산이 있는 행성에서 흔히 볼 수 있는 특징입니다. 달과 지구는 지질학적으로 공통적인 역사를 공유합니다. 때문에 지구에서 용암이 흐른 곳에 남겨진 물질들은 달 표면의 물질과 유사합니다.

달의 먼지를 이용해 벽돌로? 출처: ESA
달의 먼지를 이용해 벽돌로? 출처: ESA

지난해 8월 20일, 유럽우주국(ESA)는 달의 먼지를 이용해 벽돌을 만들 수 있다는 아이디어를 제시했는데요. 연구진들은 달의 먼지가 어떻게 벽돌을 만들어낼 수 있는지 알아보기 위해 독일의 도시 쾰른 근처의 4500만 년 전 분화한 화산의 물질들을 분석했습니다. 연구진은 이 물질을 유럽우주국의 유럽우주인훈련센터(European Astronaut Centre,EAC)의 이름을 따서 'EAC-1'라고 명명했는데요. ESA 관계자에 따르면 이 화산 분말들은 달 표면의 먼지와 비슷하다고 합니다.

 

단, 달 표면에 있는 먼지들은 지속적으로 방사선의 폭격을 받기 때문에 전기적으로 하전돼 있다고 하는데요. 이 때문에 이 먼지 입자들은 표면 위로 떠오를 수 있습니다. 과학자들은 여전히 달 먼지의 정전기적 성질에 대해서 더 많은 이해가 필요하다고 말합니다.

 

연구진은 달 먼지의 움직임을 재현하기 위해 방사선 환경을 만들었습니다. 연구진은 간신히 입자들을 활성화시키기는 했지만 달 표면에서의 특성은 사라졌다고 합니다. 이는 연구진들에게 한 가지 과제를 더 던져주는데요. 우리가 만약 달의 먼지로 벽돌을 만들어 건물을 지을 경우 방사선이 완전히 깨끗하게 제거된 샘플이 필요하다는 점니다. 

달의 먼지로 집 짓는다면 이런 모습일까? 출처: ESA/Foster + Partners
달의 먼지로 집 짓는다면 이런 모습일까? 출처: ESA/Foster + Partners

한편, 연구진들은 달의 먼지를 이용해 또 다른 연구를 진행 중이라고 하는데요. 달의 토양의 약 40%는 산소로 이뤄져있습니다. 이에 EAC 프로젝트의 연구원들은 우주비행사들이 달에 머무는 시간을 연장할 수 있도록 달 먼지 안에서 산소를 추출할 수 있는 방법을 연구 중이라고 합니다.  

레골리스(regolith)를 재료로 3D프린팅 기술을 사용해 만은 세라믹 부품. 출처:ESA–G. Porter
레골리스(regolith)를 재료로 3D프린팅 기술을 사용해 만은 세라믹 부품. 출처:ESA–G. Porter

이후 2018년 11월 14일, ESA는 달의 레골리스(regolith)를 재료로 3D프린팅 기술을 사용해 만은 세라믹 부품을 공개했는데요. 이는 달 기지를 건설할 때 달의 먼지가 어떻게 사용될 수 있는지 보여줍니다.

 

연구진은 다양한 종류의 산화물과 산화규소, 알루미늄, 칼슘, 산화철 등으로 이뤄진 레골리스 원료를 이용했습니다. 입자 크기로 체질된 레골리스 토양을 빛에 반응하는 결합제(binding agent)와 섞어 층별로 내려놓은 다음, 빛에 노출시켜 굳게 합니다. 그 결과 인쇄된 부품은 오븐에 넣어 소결(sinter)시킵니다. 

 

ESA의 재료엔지니어 Advenit Makaya는 "이 부품들은 지금까지 레골리스 모조품을 이용해 만든 물건 중 가장 정교한 인쇄 해상도를 지니고 있다"며 "이는 높은 수준의 인쇄 정밀도와 이러한 아이템 사용의 사용 범위를 넓힐 수 있다는 것을 보여준다"고 전했습니다. 덧붙여 "만약 달 기지에서 부서진 부품을 교체하기 위해 도구나 기계 부품을 인쇄해야 한다면 인쇄된 물품의 치수와 모양에 관한 정밀성이 필수적일 것"이라고 말했습니다. 

 

전복 껍데기의 진주층(narcre) 모방한 합성 물질 

전복 껍데기의 진주층(narcre) 모방한 합성 물질. 출처: Lindsey Valich, University of Rochester
전복 껍데기의 진주층(narcre)을 모방한 합성 물질. 출처: Lindsey Valich, University of Rochester

가장 강력한 합성 물질은 종종 자연에서 착안해 모방한 물질인데요. 최근 <Small>저널에 게재된 연구에 따르면 로체스터대학교 연구진들은 전복 껍데기와 진주에서 발견되는 유별나게 질긴 물질인 진주층(narcre)에 주목했습니다. 무지개 색을 띠는 전복 껍데기의 진주층(narcre)은 탄산칼슘과 유기물이 교대로 겹겹이 쌓인 구조입니다. 이때 키틴과 같은 유기물이 접착제 역할을 해 판상의 탄산칼슘을 고정시키고 전복 껍데기의 강도를 향상시킵니다.

 

그런데 로체스터대학교 생물학자들이 전자 현미경으로 박테리아로 인해 생성된 층을 이루는 구조를 보았고 이 구조가 진주층(narcre)과 유사하다는 것을 발견합니다. 

층층이 쌓아보아요. 출처: 전복 껍데기의 진주층(narcre) 모방한 합성 물질
층층이 쌓아보아요. 출처: Lindsey Valich, University of Rochester

이에 로체스터대학교 생물학자들은 저렴하고 환경 친화적인 방법으로 박테리아를 이용해 인공적인 진주층(narcre)을 만들었습니다. 연구진은 이를 위해 결정화된 탄산칼슘 층을 끈적끈적한 중합체와 교대로 얇게 만들었습니다.

 

이를 위해 연구진은 먼저 유리 혹은 플라스틱으로 만들어진 슬라이드를 박테리아가 들어있는 비커에 넣었습니다. 이 비커에는 칼슘을 공급하는 스포로사르시나(Sporosarcina pasteurii)란 박테리아와 우리의 소변 속에 들어있는 요소(urea)가 들어있었습니다. 이 조합은 탄산칼슘을 결정화시킵니다. 

 

또한 연구진은 폴리머층을 만들기 위해 슬라이드를 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis)란 박테리아가 들어있는 용액에 넣고 비커를 인큐베이터에 놓습니다. 그러면 하루 뒤 탄산칼슘과 중합체가 대략 5㎛의 두께로 층층이 쌓이게 됩니다.

 

연구진이 개발한 인공 진주층(narcre)은 자연 상태의 진주층(narcre)과 동일하게 매우 질겼는데요. 동시에 뻣뻣했습니다. 놀라운 점은 인공적으로 만든 진주층(narcre)은 심지어 구부릴 수 있었습니다. 따라서 인공적으로 만들어진 이 합성물질은 의학, 공학, 심지어 달 위의 건물을 짓는 데 응용될 수 있습니다. 

박테리아는 달 필수템

 

연구진이 개발한 인공 진주층(narcre)은 생체적합성(biocompatible)의 특징을 보입니다. 또 이 물질은 웬만한 플라스틱보다도 더 질기고 튼튼하며 가볍습니다. 또 박테리아만 있으면 만들 수 있어 복잡한 기구들이 필요하지 않습니다. 특히 인공 진주층(narcre)으로 코팅하면 화학적 분해나 풍화에 강하다고 합니다. 

탄산칼슘은 이런 모습~ 출처:  Lindsey Valich, University of Rochester
탄산칼슘은 이런 모습. 출처: Lindsey Valich, University of Rochester

따라서 연구진이 개발한 인공 진주층(narcre)은 달이나 화성에 기지를 건설할 때 이상적인 물질일 수 있다고 합니다. 달의 먼지인 레골리스(regolith)에는 이미 칼슘이 풍부하게 들어있습니다. 따라서 우주비행사가 박테리아만 가져간다면 우주비행사의 소변에서 나온 요소를 활용해 유별나게 질긴 물질인 인공 진주층(narcre)을 만들어낼 수 있을 겁니다. 

 

로봇이 달 기지 건설

일본우주항공연구개발기구(JAXA)이 생각하는 달 기지 건설모습. 출처: JAXA
일본우주항공연구개발기구(JAXA)이 생각하는 달 기지 건설 모습. 출처: JAXA

한편, 달에 건물을 세우려면 오랜 시간이 걸릴 텐데요. 달에는 대기도 없고 기온도 몹시 변덕스럽습니다. 따라서 우주비행사가 직접 달 표면에서 장시간 작업하기엔 무리가 따를 것 같은데요. 다행스럽게도 일본우주항공연구개발기구(JAXA)에서는 로봇을 이용한 달기지 건설을 위한 프로젝트를 진행하고 있습니다.

 

지난 3년간 이 프로젝트에는 일본우주항공연구개발기구(JAXA)과 건서로히사 카지마(Kajima Corp)그리고 교토대학, 시바우라공대, 일본 도쿄 소재 국립대학교인 전기통신대학이 참여했습니다. 최근 일본에 오다와라 시에 카지마 세이쇼 실험장(Kajima Seisho Experiment Site)에서 자동화 건설에 관한 실험이 실시됐습니다. 

이런 모습일까? 출처: JAXA
이런 모습일까? 출처: JAXA

7t에 달하는 자율 굴착기는 특정 거리를 주행하고 일상적인 작업을 반복하는 등의 절차를 거쳤습니다. 좀 더 세밀한 작업이 필요한 부분은 사람이 직접 원격제어를 통해 수행했습니다. 이를 통해 무인 기술을 이용한 달 기지 건설의 실현 가능성을 조금이라고 엿볼 수 있게 됐습니다. 드디어 인류가 달에 기지를 건설하는 모습을 우린 가까운 미래에 볼 수 있을까요?

 

 


##참고자료##



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