화성에서 살 수 있는 방법이 있다?

화성에서 살 수 있는 방법이 있다?

대학생신재생에너지기자단 21기 심찬우

 

[에어로겔(areogel) 이란?]

1931년 미국의 화학공학자 스티븐 키슬러가 처음 발견한 '에어로겔'은 손가락으로 압력을 가하면 유리처럼 깨질 정도로 강도가 약했다. 에어로겔은 2003년 우리나라 이강필 공학 박사가 설립한 회사 '아스펜'이 세계 최초로 실용화에 성공하면서 본격적으로 활용되기 시작했다. 에어로겔은 독일어로, 영어로는 '에어로젤'이라 불린다.

[자료 1. 에어로겔 ]

출처 : 이웃집 과학자

에어로겔은 공기를 의미하는 ‘aero’와 3차원의 입체구조를 의미하는 ‘gel’이 합해진 단어다. 에어로겔은 최대 99.8% 미세한 빈 공간(공기)으로 되어있다. 에어로겔의 나머지 0.2%를 구성하는 물질로는 실리콘, 탄소, 산화알루미늄 등이 있다. 즉 내부가 액체가 아닌, 기체로 채워져 있는 형태의 고체 물질이며, 반투명의 형태인 에어로겔 고체는 만져보면 스티로폼과 비슷한 느낌이라고 한다. 에어로겔은 실이 엉켜있는 나노 구조 덕분에 자기 무게의 2,000배를 견디며 1,000도가 넘는 열에도 변화가 없으며 방수 능력 또한 우수하다. 즉 열, 전기, 충격에 강하고 방음과 단열이 뛰어난 소재이고 내부가 기체이기 때문에 기존 재료보다 무게가 10분의 1밖에 안 된다. 가볍고 강하기 때문에 극한 환경을 견뎌야 하는 특수복 소재로 많이 쓰이는데 예를 들어 불을 견디는 방화복, 추위를 견디는 방한복, 우주복 등 활용 분야가 다양하다.​

 

[에어로겔 제조 방법]

[자료 2. 에어로겔 제조 방법 ]

출처 : 굿모닝 KEPCO

에어로겔을 만들기 위해서는 먼저 산소와 규소가 결합한 이산화규소(SiO2, 실리카) 겔을 만들어야 한다. SiO2 겔을 만들기 위해서는 위의 그림에서 보이는 것처럼 규소와 산소를 기본구조로 가지고 있는 TMOS* 또는 TEOS**, 메탄올, 물, 암모니아 정량을 넣고 젓는다. 충분히 저어주고 나면 TMOS 또는 TEOS 물과 반응해 SiO2 겔이 만들어진다.

* TMOS(Tetramethlyl Orthosilicate)는 Si(규소)와 결합한 O(산소)에 CH3(메틸기)가 결합된 구조다.

** TEOS(Tetraethyl Orthosilicate)는 Si(규소)와 결합한 O(산소)에 에틸기(CH2CH3)가 결합된 구조다.

겔이 만들어진 후 발생한 불순물은 에어로겔을 만드는데 필요한 건조과정을 방해할 수 있다. 따라서 겔을 추가 가공하기 전에 정제하는 '에이징(aging)' 과정이 필요하다. 겔에 깨끗한 메탄올을 붓고 며칠을 기다리면 불순물이 제거된다.

위 과정을 통해 만들어진 겔은 우리가 흔히 볼 수 있는 젤리라고 생각하면 된다. 겔은 젤리와 같이 고체처럼 형태를 유지하고 있지만, 그 속에 액체 성분이 있다. 마지막으로 이 겔 속에 들어있는 액체를 제거하기 위해 ‘초임계 건조(Super critical dry)’라는 방법이 사용되는데 이 초임계 건조 방법은 겔의 구조를 수축시키지 않고 액체를 제거할 수 있다. 겔을 액체 상태의 이산화탄소에 넣고 건조 기계를 통해 고온, 고압 상태를 가해주는 것이다. 이때 이산화탄소는 ‘초임계 유체*’ 상태가 된다. 초임계 유체상태가 된 이산화탄소는 메탄올이 있던 자리에 들어가게 된다. 건조 용기를 상온, 상압 상태로 낮춰주면 이산화탄소는 기체로 날아가고 그 자리에 공기가 유입되어 공기 부피가 99.8%인 에어로젤이 만들어진다.

*초임계 유체 : 모든 순수 물질은 액체와 기체가 구분되는 임계점을 가지고 있고 이 임계온도와 임계압력보다 높은 온도에서 존재하는 물질의 상태를 초임계 유체라고 한다.

[자료 3. 폐플라스틱을 활용한 에어로겔 제조 방법]

출처 :  한화 공식 블로그

2018년에 싱가포르 국립대 연구팀이 PET 폐플라스틱을 연소시켜 탄소만 남기는 탄소화 처리 후 실리콘 소재를 코팅하여 에어로겔을 만드는 공정을 개발하였다. 이 공정을 거쳐 만들어진 에어로겔은 600℃ 이상 열기를 견디며 기존에 사용되던 내열 소재보다 10분의 1 수준으로 가벼워 소방관의 방화복 소재로 적합하다. 버려지는 의류 폐기물을 사용해 쉽게 압축할 수 있고 물에 담갔을 때 원래 부피의 97%까지 바로 회복되는 ‘코튼-에어로겔’도 만들 수 있다. 버려지는 폐기물로 에어로겔을 만들 수 있기에 미래의 신소재로 더욱 각광받고 있다. 

 

[테라포밍 Mars를 위한 방법]

화성 개척을 소재로 만들어진 보드게임으로 유명한 테라포밍 Mars가 이젠 현실로 바뀔 수 있는 신기한 연구 결과가 나왔다. 하버드 대학과 NASA의 제트 추진 연구소, 에든버러 대학의 연구진들은 실리카 에어로겔을 이용해 인간이 화성 표면 지역에 거주할 수 있다는 연구 결과를 제시했다. 이들은 모의 실험을 통해 2~3cm 두께의 실리카 에어로겔 보호막이 광합성에 충분한 가시광선을 투과하고 위험한 자외선이나 방사선을 차단하며 내부 열원 없이도 물이 얼지 않을 정도로 온도를 높일 수 있다는 것과 화성 표면이 받는 태양 빛과 같은 정도의 램프 빛만으로 표면 온도를 65도까지 끌어올리는 결과를 얻었다. 이에 연구원은 "실리카 에어로겔은 단열효과가 뛰어나 오랫동안 한 지역을 따뜻하게 유지하기 위해 많은 양의 에너지나 움직이는 부품의 유지보수가 필요하지 않다"라고 말했으며 화성 표면을 모방한 모델링과 실험을 통해 이 물질의 얇은 층이 화성의 중간 위도의 평균 온도를 지구와 같은 온도로 증가시킨 사실을 입증했다. 즉 화성에서 거주용 돔이나 독자적으로 생물이 살 수 있는 공간을 만드는 것이 가능하다는 것을 입증하며 일론 머스크도 역시 화성 탐사 프로젝트를 위해 에어로겔에  관심을 보이고 있다.

 

[생의학 분야]

에어로겔은 낮은 밀도, 높은 다공성 및 기공 구조를 조절하는 능력으로 인해 에어로젤은 약물 및 활성 생체 분자의 로딩을 위한 이상적인 나노/마이크로 구조가 된다. 그 결과 이러한 다공성 물질의 치료 효능에 대한 시험관 내 및 생체 내 연구의 수가 최근 몇 년 동안 상당히 증가했으며 계속해서 큰 관심 분야가 되고 있다. 

[자료 4. 에어로겔 사용에 따른 생의학 응용의 장점]

출처 :  Science Direct

현재까지 에어로겔과 관련된 생물 의학 응용 분야에는 약물 전달, 재생의학, 상처 치유, 바이오 센싱, 이식장치가 포함되며 다양한 유형의 진단 도구도 포함된다. 하지만 생체 내 데이터성능과 안전이 제한 되는데 연구에 따르면 폴리머 기반, 실리카 기반 및 일부 하이브리드 에어로젤은 일반적으로 안전한 것으로 간주되지만 대부분의 에어로겔 유형에 대한 급성, 아급성 및 만성 독성에 대한 자료가 부족하여 쥐, 토끼, 돼지 등 동물을 생체 내 모델로 설정하고 연구가 이루어지고 있다. 미래에는 에어로겔을 이용하여 신경 재생, 뼈 재생, 피부 관리 등 많은 생의학 분야에서 혁신이 일어날 것으로 전망된다.

 

[결론]

폐기물을 사용하여 에어로겔을 만들 수 있으며 단열이 뛰어난 특성을 이용하여 건축 분야에서 많은 에너지를 절약할 수 있다. 뿐만 아니라 에어로겔 다겹보온커튼, 에어로겔페인트, 에어로겔 블랑켓 단열재 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 하지만 약한 기계적 성질,  비싸고 복잡한 공정, 소재에 따른 발암물질 분류 등 단점이 존재하기에 아직은 연구가 많이 필요한 상황이다. 여러 종류의 물질을 통해 다양한 에어로겔이 만들어질 수 있는 만큼 앞으로 어떤 변화가 일어날지 기대가 된다.

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1. "리그닌 : 나를 골칫거리로 보지 마세요.", 20기 서범석, 22기 정의희,  22기 홍세은, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3852

2. "완벽에 가까워지는 꿈의 신소재 '그래핀", 20기 김원경,  https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3473

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참고문헌

1) 강예람, "세상에서 가장 가벼운 고체 '에어로겔', 어떻게 활용할 수 있을까?", 굿모닝 KECPO,  2022.08.03, https://blog.naver.com/PostView.naver?blogId=goodmorningkepco&logNo=222838264952&redirect=Dlog&widgetTypeCall=true&topReferer=https%3A%2F%2Fsearch.naver.com%2Fsearch.naver%3Fsm%3Dtab_hty.top%26where%3Dnexearch%26query%3Dtmos%2Bteos%26oquery%3D%25EC%2597%2590%25EC%2596%25B4%25EB%25A1%259C%25EC%25A0%25A4%26tqi%3DhJR6VsprvToss5hPKwhssssssTw-523472&directAccess=false

2) 김진솔,  "고체인데 공기가 99.8%… 너의 이름은?", 이웃집 과학자,  2018.06.05, http://www.astronomer.rocks/news/articleView.html?idxno=85828 

3) 한화토탈에너지스, "공기를 품은 차세대 신소재, ‘에어로젤’", 2020.12.22, https://www.chemi-in.com/499

4) R. Wordsworth, L.Kerber & C.Cockell, "Enabling Martian habitability with silica aerogel via the solid-state greenhouse effect", 898–903, 2019.

5) TâniaFerreira-Gonçalvesa, CarolinaConstantinbcMonicaNeagu 외 4명, "Safety and efficacy assessment of aerogels for biomedical applications", Science Direct, 0753-3322, 2021.