중국 연구진이 햇빛과 열을 이용해 달 토양에서 물(H₂O)을 추출하고 달 토양의 광열 촉매 반응으로 물과 이산화탄소(CO₂)를 연료 제조나 우주비행사 호흡에 필요한 산소(O₂)와 수소(H₂), 일산화탄소(CO)로 바꾸는 데 성공했다.

중국 홍콩선전중문대 루 왕 교수팀은 17일 과학 저널 줄(Joule)에서 달 토양에서 물을 추출하는 과정과 광열(photothermal) 촉매 반응으로 물과 이산화탄소를 산소, 수소, 일산화탄소 등으로 바꾸는 과정을 통합한 공정을 개발했다고 밝혔다.

왕 교수는 "물 추출과 토양의 광열 촉매 반응을 통합, 에너지 이용 효율을 높이고 기반 시설 개발 비용과 복잡성을 줄일 수 있게 됐다"며 이는 물과 연료 같은 필수 자원을 지구에서 운반할 필요성을 줄여 향후 심우주 탐사에 새 가능성을 열 수 있다고 말했다.

세계 각국 우주 기관들은 수십 년 동안 달을 우주탐사 전초기지로 활용하는 구상을 해 왔으나 유인기지를 유지하기 위한 물 같은 자원을 공급하기 어렵다는 점이 현실적 걸림돌이 돼 왔다. 연구팀은 우주비행사 한 명이 하루 약 15ℓ의 물을 쓰는데, 이를 지구에서 가져가려면 약 4억6천만원이 든다고 설명했다.

연구팀은 달 탐사선 창어 5호(Chang'E-5)가 싣고 돌아온 달 토양 표본을 분석해 물이 존재한다는 것을 확인하고, 달 토양에서 물을 추출하고 이를 이산화탄소와 함께 유용한 물질로 전환하는 광합성과 같은 반응을 모색했다.

이들은 이전에 개발된 달 토양에서 물을 추출하는 전략은 에너지를 많이 소비하는 여러 단계를 포함하고 있었고, 이산화탄소를 연료나 다른 필수 자원으로 분해하지는 않았다고 지적했다.

연구팀은 이를 위해 햇빛을 열로 전환하는 과정을 통해 토양에서 물을 추출하고, 광열 촉매 반응으로 이 물과 우주비행사가 내쉬는 이산화탄소를 일산화탄소와 산소, 수소로 전환하는 기술을 개발했다.

이들은 창어 5호의 달 토양 표본에서 물 함유 광물로 보고된 일메나이트(ilmenite)의 광열 활성도를 측정하고, 이 물질이 광열 촉매 반응을 통해 이산화탄소를 일산화탄소와 산소로 분해 과정을 밝혀냈다.

이어 달 토양 샘플과 모의 달 토양, 이산화탄소를 광열 반응기에 가득 채운 다음 여기에 광선을 집중시켜 광열 과정을 작동, 물이 추출되고 이어 물과 이산화탄소가 일산화탄소와 산소, 수소로 전환된다는 사실을 확인했다.

연구팀은 하지만 이 방법이 실험실에서 성공을 거뒀지만 극심한 온도 변화와 강력한 방사선, 낮은 중력 등 달의 극한 환경에 기 기술을 적용하기는 여전히 어려운 과제이고 우주비행사 호흡에서 나오는 이산화탄소만으로는 필요한 물, 연료, 산소를 공급하기에 충분하지 않을 수 있다고 설명했다.

왕 교수는 "기술적 한계가 여전히 장애물로 작용하고 촉매 성능도 아직 부족한 상태"라며 "하지만 이런 기술적 장벽과 개발·배치·운영 관련 비용을 극복하는 것이 달의 물을 활용해 우주 탐사를 지속하는 데 중요하다"고 말했다.

◆ 출처 : Joule, Sun et al., 'Inherent lunar water enabled photothermal CO2 catalysis', https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(25)00187-4