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우주 행성 자원 탐사 및 국제 기술 동향
  • 게시일2021-12-30
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우주 행성 자원 탐사 및 국제 기술 동향

 

 

▲ 유병현 미래스마트건설연구본부 전임연구원

 

우주 행성 자원 탐사 및 국제 기술 동향

 

 

들어가며


1960년대 우주시대가 열린 후 달 탐사가 60번 이루어졌는데 그중 여덟 번은 유인 우주탐사였다. 1969년 아폴로 11호 달 탐사는 인류 최초의 달 탐사였다. 아폴로 15호는 달 표면의 바위 샘플을 가지고와, 달이 지구와의 거대 충돌로 생겼다는 가설에 무게를 실어 주었다. 달 탐사를 통하여 지구 외 우주에 대한 이해의 폭을 넓혔고 그 이후 인류는 화성에 더 많은 관심을 가지게 되었다. 1997년 마크 패스파인더는 최초로 화성 표면에 이동식 로버를 내려놓았고 탐사선으로부터 보내온 사진은 대중의 관심을 불러 일으켜고 화성 탐사에 더욱 열중하게 만들었다. 그러나 화성탐사가 어려워지면서 인류는 다시 달 탐사에 관심을 보이기 시작했다. 우주 개발 경쟁에서 각국의 정부와 기업들이 달 탐사에 적극적인 것은 달이 단지 신비의 대상이 아니라 인류의 미래에 많은 연관이 있기 때문이다.


지구상의 자원은 한정되어 있어서, 그 씀씀이의 속도에 따라 차이는 있겠지만 점차 줄어들고 있는 것이 당연한 이치이다. 인류가 영원히 지구상의 자원만을 가지고 살 수 있을 것이라는 예측은 이미 사라진 지 오래다. 인류는 한편으로는 자원을 절약하는 방안을 강구하거나, 대체에너지, 대체물질 개발 등 다양한 해결책을 내놓고 있으며, 다른 한편으로는 지구 밖의 자원을 끌어들이는 방법도 고민하고 있다. 우주에 있는 천체들은 거리가 천문학적으로 떨어져있고, 운송수단도 일부 몇몇 국가들만 갖고 있을 뿐 아니라, 비용도 천문학적이어서 이를 활용한다는 것은 전에는 상상에 불과했다. 하지만 최근 들어서 우주에 있는 무한한 자원을 이용하려는 아이디어들이 나오고 있다.

 

 

행성 자원의 발견


행성 자원의 발견은 아폴로 귀환시료를 측정한 때부터라고 할 수있다. 지구로 가져온 암석들에서 헬륨-3를 발견하고 또 암석내의 헬륨-3 양을 조사하고, 달 착륙지별 자원을 산정한 것은 바로 이때부터 시작되었다. 미국의 경우 아폴로 프로그램에 따른 귀환시료 382kg은 달의 바다 및 고산지역에서 수집했으며(Lucey et al. 2006) , 러시아의 경우도 170.1g의 귀환시료를 분석하고(Wikipedia, 2017b) 달 표면의 토양과 암석에 대하여 이해할 수 있었다. 아폴로시대에 이루어졌던 자원의 발견 및 산정은 바로 헬륨-3의 분석과 달 표면에서의 분포도를 귀환시료를 대상으로 예상치를 산정하는 것이었으며, 이후 클레멘타인 미션에서는 달의 광물지도인 철, 티타늄을 얻는 것이 새로운 발견이었다. 또한 영구동토의 존재를 확인함으로써 물의 존재 가능성도 처음으로 제시할 수 있었다.


1998년에 발사된 루나 프로스펙터는 열외중성자에 의한 물 지도 및 자연방사성 원소인 토륨과 칼륨 지도를 작성하였다. 이러한 과거 미션들은 대부분 원격탐사에 의한 결과로 얻은 것이며, 달 표면에서의 자원의 이해를 얻는 지도를 작성해 내는 데 큰 역할을 하였다. 루나 프로스펙터와 가구야 미션의 감마선 분광기는 여러 주요 원소 지도를 제시할 수 있었고 가구야 미션의 감마선 분광기에서 처음으로 우라늄 지도를 생산하였다. 이러한 궤도선 원격탐사 이후 창어-3는 엑스선 분광기를 사용해 달 표면에서의 원소 분석을 할 수 있었지만 지속적인 측정은 로버생존이 어려워 불가능하였다. 이러한 인류의 달 자원 발견 및 분포를 산정하는 단계는 앞으로 달 표면 현지에서 확인하고 또 활용하기 위한 추출 실험으로 진화해 가고있다. 인류는 약 10년 후에는 달에서 생존할 영역에 정착하여 자원을 현지에서 활용하고 또 지구에서 필요한 헬륨-3와 같은 에너지 자원을 제공할 자원 채취 활동을 개시할 꿈을 꾸고 있는 현실에와 있다.

 

그림 1 달의 남극과 북극 얼음이 있는 영역(Li S, Lucey PG, Milliken RE, et al. 2018)

 

 

달 극지 자원 함량


미국의 LCROSS(Lunar Crater Observation andSensing Satellite)와 LRO(Lunar ReconnaissanceOrbiter)의 달 탐사는 2009년 6월에 발사되었으며, LCROSS의 남극분지 캐비우스(Cabeus)에 충돌한 결과로 얻어진 새로운 결과에 따라 향후 인류가 달 극지방의 자원 활용가능성을 새롭게 제시하였다. LCROSS는 달 표면에서 인류가 달 기지를 건설할때 필요한 물을 남극지역에서 발견했다고 발표했으며, LRO는 달 궤도를 고도 50km에서 돌며 달의 물을 포함한 자원탐사 및 달의 방사환경을 초점으로 인류의 달 기지 건설 초석을 다지게 되었다. LRO에 탑재된 Diviner 분광기의 결과는 달 표면의 영구동토에는 달 생성 후 수십억 년간 혜성이나 소행성에 의해 유입된 물을 포함한 휘발성 물질이나 희귀금속 등은 달 표면에 계속 충적된 것으로 추정되었고, 이러한 물질들이 달 표면에서 침식되는 정도는 1mm/10억년 정도인 것으로 밝혀져(Paige et al. 2010) 영구동토의 자원 활용 중요성을 제시하였다(Colaprete et al. 2010; Gladston et al. 2010). 이러한 새로운 결과는 미국 등 세계 주요 국가들이 화성 등 보다 먼 태양계 내의 행성으로 향한 인류의 장기적인 행성 탐사를 계획함에 있어서 중간기지로서의 달 기지 건설 및 자원 활용에 대한 계획도 중요하게 다루는 계기를 가지게 하였다. LRO/LCROSS 달 탐사 결과, 달의 영구 동토 지역인 남극 지역에는 여러 휘발성 물질들의 함유량을 확인하였고, 금, 은, 수은 등 희귀 금속의 함량이 높음을 확인하였으며 이는 달 외부에서 유입된 것으로 추정하고 있다(Gladstone, et al. 2010).

 

 

행성 자원 발굴을 위한 시추


최근 달 등 우주 행성에서 물이 얼음 형태로 존재한다는 사실이 밝혀지며, NASA와 중국우주기술연구원(CAST, The China Academy of Space Technology)을 중심으로 우주 자원 탐사 프로젝트가 활발히 진행되고 있다. 나아가 유럽우주국(ESA, European Space Agency)은 달 기지(Moon Village) 건설을 공표하고 핵심기술 개발에 필요한 국제협력을 선도하고 있다.


2018년 하와이대학교팀은 달의 남북극 ‘영구 음영 지역’에서 얼음흔적을 발견한 바 있다. 오래전부터 달에 물이나 얼음이 존재했을것으로 추측됐지만 결정적 증거를 제시한 것은 하와이대학교팀이 처음이다. 이전에는 물 성분의 존재를 확인했지만 물의 분자(H2O) 형태가 확인된 것은 처음이다. 달 탐사 과정에서 활용 가능한 물의 존재 여부가 확실해지면서 각국이 준비 중인 달 탐사 또한 탄력을 받을 수 있었다.


달 표면에서는 얼음이나 액체 상태의 물이 존재할 수 없다. 햇볕에 노출되면 온도가 130℃ 이상으로 상승하여 수증기로 증발하기 때문이다. 달 남극의 표면 충돌구에 햇빛이 전혀 들지 않는 영구음영지역은 온도가 항상 영하 180℃ 이하로 유지되어 얼음이 존재할 것으로 추정되었다. 때문에 과학자들은 이 지역에 물이 존재할 것으로 추정해 왔다. NASA는 2009년 엘크로스(LCROSS) 탐사선을 달 남극에 충돌시켜 물 성분이 존재하는 것을 확인하였다. 하지만 이것이 실제 물인지, 아니면 다른 물질인지는 명확하지 않다( Li S, Lucey PG, Milliken RE et al. 2018). 물은 적외선을 이용해 검출할 수 있는데 지금까지는 3㎛ 파장대만 써 왔다. 이 파장에서는 물 분자와 광물에 결합한 하이드록시기(-OH)를 명확히 구분할수 없었다. 수소와 산소가 존재하지만, 물이 아니라 광물에 붙어있는 성분이라면, 이를 이용하기 위해 다른 추가적인 작업이 필요하게 된다.


현재까지 달 남극 지역에는 물 분자 형태의 물이 약 100~400PPM 농도로 존재한다고 추정되고 있다. 물 존재 여부는 주변 지형에 따라 달라지며 전 지역에 나타나는 현상은 아니라고 분석했다. 이러한 물은 유리화된 토양이나 자갈들 사이에 존재해 달의 척박한 환경에서도 남아있는 것으로 추정됐다. 또한, 달의 북극과 남극에는 물이 얼음 형태로 남아있을 수 있는 장소도 다수인 것으로 분석됐다. 폴 하이네 미국 콜로라도대 대기 및 우주물리학연구소 교수팀은 달의 북극과 남극에 얼음 저수지 역할을 할 수 있는 ‘영구음영지대’가 축구장 면적의 6배 정도인 약 4만m2라고 같은 날 네이처 천문학에 발표했다(P. Hayne, O. Aharonson, N. Schörghofer. 2020). 달 남극에 물이 있다는 것이 명확해지면서 각국의 달 남극 탐사도 경쟁적으로 추진되고 있다. 달의 남극은 적도에 비해 표면이 고르지 못하고 통신이 어려워 탐사가 어렵다. 하지만 생명체에 필요하고 탐사에도 활용할 수 있는 물의 존재 때문에 각국은 달 남극을 탐사 목표로 지정해 왔다. 미국은 2024년까지 달에 유인 우주선을 보내는 ‘아르테미스 계획’을 발표하고 달의 남극을 착륙점으로 지정했다. 중국도 2024년 달 탐사선 ‘창어 7호’를 계획하고 있다.


NASA와 CAST는 우주 자원 탐사 프로젝트를 통해 외계 행성의 토양샘플을 지구에 가져올 예정이다. 이를 위해서는 극한의 우주환경에서 안정적으로 운용되는 시추장비 개발이 필요하다. 시추장비는 행성 지표 시료뿐만 아니라 시추 과정에서 지중 시료 채취가 가능한 장비로 우주의 극한환경에서 저전력 및 고효율로 무인 구동이 가능하고 지구에서 우주 행성으로 운송을 고려한 초경량, 소형형태로 개발되어야 한다.


한국건설기술연구원에서는 이러한 국제 우주미션 동향을 반영하여 우주 자원 탐사 시추장비를 개발 중이며, 시추장비의 시추정보를이용하여 파괴에 저항하는 지반의 일축압축강도를 직접 추정할 수 있는 평가 기법을 개발하고자 한다. 따라서, 기초 연구의 성격으로 실내실험을 통해 시추장비의 성능 검증, 비트 개발, 평가 기법 도출로 이어지는 일련의 과정을 소개하고자 한다.

 

그림 2 The Apollo Lunar Surface Drill(Allton JH. 1987). 그림 3 아이스브레이커 드릴의 기구 구성 요소(Zacny, K. et al. 2013)

 

 

행성 지반 조사 기술 동향


NASA는 1971년 아폴로 15호를 통해 유인 달 착륙을 하고, 최초로 달표면 시추 작업에 성공하였다. 이때 사용된 시추장비는 ALSD(The Apollo Lunar Surface Drill)로 명명되었는데, 아폴로 15호 승무원들에 의해 시추작업이 수행된 배터리 구동 형태의 휴대용 드릴 공구였다.이후 40여 년간 시추장비 연구개발을 통해 NASA의 시추장비는 비약적으로 발전하게 되는데, 대표적인 시추장비로는 허니비 로보틱스社(Honeybee Robotics, Ltd)를 통해 개발된 아이스브레이커 드릴(The Icebreaker Drill)을 들 수 있다. 이 시추장비는 화성의 얼음이 풍부한 지역에서 생명체 징후를 찾기 위한 목적으로 개발된 장비이다. 해당 장비는 화성의 극한 환경 및 열악한 시추작업 조건인 지구 중력대비 낮은 중력, 낮은 대기압력, 유한한 전기에너지, 절삭유 사용이 힘든 환경 등을 고려하여, 100W동력 및 100N 이하의 추진력으로 1시간 내 1m 깊이 시추를 달성해야 한다는 성능 목표를 설정하고 화성 유사 환경의 진공챔버실험을 통해 성능 목표를 달성하였다. 아이스브레이커 드릴은 기구적으로 암(Deployment Arm), Z축 직선 이송 스테이지(Z-stage), 회전 타격식 드릴 구동부(Rotarypercussive Drill Head), 오거(Auger), 드릴 비트(Drill Bit), 샘플 추출 장치(Sampling System)로 구성되어 있다. 암은 Z축 직선 이송 스테이지를 시추 지점으로 이동시켜주는 3자유도 외팔보 형태이며, Z축 직선이송 스테이지는 직선 이송레일, 직선 이송 테이블 및 풀리(Pulleys), 케이블로 구성되어 있으며 오거와 드릴 비트를 시추 방향으로 직선이송하는 장치이다.


회전 타격식 드릴 구동부는 오거 드릴 비트를 회전 타격하여 시추작업에 필요한 토크, 추진력을 제공하는 기능을 하며, 오거는 절삭물 수송 및 샘플채취 기능을 구현한다. 드릴 비트는 오거 끝단에 설치된 커터(Cutter)인데, 아이스브레이커 드릴 비트에는 온도센서 및 전기 전도율 센서가 내장되어 있어서 시추 작업 시 드릴 비트 주변의 시추 환경 온도와 절삭물의 물리적 상태를 실시간으로 모니터링 한다. 샘플 추출 장치는 오거 홈에 부착된 절삭물을 추출하는 장치로 구성되어 있다.


중국우주기술연구원(CAST)은 2013년 달탐사 위성 창어 3호를 통해 세계 세 번째로 달 착륙에 성공한 이후, 2020년 달에서 샘플을 채취해 귀환하는 무인 탐사선 창어(嫦娥) 5호를 발사하였다. 창어 5호는 중국 하이난성 원창(文昌) 우주발사장에서 발사됐으며, 달 북서부 평원지대인 ‘폭풍우의 바다’에 착륙해 토양·암석 샘플 약 2kg을 채취했다. 달 표면에서 재이륙해 귀환길에 올랐고, 중국국가항천국(CNSA)은 2020년 12월 무인 달 탐사선 창어(嫦娥) 5호가 달에서 채취한 토양을 담은 캡슐이 내몽골에 착륙했다고 밝혔다. 이로써 중국은 미국과 소련에 이어 달 토양을 지구로 가져온 세번째 국가가 됐다. 창어 5호는 지난 1976년 소련의 무인 달 탐사선 루나 24호 이후 44년 만에 달 토양을 지구로 보내는 데 성공했다.


중국의 달 시추 연구는 Zhang Tao et al., (2016)에 의하여 2016년부터 시추 테스트베드(Drilling Test-bed)를 제작하여 달 자원 탐사에 적용할 시추장비 실험을 진행하였다. 기구적으로 크게 보디 프레임(Body Frame), 회전장치(Rotary Mechanism), 시추장치(Penetrating Mechanism), 엔코더(Encoders) 등으로 구성되어 있다. 보디 프레임은 회전장치 및 시추장치를 지지하는 구조물이며, 회전장치는 드릴툴(Drill Tool)을 회전하는 장치이고, 시추장치는 드릴 툴을 달 표면에서 시추와 월면토를 샘플링하는 장치이다. 엔코더는 2개로 구성되어 있으며 각각 회전 장치의 회전속도와 시추 장치의 시추 속도를 측정하는 기능을 한다.

 

그림 4 CAT 시추 테스트베드, 드릴 툴의 기구 구성 요소(Zhang Tao et al., 2016)

 

그림 5 지반 시추 장비의 구성도 및 실험장치

 

 

KICT 우주 행성 시추 장비 개발 현황


세계 우주 강국들은 우주 환경에서 가용할 시추장비를 개발하여 자원탐사에 열띤 경쟁을 하고 있다. 이에 한국건설기술연구원에서는 2016년부터 후발 주자로 우주 자원탐사 시추장비 개발을 시작하였다. 현재 시추장비 시작품을 제작하여 다양한 극한 환경 성능 테스트를 수행하고 있다.


본 장비는 기구적으로 크게 보디프레임(Body Frame), 구동체, 회전체로 구성되어 있다. 보디프레임은 드릴의 수직도 유지 및 구동체와 회전체를 지지한다. 구동체는 수직 이송이 가능한 수직모터와 속도 조절용 기어박스로 구성되며, 회전체는 비트-오거 회전 모터, 비트-오거 연결부, 회전속도 제어용 기어박스로 구성되어 있다. 오거는 절삭물 수송 및 샘플채취 기능을 구현하고 비트는 오거 끝단에 설치된 커터(Cutter)를 의미한다. 본 시추장비의 특징은 반력과 토크를 동시에 측정 가능한 통합형 로드셀을 적용하였으며, 시추속도는 드릴링 장비의 수직이송 및 수직도를 유지하기 위해 부착된 Timing Belt를 따라 움직이기 때문에 수직모터의 회전수로 추정이 가능하다.


오거의 회전을 위한 48.6W 출력의 정밀제어가 가능한 엔코더 결합형 유성감속 DC 인덕션 모터(induction motor)가 장착되어 있으며, 감속기어비는 1:230이다. 모터의 출력축은 감속기어, 구동 샤프트(shaft), 토크 미터(torque meter), 드릴비트 클램프, 드릴 비트의 순으로 연결되어지며, 모터의 구동력은 최하단의 드릴 비트를 회전시켜 공시체의 중심부를 절삭 파괴하는데 이용된다. 모터는 24V의 전원, 2,850A(ampere)의 정격 전류, 3,550RPM의 정격 회전수로 구동되어지며, 정격 부하에서 일정한 속도로 회전하며 시추 작업을 수행한다.

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