화성에서 산소 생성? 한 발짝 가까워진 화성 이주

화성에서 산소 생성? 한 발짝 가까워진 화성 이주

대학생신재생에너지기자단 24기 이지혜

[화성에서 산소 생성에 성공하다]

[자료 1. 목시(MOXIE)]

출처 : NASA MARS 2020

나사의 화성 무인 탐사 차량 ‘퍼서비어런스(Perseverance)’에 탑재된 산소 발생 장비 ‘목시(MOXIE)’가 모든 실험과 테스트를 마쳤다. 실험은 퍼서비어런스가 화성에 착륙한 뒤 2년간 진행됐다. 목시는 화성에 풍부한 이산화탄소를 산소로 전환하는 방식으로 작동된다. 나사에 따르면 기계는 총 122g의 산소를 생성했는데, 이는 작은 개 한 마리가 10시간 동안 숨 쉴 수 있는 양에 해당한다. 생성 효율이 가장 높을 때는 시간당 12g의 공기를 순도 98%로 생산했으며, 이는 나사의 목표치보다 2배 많은 양이다. 목시는 8월 7일 모든 임무를 완료하고 16번째이자 마지막으로 가동됐다. 마지막 실험에서는 9.8g의 산소를 생성했다. 나사 우주기술임무국 기술시연 책임자인 트루디 코디스는 “미래 탐사 임무를 위해 화성의 현지 자원을 유용한 생산물로 전환하는 목시와 같은 돌파구적 기술을 서포트해 온 것이 자랑스럽다”고 말했다. 

 

[목시의 작동 원리]

지구 대기의 21%는 산소로 구성되어 있는 반면, 화성은 대기의 96%가 이산화탄소로 구성되어 있고 그중 산소는 0.13%밖에 없다. 따라서 화성에서 산소를 활용하고 싶으면 지구에서 가져오거나 직접 만들어야 하는데, 바로 이 작업을 목시가 담당한다. 목시의 구체적인 원리를 공정 순으로 알아보겠다.

[자료 2. 목시 공정 흐름도]

출처 : Science Direct

 

1. 이산화탄소 흡수와 압축(CAC, Carbon dioxide Acquisition and Compression)

CAC는 화성 대기로부터 이산화탄소를 흡수하고 압축하는 단계이다. 화성의 대기에는 먼지가 포함되어 있기 때문에 스크롤 압축기에 들어가기 전에 대기를 여과하는 HEPA(High Efficiney Particulate Air) 필터가 사용된다. 흡수된 대기는 최대 3500PRM으로 작동하는 스크롤 압축기에 의해 약 0.5bar까지 압축된다. 스크롤 압축기 하류에서는 압력 진동을 감쇠하기 위해 체크 밸브가 사용되며, 오리피스 양쪽에 있는 한 쌍의 압력 센서는 유랑을 표시한다.

2. 고체 산화물 전해기(SOXE, Solid Oxide Electrolysis)

[자료 3. SOXE 원리]

출처 : Science Direct

목시는 SOXE(Solid Oxide Electrolyzer, 고체 산화물 수전해기)를 활용한다. 수전해기는 반대로 작동하는 연료전지라고 생각할 수 있다. 연료전지는 연료와 산소의 반응을 통해 전기와 화학적 생산물을 만들어내는 기술이다. 예를 들어, 수소 연료전지는 수소와 산소의 반응을 통해 전기와 물을 생산한다. 앞서 언급했다시피 수전해기는 반대로 작동하는 연료전지이기 때문에, 이 경우 수전해기는 물에 전기를 가해 수전해 반응을 일으켜 수소와 산소를 생산하는 기술이다. 화성에서 물을 활용해 산소를 생산하는 것 또한 좋은 아이디어지만, 실질적으로 화성에서 물을 얻으려면 극지방에 가거나, 땅에 묻혀있는 얼음을 캐서 써야 하기 때문에 어렵다. 이런 이유로 목시는 물 대신 화성에 풍부한 이산화탄소를 활용해야 한다. 따라서 목시는 물과 이산화탄소를 함께 사용하거나 각각 사용해 산소를 생산하는 SOXE를 사용한다. 목시의 SOXE는 이산화탄소만을 활용하며, 공정 순으로 나타낸 구체적 과정은 다음과 같다. 

셧다운 시 뜨거운 가스가 체크 밸브를 손상시켜 압축기로 역류하는 것을 방지하기 위해 역류 가스 냉각기가 사용된다. 역류 가스 냉각기를 지난 공기는 열 교환기를 통해 약 800℃까지 높아진다. 이후 SOXE 스택을 통과하게 된다. SOXE 셀의 고체 전해질은 지르코니아로 만들어진 세라믹 소재이며, 음극과 양극은 니켈 서멧 소재이다. 통과한 이산화탄소는 음극에서 CO와 O2-로 나뉜다. O2-는 전해질을 통해 양극으로 이동한 뒤 전자를 버리고 O2가 된다.

[자료 4. SOXE 알짜 반응식]

출처 : Science Direct

최종적으로, 위와 같은 알짜 반응식을 통해 산소가 생성된다.

3. PMC

PMC는 유량 및 조성 측정치로부터 계산된 변환 효율을 기반으로 유입 가스, 펌프 성능, 전기화학 공정의 상태 및 유출 가스 조성을 모니터링 및 제어하는 단계이다. 또한 스크롤 압축기의 속도, SOXE의 온도와 전류, 산소 순도를 측정 및 제어한다.

 

[목시의 전망과 개선점]

[자료 5. 목시 구조도]

출처 :  NASA MARS 2020

1. 전망

목시를 활용한 나사의 최종 목표는 무엇일까? 나사는 목시를 통해 미래 우주비행사들이 안전하게 거주 및 탐사하고 지구로 돌아오는 것을 목표로 한다. 

지구와 화성은 26개월마다 일직선상에 놓여 화성으로의 우주 비행이 수월해진다. 화성에 우주 비행사 팀을 보낼 때 탐사선, 발전소, 빅목시(Big MOXIE)와 같이 필요한 모든 것들을 한 번의 발사 기회에 보내면, 화성까지 편도 6~7개월이 걸린다. 약 26개월 후, 우주 비행사들을 보내면 우주 비행사들이 여행을 시작하기 전 약 20개월 동안 빅목시가 우주 비행사와 로켓이 발사하기 전에 임무에 필요한 모든 산소를 만들고 저장한다. 이는 곧 빅목시가 현재의 목시가 만드는 6~10g에 비해, 시간당 2,000에서 3,000g의 산소를 만들어야 한다는 것을 의미하며, 이를 위해 목시는 20개월의 대부분 동안 밤낮으로 멈추지 않고 작동해 약 25~30톤의 산소를 생산해야 할 것이다. 이 정도의 산소를 만들기 위해서는 25,000~30,000와트 규모의 전력 발전소가 필요하지만, 현재 퍼서비어런스의 전력 시스템은 약 100와트만을 제공하므로, 현재 목시의 산소 생산량은 미래 기대 생산량의 아주 작은 부분에 불과하다. 

현재까지 개발된 목시는 미래의 대형 목시를 위한 규모 모델로, 미래 우주비행사들이 화성의 자원을 활용해 생존할 수 있음을 증명했다. 또한 지난 2년간 목시에 수많은 센서와 제어장치를 탑재해 목시가 어떤 환경에서 더 잘 작동했는지 확인했다. 이를 기반으로 제작될 나사의 목시 2.0은 산소를 액화 및 저장할 수 있는 대규모 시스템으로 설계될 예정이라고 한다. 우주비행사들의 탐사를 넘어 먼 미래에는 목시를 활용한 대규모 화성 거주가 가능할 것이라 기대한다. 

2. 개선점

현재 사용되는 니켈 서멧 전극의 Ni 촉매는 고농도의 CO2에 의해 산화되어 손상을 입게 된다. 따라서 니켈 기반 음극의 내산화성을 향상하기 위해 페로브스카이트와 같이 산화 환원 안정성을 갖는 전극 재료뿐만 아니라, 금속 산화물 분산 첨가제를 사용하는 방법이 연구되고 있다. 

또한 현재 목시에서는 이산화탄소를 일산화탄소와 산소로 분해하는 작업만 이루어지지만, 이용 가능한 산소를 모두 추출해 낼 수도 있다. 그러나 이 방법은 고체 산화물 전기 분해 셀을 심각하게 분해시키므로, 적절한 셀 설계와 전극 채택에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.

마지막으로 목시는 높은 온도에서 작동하는 SOXE의 특성상 작동을 위해 약 2시간 동안 세라믹을 가열해야 한다. 이렇게 하면 로버 배터리에는 약 1시간 동안 산소를 만들기에 충분한 충전량이 남아있게 된다. 또한 목시가 실행되면 다른 장비를 작동시킬 만큼 충분한 전력이 남지 않기 때문에 퍼서비어런스에서 운전, 바위 깎기 등의 다른 작업은 거의 수행되지 않는다. 이로 인해 목시는 자주 실행되지 않고, 1~2달에 한 번 정도 실행된다. 따라서 충전 및 배터리 효율 개선이 필요할 것으로 예상된다.

 

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참고문헌

[화성에서 산소 생성에 성공하다]

1) Zoe Wells, " How did NASA create breathable air on Mars? With moxie and MIT scientists ", USA TODAY,  2023.09.08, How did NASA create breathable air on Mars? With moxie and MIT scientists. (usatoday.com)

2) 블록미디어, "美 나사, "화성에서 산소 발생 실험 성공했다"", 블록미디어,  2023.09.10, 美 나사, "화성에서 산소 발생 실험 성공했다" | 블록미디어 (blockmedia.co.kr)

3) "NASA MARS MOXIE", , Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE) - NASA Mars 

[목시의 작동 원리]

1) NASA, NASA SCIENCE MARS 2020 MISSION PERSEVERANCE ROVER, "MOXIE for Scientists(Mars Oxygen ISRU Experiment)",  https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/moxie/for-scientists/

2) Analyst's Notebook help, MOXIE(Mars Oxygen ISRU Experiment),  https://an.rsl.wustl.edu/help/Content/About%20the%20mission/M20/Instruments/M20%20MOXIE.htm

3) Meyen, F. E., Hecht, M. H., Hoffman, J. A., & MOXIE Team, "Thermodynamic model of Mars oxygen ISRU experiment (MOXIE)", Acta Astronautica, 129, 82-87, 2016.

4) Green, R. D., Elangovan, S. E., & Chen, F, "Perspective—solid oxide cell technology for space exploration", Journal of The Electrochemical Society, 169, 5, 2-5, 2022.

5) Meyen, Forrest Edward, "System modeling, design, and control of the Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE) and implications for atmospheric ISRU processing plants", Diss. Massachusetts Institute of Technology, 49, 2017.

6) McClean, J. B., Hoffman, J. A., Hecht, M. H., Aboobaker, A. M., Araghi, K. R., Elangovan, S., ... & Voecks, G. E, "Pre-landing plans for mars oxygen in-situ resource utilization experiment (MOXIE) science operations", Acta Astronautica, 192, 301-313, 2022.

[목시의 전망과 개선점]

1)  "NASA MARS MOXIE", , Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE) - NASA Mars 

2) Green, R. D., Elangovan, S. E., & Chen, F, "Perspective—solid oxide cell technology for space exploration", Journal of The Electrochemical Society, 169, 5, 2-5, 2022.