화성의 산소발생기 MOXIE 작동 원리와 전망

화성의 산소발생기 MOXIE 작동 원리와 전망 

 

1. 개발 배경

 미국 항공 우주국은 2030년 화성 유인 착륙을 위해 꼭 필요한 기술 중 하나이며, 참고로 화성은 지구에 비해 대기밀도가 100분에 1에 불과합니다.

 이런 대기가 희박한 화성에서 생존하기 위해서는 산소 확보가 필수이며, 이를 위해 매사추세츠공대(MIT) 연구진이 중심이 돼 개발한 산소 발생기 목시(MOXIE, Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment)를 개발하기에 이릅니다. 그리고 이를 검증하기 위해 화상 탐사기구인 퍼시비런스(perserverance)에 장착하여 2021년 4월부터 실험을 하여 7차례 산소 생성 실험을 성공했으며, 앞으로도 2년 정도 더 실험을 거쳐 새벽 및 열악한 환경에서 작동시험을 할 예정입니다. 

산소발생장치 : 목시(MOXIE)(출처 : NASA)

 

2. MOXIE 작동원리

  1) 실험에 사용된 목시(MOXIE)는 자동차 배터리 크기로 형태는 직육면체이고 니켈합금이 포함된 강력한 내열성 소재로 되어 있습니다. 원리는 이산화탄소에서 산소를 추출한다는 점에서 나무의 광합성과 비슷합니다.

  2) 이산화 탄소가 풍부한 화성을 공기를 흡수 및 여과장치를 통해 불순물 제거 > 이산화탄소는 800℃까지 가열 및 가압  > 2개의 전극이 있는 별도 용기인 고체산화물 전해조(SOXE)에 공급  > 여기서 이산화 탄소가 산소 이온과 일산화 탄소로 전기분해 발생  > 산소는 음극에 수집 및 결합되어 산소 분자가 되며, 일산화탄소 및 잔류가스는 여과

  3) 1시간에 약 5g생성가능합니다. 이는 우주비행사에게 10분의 호흡을 공급할 수 있는 양입니다. 차후 1시간에 22g 발생을 목표로 하고 있습니다. 

목시(MOXIE) 구성(출처 : NASA)

 

3. MOXIE 전망

  1) 다른 행성에서 산소를 생성하는 최초의 도구이며, 자급자족할 수 있는 중요한 기술입니다. 이런 기술은 주변에 널려있는 물질을 로켓 추진제나 수소와 결합시켜 물로 만드는 등 여러 가지 가능성을 보여줍니다.

  2) 포루투칼에서는 가스를 플라즈마하는 장치인 '플라즈마 리액터(Plasma reactor)'를 이용해 목시(MOXIE)보다 더 효율적인 산소발생을 하는 데 성공하였습니다. 화성 환경을 재현한 실험실에서 무게 6㎏의 플라스마 반응기가 시간당 14g의 산소를 생산했으며, 이는 무게 17.7㎏에 시간당 10g의 산소를 생산하는 목시보다 훨씬 효율이 높습니다.

  3) 목시(MOXIE)는 화성에서 지구로 돌아올 때 사용할 상승선의 로켓 추진제를 확보할 필요성에서 개발되었습니다. 산소는 상승선 질량의 78%를 차지하므로, 성공한다면 화성 탐사 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 마찬가지로 이런 기술을 확대해 지구온난화의 주원인인 이산화 탄소를 제거하는 데에도 사용하는 방안도 고려하였으면 합니다. 아직 기술력의 한계로 현재 기술로 1톤, 2톤 수준으로는 만들 수 없으나 성공만 한다면 이번 세기의 최고의 발명이라해도 무리가 없을 것입니다.

퍼시비런스 내 목시(MOXIE) 탑재(출처 : NASA)