화성에서 쏘아 올릴 우주선 연료, 미생물로 만든다?

남조류 이용… 화성에서 로켓 원료 만드는 전략 제시

미국항공우주국(NASA)은 화성탐사로봇 ‘퍼서비어런스(Perseverance)’의 임무 성공 이후 인간을 태운 화성으로 보낸 우주선이 안전하게 지구로 돌아오는 것을 목표로 한다.

화성의 우주비행사와 거주 시설에 관한 가상의 모습 ⓒNASA

이 목표를 이루려면 연료에 관한 고민에 빠질 수밖에 없다. 돌아올 연료를 싣고 출발하는 데 무게와 80억 달러의 비용을 감수해야 한다. 과학자들이 기발한 생각을 제안했다. 화성에서 인간이 지구로 돌아갈 연료 제작에 현지 자원을 활용(ISRU)하는 계획이다. ISRU는 화성, 달 등의 행성 현지에 적용되는 기술이다. 물, 산소, 연료, 건축 자재 등의 물자나 시설을 일컫는다.

과연 가능할까. 기존에 몇 가지 구상이 있지만, 미국 조지아 공과대학 연구진은 미생물을 이용해 연료를 만드는 방법을 고안했다. 생명공학을 이용하므로 ‘Bio-ISRU’ 부른다.

미생물로 만드는 연료 ‘2,3-부탄다이올(2,3-BDO)’

나사는 화성을 인간이 살 수 있는 행성으로 만드는 ‘DRA(Design Reference Architecture)’이라는 계획을 만들었다. DRA는 나사의 화성 설계 연구(DRM)에 사용되는 용어다. 1993년에 첫 연구를 시작으로 현재 5.0이 가장 최신 버전이다. 최근 화성에서 발사하는 유인 탐사선 연료에 관한 내용을 포함했다.

나사가 미래에 화성에서 인간이 살 수 있는 행성을 만들기 위한 계획인 DRA 5.0의 모식도 ⓒNASA

지구로 회항하는 연료를 화성 현지에서 만드는 방식 중 현재 가장 유력한 것은 액체 메탄과 산소를 생산하는 ‘화학적 ISRU’다. 이산화탄소를 전기분해해서 얻는 산소로 연료를 만든다. 메탄과 산소는 우주선 연료를 구성하는 주요 성분이다. 하지만 그 양이 모자라 메탄, 산소를 어느 정도 지구에서 운송해야 한다.

연구진은 화성의 낮은 산소 수준을 고려한 연료를 고심했다. 완전 연소와 관련한 산소와의 질량비를 따져보니 메탄보다는 산소 원자를 포함한 ‘알콜기’가 달린 메탄올이 효율적이라고 판단했다.

산소 원자의 존재가 연료의 발열량을 낮추지만, 화성에서는 지구 중력의 38%로 발사체에 들어가는 연료 에너지의 밀도가 낮아도 가능하다는 것이다. 이런 기준으로 찾다 보니 메탄과 에너지값이 유사한 ‘2,3-부탄다이올(2,3-BDO)’이 대체 물질로 적합하다는 사실을 발견했다.

화성의 환경과 현장 자원 활용(ISRU)으로 로켓 연료 생산 모식도 ⓒ
사이언스타임즈╷이미지소스_게티이미지뱅크, 자료소스_ 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)

조지아공과대 웬팅 선 항공우주공학부 부교수는 “2.3-부탄다이올은 오래전부터 사용됐지만, 추진제로 사용할 생각은 해본 적 없다”며 “분석과 실험 후에 좋은 연료 후보라는 사실을 깨달았다”고 말했다.

연구 교신 저자인 조지아공과대의 파멜라 페랄타-야히야 화학생분자 공학부 박사도“화성에서 이륙하는 데 필요한 에너지가 적어 다양한 화학물질을 고려할 수 있다”고 말했다.

화학 반응 방식보다 충분한 산소 생산 가능

조지아 공과대학 연구진은 2,3-부탄다이올을 얻기 위해 남조류 등 박테리아를 이용했다. 화성에서 남조류의 이용에 관한 시나리오는 2015년 국제우주생물학저널에서 발표된 적 있다. 극한의 환경 조건에서도 적응하는 시아노박테리아의 잠재적 역할에 관한 내용이다. 시아노박테리아가 인간이 화성에서 활동할 수 있는 생물학 기반 요소라는 점이다.

시아노박테리아 종류인 ‘Arthrospira platensis’ ⓒFarmerOnMars╷위키미디어커몬즈

연료 생성에도 시아노박테리아의 활용성이 돋보인다. 독립영양생물인 시아노박테리아(학명 Arthrospira platensis)는 광합성을 통해 햇빛과 이산화탄소로 산소와 당을 만든다. 화성 대기의 대부분을 차지하는 이산화탄소를 광합성 자원으로 이용하는 것이다.

이산화탄소를 전기분해해서 얻은 산소와 달리 일산화탄소가 섞이지 않는다. 얻은 당과 시아노박테리아는 종속영양생물인 대장균(Escherichia coli)이 분해해 최종적으로 2,3-부탄다이올을 생성케 한다.

대장균은 시아노박테리아가 만든 당과 시아노박테리아 단백질에서 각각 57%, 32% 수율로 알코올을 생산한다. 연료 추출 후 대장균은 다시 시아노박테리아에게 공급되어 영양소를 재사용할 수 있다.

이 방식은 화학적 방식보다 2.8배 더 무거운 탑재 하중이 필요하다. 박테리아 재배 속도를 개선해 공정을 최적화시키면 탑재량을 크게 줄일 수 있다. 장점은 전력은 32% 적게 소비하고, 40톤 이상의 산소를 만들어 낸다. 우주선 연료로 사용되고도 남는 양이다. 연구진은 “여분의 산소는 미래에 인간이 거주할 시설 구축 시 사용될 수 있다”고 밝혔다.

자외선, 물 등…미생물 재배 위한 극한 환경 극복이 관건

Bio-ISRU의 핵심은 광도, 제한된 물과 같은 환경 요소의 활용을 극대화해야 한다는 점이다. 미생물을 활용하기 때문에 생물배양을 위한 환경을 구축해야 한다.

지난해 화성 궤도를 도는 탐사선이 촬영한 사진. 화성 남극의 얼음층 밑에 소금기 강한 호수가 존재하는 것으로 추정된다. ⓒJ. COWART/FU BERLIN/DLR/ESA

화성의 표면온도는 지구보다 –60도 낮은 –55℃. 미생물이 성장하지 않는 온도다. 23도까지 온도를 맞출 수만 있다면, 미생물 성장이 가능하다. 또, 화성 대기가 얇아지면 행성 표면에 도달하는 감마선 수준이 높아진다. 하지만 시아노박테리아와 대장균 등의 미생물은 화성 방사선에 내성을 가졌다.

문제는 자외선이다. 공저자이면서 조류 생산 공정을 연구하는 메튜 레알프 교수는 “대기층이 얇아 햇빛이 대기 투과 시 자외선이 시아노박테리아에게 손상을 입힐 수 있다”고 했다. 이 문제는 화성의 환경을 고려한 특수 온실 제작을 해결책으로 제시했다. 시아노박테리아의 광합성에 적합한 활성방사선(PAR)은 투과하면서 자외선은 반사하는 특수 재료를 사용해야 한다는 점이다.

또한, 미생물을 이용하기 때문에 물이 필요하다. 다행스럽게도 화성에는 미생물을 이용한 연료 생성 방식을 수행할 만한 물양이 존재하는 것으로 최근 보고된 바 있다. 단, 얼음이고, 소금이 섞여 있어 소금 함량을 줄이는 처리가 필요하다. 공정 효율을 높이려면 연료 생산에 사용된 폐수를 정화해 재활용을 고려해야 한다. 또, 미생물 성장에 필요한 질소와 인 등의 다량원소와 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 나트륨 등의 미량원소도 지구에서 공급하면 된다.

Bio-ISRU 기반으로 2,3-BDO 생산 시설을 화성에 설계한 가상의 모습. 축구장 4개 크기인 녹색의 시아노박테리아 배양 교반 탱크를 거쳐 얻은 당을 발효시키고, 95% 순도로 2,3-BDO를 추출 정제할 수 있을 것으로 연구진은 추정한다. ⓒBOKO mobile study

이런 문제를 해결해도 가장 큰 제약이 있다. 화성에서 미생물 사용 여부다. 나사의 행정보호지침에 따르면 화성이 지구 생명체로부터 오염되는 것을 보호하기 위해 미생물 수송을 금지하고 있다. 하지만 연구진은 이 방식에 확신을 내비쳤다.

논문 주저자인 조지아공과대의 니콜라스 크루이어 화학 및 생분자 공학부 박사는 “화성에 생명공학을 적용하는 방법 중 최소한의 출발물질로 주변 자원을 활용하는 완벽한 방법”이라고 말했다.

연구진은 반응기 외부에서 미생물의 생존을 방지하는 격리 장벽 개발과 환경오염이 낮은 미생물 개발을 위해 추가 연구를 수행할 의지를 밝혔다. 이 연구 논문은 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.

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