서 론

1969년 7월 20일 미국의 우주인인 닐 암스트롱과 버즈 올드린이 달 표면의 고요의 바다에 인류의 첫 발을 내딛었다. 2019년은 인류 최초로 아폴로 11호가 달에 착륙한지 50년이 되는 해이다. 달 착륙 50주년을 대대적으로 기념하며 미국을 비롯한 여러 나라와 민간 기업들까지 달 탐사 경쟁에 다시 뛰어드는 모양새다. 미국은 2033년 화성 유인탐사를 위한 전진기지로서 달에 우주비행사를 보내는 유인탐사를 재개하기로 결정하였다. 아르테미스 프로그램(Artemis Moon Program)으로 명명된 유인 달 탐사 계획은 2024년까지 우주비행사를 착륙시키고 2028년까지 달에 인류를 상주시킬 수 있는 달 궤도 우주정거장을 만든다는 것이다. 우리나라는 우주 개발 분야에 있어서 중국은 물론 인도보다 뒤쳐져 있지만 2022년에 달 궤도선(Korea Pathfinder Lunar Orbiter, KPLO)을 발사하고 2025년까지 착륙선을 보낸다는 계획을 갖고 있다.

미국은 아폴로 프로젝트종료시 달에는 물이 존재하지 않는다는 결론을 내렸지만 이후 1998년 NASA의 루나 프로스펙터(Lunar Prospector) 탐사선은 물이 존재할 수 있다는 가능성을 제시하였다. 2008년 인도 우주연구소(Indian Space Research Organization)는 달 남극에 위치한 새클턴 분화구(Shackleton Crater)에 얼음이 존재한다고 발표하였다. 결국 2018년 NASA는 마침내 달에 상당한 양의 얼음 층이 존재한다는 결론을 내렸다. 달 표면에서의 얼음의 발견은 인류가 지구를 넘어 달의 광물자원을 확보할 것이라는 인식 전환의 계기가 되었을 뿐만 아니라 세계 각국의 달 탐사 경쟁에 활기를 불어넣게 되었다.

이러한 변화의 배경에는 우주에 대한 과학적 지식을 축적하고 확대시킬 뿐만 아니라 무엇보다도 지구에서 고갈되어가는 광물자원을 우주에서 확보하려는 경제적 이유가 있다(Crawford et al., 2012; Spudis, 2005). 달에 인류를 상주시키며 자원을 탐사하고 채광, 활용하는 계획이 성공한다면 인류의 다음 목표는 소행성과 화성이 될 것이다. 소행성(asteroid)과 유성체(meteoroid)에는 백금족, 희유금속, 전략금속 등 광물자원이 풍부한 것으로 알려져 있다(O’Leary, 1988; Anders and Grevesse, 1989). 올해 일본의 소행성 탐사선 하야부사2가 소행성 류구에 착륙, 표면토 시료를 채취하는데 성공함으로서 소행성의 광물자원 채굴에 대한 기대가 커지고 있다.

그동안 천문학적인 비용이 요구되던 우주 탐사는 우주 행성자원 개발을 가로막는 가장 큰 걸림돌 중의 하나였다(Satish et al., 2005). 그러나 거대 우주 관측 망원경과 같은 기반시설의 눈부신 발전과 민간의 상업 우주선 개발에 힘입어 이제는 과거보다 더 적은 비용으로우주탐사가 가능해질 전망이다(Elvis, 2016). 스페이스X나 버진갤럭틱 등 민간 우주기업은 여러 번 사용할 수 있는 상업용 우주왕복선을 발사해 민간인을 우주로 보내는 여행 상품을 준비하고 있다.

인류가 달에 상주하기 위한 준비로 달 자원 현지조달(In-Situ Resource Utilization, ISRU)에 관심이 모아지고 있다. ISRU는 인간이나 로봇 등이 달에 머물며 장기간 생존 또는 작동하는데 필요한 자원을 현지에서 생산하고 활용하는 행위와 이에 필요한 장치나 설비를 포함하는 개념이다(Paterson, 1994). 달의 물질로부터 산소와 물을 얻을 뿐만 아니라 거주시설이나 장치를 작동시키는데 필요한 에너지 등을 현지에서 마련하는 것이다. 여기에는 인간을 우주와 태양의 방사선으로부터 보호할 수 있는 기지의 건설도 포함하고 있다. 달의 표토(regolith)로부터 산소와 물을 추출(Nayagam and Sacksteder, 2006; Cooper and Simon, 2007; Gustafson et al., 2011; Schwandt et al., 2012a, Schwandt et al., 2012b)하거나 표토를 기지 건설에 활용(Taylor et al., 2006; Meurisse et al., 2018; Grossman et al., 2019)하는 가능성 등이 검토되고 있다.

ISRU가 성공하여 달 기지건설이 가능해지면 그 다음 단계는 달에 존재하는 광물자원 중에서 수익성과 경제성이 있는 금속 혹은 광물이 무엇인지 조사하고 채광, 선광, 제련공정을 선정하는 일이 될 것이다. 현재 사용하고 있는 선별법과 추출법 중에서 어떤 방법이 달에서 적용 가능할 것인지를 검토하고 현지 상황에 맞게 변경하거나 새롭게 고안해야 할 것으로 예측된다. 우리나라는 KPLO(Korea Pathfinder Lunar Orbiter)로 본격적인 달 탐사에 나선다. 본 논문에서는 달에 어떤 광물자원이 있고 금속을 추출할 수 있는 공정으로 기대되는 기술이 무엇인지 살펴보도록 하겠다. 또한 달 탐사 후발주자인 우리나라가 달의 광물자원을 확보하기 위해 선두주자들과의 격차를 빠르게 줄이려면 우선적으로 집중해야할 분야는 무엇인지를 검토하고자 한다.

달과 지구 환경의 차이

달은 지구와 여러 면에서 다른 환경을 갖고 있다. 지구의 중력을 1G라고 하면 달에서의 중력은 1/6인 0.166G에 불과하다(Table 1, Satish et al., 2005). 지구표면은 위도에 따라 다양한 기후가 존재하지만 지구의 평균 온도는 대략 10~20°C이다. 반면, 아폴로호가 측정한 데이터에 의하면 달표면은 –171도의 저온에서부터 물이 끓을 수 있는 111도 까지 온도 변화가 크다(Table 1). 지구에는 대기가 존재하지만 달에는 대기가 거의 없고 지구와 달리 우주방사선을 막아주는 자기장도 존재하지 않는다(Table 1). 따라서 달에서는 우주 방사선과 태양으로부터 날아오는 고에너지 입자들, 크고 작은 유성체에 의한 충돌이 빈번하다(Table 1). 이 외에도 가시광선과 자외선 같은 전자기선과 X-선, 1-10 GeV/nucleon의 고에너지를 갖는 은하우주선(galactic cosmic ray)이 여과 없이 달의 표면에 도달한다(Abbas et al., 2007).

Table 1. Important design parameters in lunar mining applications (from Satish et al., 2005)

달표면에서 인간의 상주와 활동을 방해하는 대표적인 현상으로 달 표면을 덮고 있는 두꺼운 먼지 층을 들 수 있다(Abbas et al., 2007). 달 표면에는 태양풍(solar wind) 즉 태양의 상층부에서 하전 입자가 계속 도달한다. 하전 입자가 달 표면에 부딪히면 달의 표토 입자는 정전기를 띄게 되는데 이로인해 고농도의 먼지 입자가 우주인의 시야를 가리고 기기나 시설표면에 부착되여 다양한 문제를 야기할 수 있다. 아폴로 17호의 우주인들은 달 표면을 뒤덮은 정전기를 띤 먼지가 마치 거대한 구름같이 이동한다고 보고하였다(Berg, 1978). 달은 대기가 없어 바람이 미미하지만 이 먼지 층은 마치 바람에 밀리는 것처럼 지표로부터 일정한 높이에 떠 있는 상태로 이동한다(Abbas et al., 2007; Colwell et al., 2009). 정전기 먼지의 부유 이동현상은 우주인들에 의해 여러 차례 목격되었던 horizon glow로 알려져 있다. 달 먼지는 우주인의 활동을 제한하는 가장 심각한 어려움으로 간주되기 때문에 먼지의 악영향을 감소시키려는 연구들이 수행되고 있다(Abbas et al., 2007; Clark et al., 2010; Afshar-Mohajer et al., 2011; Berkebile and Gaier, 2012; Sun et al., 2013; Gharib and Radziszewski, 2014).

이와 같이 달의 대기환경이나 중력이 지구에서와 다르기 때문에 우주인은 지구에서는 발생하지 않는 기술적 문제를 겪을 수 있다. NASA에 의하면 지구와 달리 달에서 일어날 수 있는 다음의 현상을 정밀하게 예측하고 준비해야 한다(Sanders and Duke, 2005). 첫째, 달에서는 전기 불꽃(electrical spark)이 아크 방전으로 이어질 수 있기 때문에 아크 방전의 발생과 대처 방안을 준비해야 한다. 둘째, 진공에 가까운 달 환경에서는 대류와 열전도도에 의한 열의 전달이 어렵다는 것을 알고 있어야 한다. 셋째, 진공 상태에서는 금속의 표면이 서로 달라붙는 셀프용접(self-welding 또는 vacuum welding) 현상이 일어난다. 달에서 사용하는 장치나 시설이 금속재질인 경우 셀프용접에 의한 문제 발생을 예상하고 대처 방법을 연구해야 한다. 넷째, 사일로 등에 고체 입자를 쌓을 때 만들어지는 원뿔의 각도가 기압에 좌우된다는 것이다. 이것은 광산 현장에서 파분쇄한 입자나 정광을 쌓을 때 그 모양이 지구에서와 다르다는 것이다. 지구 대기에서처럼 기체분자가 있으면 기체분자는 고체 입자 사이의 공극을 채우거나 입자 표면에 흡착된다. 달과 같이 대기가 거의 존재하지 않는 환경에서는 고체 입자가 쌓여 만들어지는 원뿔의 크기가 감소된다. 구체적으로 대기압 이하에서 어떤 경향을 보일지 예측하는 것은 쉽지 않은데, 사일로로부터 고체입자를 방출할 때 일어나는 현상을 시뮬레이션하기 위해서는 사일로가 채워지는 방식이 정확히 예측되어야 한다(Christakis, et al., 2006). 다섯째, 달의 대기에 존재하는 정전기를 띤 부유 먼지로 인해 진공에 가까운 달의 대기 중에서 공간을 밀폐하기가 쉽지 않으리라는 점이다. 게다가 이 먼지는 지구에서의 물리적 풍화를 겪지 않아 각진 형태의 입자인 것으로 알려져 있다.

달의 광물 자원

달에서는 지구에서와 같은 마그마의 분화나 화산 활동이 없었을 뿐만 아니라 지표면에서의 풍화작용이나 판구조적 암석의 윤회도 전무하였다(Lowman, 1972). 현재까지 달에 대해 알려진 지식은 주로 달의 표면에 국한되어 있기 때문에 달내부에 지구와 유사한 광상이 형성되어 있는지는 분명하지 않다. 그러나 화성활동이나 풍화작용 등을 통해 광물이 농집될 기회가 없었기 때문에 달에는 지구에서와 같은 농집된 광상이 많이 형성되어 있기는 어려울 것으로 추론되었다(Agosto, 1992).

달에서 활용할 수 있는 광물자원으로는 달의 표토와 이 표토에 함유되어 있는 티탄철석을 들 수 있다(Agusto, 1985). 달의 표토에는 운석에서만 발견되는 금속(meteoritic metal)이 존재하고(Keller et al., 1998) 희토류 원소도 존재하는 것으로 알려져 있다(Neal and Taylor, 1989). 달의 표토를 이루는 광물의 성분인 Al, Ca, Mg 등도 회수 가능한 금속 자원으로 간주하기도 한다.

달을 구성하는 주요 광물은 감람석((Mg, Fe)₂SiO₄), 휘석((Ca,Mg,Fe)₂Si₂O₆), 사장석(Ca₂Al₂Si₂O₈), 티탄철석(FeTiO₃)이다(Table 2; Papike et al., 1998; Smith and Steele, 1976). 미량 광물로는 인회석, 금홍석, 장석 등이 알려져 있다(Table 2, Meyer, 2009; Frondel, 1975; Yazawa et al., 2012). 희토류 원소와 Th을 함유한 광물도 존재한다(Table 2).

Table 2. Moon minerealogy

희토류 원소

희토류 원소가 풍부한 달표면 지역은 폭풍의 대양(Oceanus Procellarum)과 임므리움 분지(Imbrium Basin)로 알려져 있다(McLeod and Krekeler, 2017). 미국의 아폴로(Apollo)와 소련의 루나(Luna) 프로그램에서 채집한 시료는 모두 희토류를 미량(trace) 함유한 인회석 또는 메릴라이트(merrillite)를 함유하고 있다(McLeod and Krekeler, 2017). 이 외에 희토류 원소를 함유한 달의 광물로는 모나자이트와 이트로베타파이트(yittrobetafite), 트랜퀼리타이트(tranquillityite)가 있지만 희토류 원소의 함량은 지구의 희토류 광석광물에서보다는 낮은 편이다(McLeod and Krekeler, 2017). 현재는 희토류 원소의 존재는 인정되나 희토류 광석광물로 분류할 만큼의 매장량이나 회수 비용의 경제성이 있다고 보지는 않는다. 따라서 현재의 기술 수준으로는 달에 분포하는 희토류 광물자원이 광산으로 개발되기는 쉽지 않을 것이다.

표토

달의 표면을 덮고 있는 표토는 고화되지 않은 물질과 암편의 혼합물이다(Papike et al., 1998). 달의 표면은 크고 작은 유성체(meteoroid)의 충돌과 태양과 다른 행성들로부터 날아오는 대전된 입자들이 끊임없이 부딪힌 흔적으로 덮여있다(Noble, 2009). 달의 바다(Lunar Mare) 지역 달 표토의 두께는 4-5 미터 정도이지만 하이랜드(Highland) 지역에서는 10-15 미터에 달한다(McKay et al., 1991). 달 표토와 토양(soil)은 같은 뜻으로 사용되기도 하지만, 정확하게 구분하면 달 토양은 mm 이하의 미립의 표토 입자를 의미한다(Noble, 2009).

지구의 토양과 달리 달의 표토는 생물학적 또는 화학적 작용이 아닌 유성체 등 외래 물체의 충돌과 태양풍, 우주방사선에 의한 스퍼터링, 기화, 용해 등에 의한 풍화작용으로 생성되었다(Noble, 2009). 달 표토의 주성분은 암편과 광물 부스러기이며 용해작용에 의해 생성된 유리질 물질과 응결집괴암(agglutinate)이라고 부르는 물질로 구성되어 있다(Agusto, 1985; Noble, 2009). 응결집괴암은 달 표토의 60~70% 까지 차지하기도 하는데(Noble, 2009), 응결집괴암의 10-20%는 유리질로 되어있다(Fischer, 2018). 유리질 물질의 존재로 보아 응결집괴암은 작은 유성체가 끊임없이 충돌하면서 달의 표토가 용해되며 생성된 것으로 추론된다. Noble(2009)의 연구결과에 제시된 사진을 보면 유리질 입자는 슬래그 입자와 유사한 형상을 하고 있다.

아폴로호가 채집한 달 표토 시료의 성분분석 결과를 보면 SiO₂가 가장 우세하며 50% 가량을 차지한다(Table 3). Al₂O₃는 10%~20% 이상의 함량을 보이며, 칼슘의 함량은 이보다는 약간 낮다(Table 3). 철 함량은 다소 변화폭이 넓지만 대체로 10% 이상 함유되어 있다. 마그네슘의 함량은 이보다 다소 낮은 10% 이하 정도이다(Table 3). 철은 채집 위치에 따라 금속 상태로도 존재한다(14259,19, Table 3).

Table 3. Chemical composition of Apollo materials

달 표토 입자의 평균 크기는 40~800 µm인데 대부분 45~100 µm 범위에 존재한다(McKay et al., 1991). 입자 크기의 전체 범위는 나노크기부터 센티미터에 걸쳐있어서 매우 넓다(Abbas et al., 2007).

달 표토는 특히 달에 기지를 건설하기 위한 재료로 활용될 수 있을 것으로 주목받고 있다. 지구에서는 거의 대부분의 건축물과 도로, 교량 등의 건설에 시멘트 콘크리트를 사용한다. 시멘트 콘크리트는 시멘트 분말에 물과 골재를 혼합한 것이 단단하게 굳어진 것이다. 시멘트 콘크리트는 여러 면에서 우수한 건설재료지만, 현실적으로 시멘트 콘크리트를 달에 가져가서 기지를 건설하는 것은 비용면에서 불가능하다고 볼 수 있다.

달의 표토를 시멘트 콘크리트의 대체물질인 건축 재료로 쓸 수 있으리라고 보는 데에는 두 가지의 이유가 있다. 달 표토의 주요 성분은 알루미나와 실리카이다(Table 3). 메타카올린이나 화력발전소 비산재와 같은 알루미노실리케이트와 알칼리 활성화제를 반응시켜 제조하는 지오폴리머(geopolymer)는 대체 시멘트로서의 가능성이 높은 물질이다. 지오폴리머는 7일 평균 압축강도가 100MPa 이상 달성하는 것도 가능할 정도로 건설 재료로서 우수한 특성을 갖고 있다(Lee et al., 2016). 지오폴리머의 원료는 알루미노실리케이트 물질인데 천연 물질 중에 화산재는 지오폴리머의 원료로 사용될 수 있다(Djobo et al., 2016). 화산재는 화산분화로 분출된 2mm 이하의 유리질 입자를 의미한다(Rose and Durant, 2009). 화산재와 달의 표토는 공통적으로 실리카 성분이 우세하고 알루미네이트를 함유하는데다 고온 환경에 노출되어 입자가 유사한 형상을 나타낸다. 이런 점에서 달의 표토로 지오폴리머 또는 지오포릴머와 유사한 물질을 제조할 수 있을 것으로 추측된다. 미국에서 상업적으로 생산되었던 모사토 중 JSC-1A로 만들어진 지오폴리머는 압축강도와 굴곡강도 면에서 시멘트 콘크리트와 비숫한 성능을 보였다(Montes, et al., 2015; lexiadis et al., 2017). 이론적으로 지오폴리머 반응에서 물은 촉매로서만 사용되고 지오폴리머의 성분으로는 포함되지 않아 지오폴리머 배합에 사용한 물을 회수하여 재사용하는 것이 가능하다. Wang et al.(2016)은 텍타이트(tektite) 분말을 NaOH와 반응시켜 진공에서 양생한 후 콘덴서를 사용하여 굳어진 지오폴리머로부터 물을 회수, 지오폴리머 제조에 다시 사용하는 ‘제로 워터 싸이클’이 가능하다는 것을 증명하였다. 텍타이트의 화학조성은 다양하지만 대체로 SiO₂의 함량이 50~90%이고 Al₂O₃가 5~25% 정도로 달 표토와 마찬가지로 알루미노실리케이트라고 볼 수 있는데다 지구로 낙하하며 고온에 노출되었다는 점에서 유사하다고 볼 수 있다. Wang et al.(2016)의 연구는 달의 표토도 알칼리와의 반응으로 지오폴리머를 제조할 수 있고, 사용한 물을 순환시켜 재사용함으로서 매우 제한적인 양으로도 건축이 가능하다는 것을 시사한다. 달의 표토가 건축 재료로서 유력한 두 번째 이유는 3D 프린팅에 의한 건축의 가능성이다. 최근의 연구결과는 3D 프린팅으로 지오폴리머를 정확한 형태로 성형할 수 있고 충분한 강도를 얻을 수 있다는 것을 보여주고 있다(Xia and Sanjayan, 2016). 또는 태양 에너지만으로 달 모사토(simulant)를 적층하며 소결하는 방식의 3D 프린팅으로 기지를 건설할 수 있다는 주장도 제기된 바 있다(Meurisse et al., 2018).

티탄철석

달의 표토에는 티탄철석이 약 15% 함유되어 있다(Papike et al., 1982; Noble, 2009; McKay et al., 1991). 티타늄 광석인 티탄철석을 환원시켜 TiO₂ 안료또는 금속 티타늄을 생산하는 공정은 다양하게 개발되어 있는데 대부분 습식 및 건식제련과 전기야금으로 구성되어 있고 비용이 많이 드는 편이다(Zhang et al., 2011). 지구에서 티탄철석을 티타늄의 광석으로 활용하는 것과 달리 달에 존재하는 티탄철석으로부터는 다양한 자원, 즉 산소와 철, 티타늄을 회수할 수 있을 것으로 기대되고 있다(Agosto, 1992).

티탄철석으로부터 산소를 분리하는 것은 규소, 알루미늄, 티타늄, 칼슘 또는 마그네슘을 분리하는 것보다 에너지가 적게 소모된다고 알려져 있다(Zhao and Shadman, 1990). 달 표토에 미량 함유된 고순도 티탄철석은 정전선별법에 의해 농축시킬 수 있다(Agosto, 1985). 실제로 아폴로 11호가 채집한 달의 표토 시료를 질소 분위기에서 정전선별했을 때 티타늄은 반도체 성격을 갖는 반면 다른 성분들은 비전도체의 특성을 보였다(Agosto, 1985).

금속 철

달 표토에는 금속 철이 니켈과 합금상태로 존재하는데 낮은 지대에서 가장 풍부하게 분포한다(Goldstein et al., 1972). 실제 달 표토 시료에서 금속 철의 함량은 입도마다 차이가 있는데 아폴로 16호가 채집한 달 표토 시료 중 74 µm~1.0 mm 입도에서 철-니켈 입자의 함량은 0.15 wt%로 분석되었다(Goldstein et al., 1972).

철-니켈 입자는 달의 진화 과정 중 4단계에서 일어났던 유성체의 충돌로 생성되었다고 알려져 있다(Agosto, 1992). 만약 달의 하이랜드와 바다를 비롯한 달의 전체 표토에 이 정도 함량의 철-니켈이 존재한다면, 달 전체 표토의 상층 10cm 두께에 포함된 철-니켈의 양은 최소 70억 톤에 이를 것이다(Agosto, 1992). 달의 표면에서 철질 운석(iron meteorites)이 떨어져 있는 지역에서는 철-니켈의 함량은 더 높게 나타낼 것이다(Agosto, 1992).

달 현지 광물자원 회수 기술

기존 원광(run of mine, ROM)으로부터 자원을 회수하기 위해 사용된 선광 및 제련공정은 지구상이라는 조건에서 최적화되어 온 것으로, 무료 또는 저가로 사용이 가능한 산소(공기), 중력, 물의 사용을 기초로 한다. 그러나 앞에서 기술한 바와 같이 달은 지구와 매우 다른 환경을 나타내기 때문에 달의 광물자원을 현지에서 선별하거나 추출할 수 있을 것으로 기대되는 회수 기술은 많지 않다. 달에서 직접 채집한 시료는 표토에 한정되고 표토 시료로 실험한 연구는 매우 제한적이다. 대부분 달 표토의 성분과 입도 분포를 모사한 모사토로 달의 대기 환경을 재현한 실험 결과들이 보고되고 있다.

아폴로 11호가 채집한 토양 시료 10081,853의 90~150 µm 입도를 대상으로 티탄철석을 진공 환경에서 정전선별로 분리하면 표토에서의 티탄철석 함량의 4배까지 농축이 가능하다고 알려져 있다(Agosto, 1992). 달 표토의 상당량을 차지하는 응결집괴암에는 철-니켈이 함유되어 있는데 비교적 낮은 자력으로 철-니켈 입자를 분리할 수 있음이 증명되었다(Goldstein et al., 1972; Agosto, 1981). Agosto (1992)는 자력선별로 철-니켈 금속입자와 다른 표토 성분을 분리한 후 이 정광에서　응결집괴암을 제거하기 위해 정전설별법을 적용하는 공정을 제안하였다. 이런 실험들은 비교적 간단하지만 자력선별이나 정전선별의 활용 가능성을 보여주는 의미 있는 결과를 얻었다는 점에서 주목할 만하다.

달에서는 지구에서 사용하는 채광 및 자원회수 공정에서 중력의 도움을 받을 수 없기 때문에 획기적인 발상의 전환을 통한 기술과 공정의 변화가 요구된다. 또한 인체 및 장치에 유해한 환경이라는 점도 함께 고려되어야 하는데 예를 들면 마이크로 유성체의 폭풍이 불기 때문에 인력과 장비에 대한 보호막 등의 안전확보방안이 필요하다(McCullough, et al., 2014). 태양으로부터의 필터링되지 않은 방사선과 전자파장해는 우주인의 건강뿐만 아니라 전자장치의 정상적인 작동에 나쁜 영향을 줄 수 있다(Satish et al., 2005; McCullough, et al., 2014). 무엇보다도 달 표면의 먼지는 시야를 방해하고 모든 물질의 표면을 코팅하며 달라붙는데다 마모를 유발한다는 점에서 철저한 해결 방안을 강구해야 한다(Satish, 2005).

초기 개발단계에서 한정된 자원을 활용해야 한다는 점도 함께 고려되어야 한다. 달에서는 에너지를 자급자족해야 하기 때문에 장치나 설비는 에너지를 적게 소모하도록 개발되어야 한다(McCullough et al., 2014; Burelle, 2010; Satish et al., 2005). 장치나 설비는 지구에서부터 운반해 가져가야 하기 때문에 비용 면에서 가벼울수록 유리하다. 동시에 고강도이고 내구성이 좋아 온도와 압력의 변화에 안정적이어야 한다(Satish et al., 2005). 가능하면 하나의 장치나 설비를 다용도로 사용할 수 있고, 고장이 잘 나지 않아 유지보수가 쉬워야 한다(Satish et al., 2005). 달 표토 혹은 모사토를 대상으로 시도되었던 선광 및 제련 공정을 살펴보고 달에서 적용될 경우 고려해야 할 점을 정리하였다.

선광공정

>파분쇄의 목적은 사용 목적(선별공정 또는 최종산물 생산)에 적합한 입도의 제조, 비표면적의 증대, 단체분리로 정리할 수 있다. 달의 광물자원 중 우선적으로 회수 대상이 될 수 있는 것은 표토에 함유된 물질이다. 유성체와 운석 등의 충돌로 달 표토는 이미 작게 부서져 있어 단체분리가 어느 정도 되어있다고 볼 수 있다(Agosto, 1992). 파쇄 공정에서 사용되는 선동파쇄기(gyratory crusher)와 죠파쇄기(jaw crusher), 그리고 분쇄공정에서 가장 많이 사용되는 볼밀의 경우 중력을 기반으로한 메커니즘으로 파분쇄되기 때문에 중력이 거의 없는 달에서는 별도의 운동에너지를 공급하는 방식이 필요하다. 초음파밀(ultrasonic mill)은 좁은 입도로 분쇄가 가능하고 효율이 높기 때문에 달에서 사용하기 적합할 것으로 보고되었다(Table 4; Satish et al., 2005). 파분쇄 공정 후에는 일반적으로 목적 입도의 입자를 확보하기 위해 분급 공정을 진행한다. 대부분의 분급 공정은 중력을 활용하기 때문에 중력이 약한 달에서는 그대로 적용하기 어렵다. 중력을 대신하는 힘을 인위적으로 만드는 방법의 예로, 구심력과 선형 가속(linear acceleration)과 같이 서로 다른 힘들의 차이를 활용할 수 있다(Table 4; Cardus, 1994). 체질과 같은 공정은 지구와 동일한 처리량을 확보하려면 달에서는 체의 면적이 커지거나 체질 시간이 증가될 수 있으므로 이에 대한 연구가 필요하다.

Table 4. Candidate screening, comminution and beneficiation methods as applied to the Moon/Mars (Satish et al., 2005)

대표적인 선별 공정인 비중선별법은 지구 상에서 많은 분야에 활용되고 있으나 용어에서 알 수 있듯이 중력을 기반으로 하기 때문에 우주에서의 활용은 매우 제한될 것이다. 이를 대체할 선별법으로 중력의 영향이 적은 정전선별이나 자력선별을 고려할 수 있다. 정전선별법은 앞에서 살펴보았듯이 달 표토를 대상으로 한 실험에서 그 효용성이 증명되었다(Agosto, 1992). 정전선별 장치는 전력 소모가 적고, 좁은 입도범위의 입자시료에서 만족할 만한 효과를 얻을 수 있기 때문에 달에서 활용할 수 있을 것이다(Table 4; Satish et al., 2005). 무엇보다 달의 대기가 진공에 가까워서 수분이 없는 달의 표면에서는 도전율(electric conductivity)의 차이를 이용하는 정전선별법이 유리할 것으로 추측할 수 있다. 자력선별은 자력의 세기와 속도를 조절하여 자화율이 다양한 광물을 선별하는 방법이다(Choi et al., 2018; Lee et al., 2018; Oh et al., 2019). 입자 크기에 상관없이 건식 자력선별법으로 유용 광물입자를 선택적으로 분리할 수 있다는 것이 보고된 바 있다(Table 4; Satish et al., 2005). 건식 자력선별에는 자력뿐만 아니라 중력, 마찰력 또는 관성력 그리고 입자간 힘(interparticle forces)이 중요한 역할을 한다(Stradling, 1993). 달에서는 중력과 마찰력이 지구에서와 다르다. 따라서 자력선별법을 달에서 사용하려면 선별하려는 입자의 실제 크기와 입자의 자화율을 고려한 장치 개발이 필요할 것으로 예상된다.

부유선별은 지구에서 가장 많이 사용되는 선광 공정 중 하나이다. 다양한 광석광물을 선별하는데 사용할 수 있기 때문이다. 부유선별은 광석광물과 맥석광물 입자의 젖음성 차이를 이용하는 선광법으로 소수성의 광석광물 입자가 광액 중 기포에 부착되어 표면으로 떠오른 것을 회수하게 된다. 이와 관련하여 매우 흥미로운 실험이 우주정거장(International Space Station, ISS)에서 수행되었다. 우주정거장의 매우 약한 중력 환경에서 물속에 기포를 형성시켰을 때 지구에서와 비교하여 기포가 매우 느리게 떠오르는 것이 관찰되었다(Caps et al., 2014). 달에서 부유선별을 사용하려면 기포가 빨리 움직이도록 구심력을 만들어 활용한다거나 기포의 크기를 줄이기 위해 기포제를 사용하는 방법을 고려해 볼 수 있다(Ata et al., 2016). 다만 부유선별법은 다량의 물을 사용하는 공정이기 때문에 달에서의 광물자원 개발 초기에는 사용이 매우 제한될 것이다. 현재 지구 상에서도 고려되고 있는 물의 순환 사용 등의 고려가 필수적이다.

제련공정

제련공정은 일반적으로 습식제련과 건식제련으로 대별되며, 이와 같은 제련 공정들도 지구상의 중력, 공기(산소), 물을 다량으로 이용하는 경우가 대부분이다. 습식제련은 용어 자체로 ‘물’을 포함하고 있으며, 기본적으로 금속 이온을 다량의 용액에 용해하는 단계를 거친다(Sohn, 2019). 또한 침출 후 고액분리에 중력을 이용하는 방식을 다수 사용하고 있으며, 대표적인 분리정제공정인 용매추출법도 중력에 의한 밀도차 분리를 이용하기 때문에 달에서 적용하게 될 경우 이와 같은 한계 상황을 고려한 공정개발이 필요하다. 건식제련은 열을 사용하기 때문에 물 사용 제한에 영향을 받지 않으나, 융체의 밀도차를 이용한 분리 공정은 달에서 적용이 어렵거나 분리 속도 향상을 위한 공정개발이 필요하다. 또한 달에서는 낮과 밤의 기온차가 극심하여 온도 유지에 대한 대안이 필요할 것으로 생각되며, 산소의 공급도 여의치 않기 때문에 기존 기술의 개선이 필요하다. 이와 같은 난제에도 불구하고 달의 표토로부터 Fe, Al, Ti 등의 금속과 반금속인 Si의 회수 가능성을 조사하는 연구가 다음과 같이 수행되었다.

달의 모사토를 진공의 조건에서 흑연을 사용하여 철 산화물을 환원시키거나(Kobayashi et al., 2010) 불소를 사용하여 금속을 추출하는 공정(Landis, 2007)을 예로 들 수 있다. 진공에서 모사토에 환원제로 Al을 첨가하는 SHS(self- propagating high temperature synthesis) 공정을 통해서는 금속 철과 Al₂O₃을 생산할 수 있다(Corrias, et al., 2012). 모사토를 대상으로 알루미늄이 산화될 때 발생하는 열을 이용하여 금속을 환원시키는 전기분해법으로 Al 합금을 제조할 수 있다는 보고도 있다(Xie et al., 2017). FFC 캠브리지 공정(Fray-Farthing-Chen Cambridege Process)은 1990년대 말 티타늄산화물로부터 금속 티타늄을 추출하는 전기화학 추출법으로 고안되었다(Hu, 2018). 공정이 간단한데다 Si, Cr, Ta 등 다양한 금속 추출에도 적용할 수 있다고 알려져 있다. 달 표토를 분쇄, 정전-자력선별한 후 FFC 캠브리지 공정으로 금속을 추출하고 추출한 금속을 3D 프린팅하여 달 기반시설 건설이 가능하다고 보고되었다(Ellery, et al., 2017). 이 공정을 활용하면 회장석(anorthite)에서 Al, Ca, Si를, 티탄철석에서 Fe와 Ti를 추출할 수 있을 것이다(Ellery, et al., 2017).

달의 광물자원 회수 기술의 우선 연구 분야

ISRU를 위해 실제 달의 표토를 시험하고 연구해야 하지만 현실적으로 극히 제한적인 양으로만 존재하는 달의 표토로는 불가능하다. ISRU의 다음 단계로 달의 표토를 대상으로 광물 또는 금속을 추출하는 선광 및 제련 기술의 개발이 수행되어야 하지만 역시 매우 어려운 일이다. 달에서 채취한 시료는 극히 제한적인 양만 존재하고 소수의 국가를 제외하고는 접근이 어렵기 때문에 ISRU를 비롯한 모든 달 탐사 연구에는 모사토를 사용하여야 한다(Sibille et al., 2005). 그동안 달 탐사 및 자원회수 공정개발, 기지 건설 등 다양한 목적에 의해 다수의 모사토가 개발되었다(MaKay et al., 1994; Taylor et al., 2016; Battler and Spray, 2009; Yongchun et al., 2009; Yongquan et al., 2009).

문제는 달의 표토 형성과정을 정밀하게 재현하는 것이 쉽지 않으며 비용이 많이 드는데다 대량으로 균질하게 제조하기가 어렵다는 것이다(Taylor et al., 2016). 달의 토양은 마이크로 유성체의 고속 충격으로 2,000°C 이상의 고온에 달의 표토가 녹고 일부 성분은 기화 증착되었다(Taylor et al., 2016). 또한 달의 고지대와 바다, 암석과 얼음이 섞인 달의 표토의 성상이 다양하기 때문에 목적에 맞게 용도별로 모사토를 제조해야 한다(Sibille et al., 2005). 달 착륙선의 경우 착륙 지점 표토의 공학적 특성을 중점적으로 모사해야하고, 달 광물자원을 회수하는 공정 개발 연구를 위해서는 달 토양의 화학적, 광물학적 특성을 어떻게 정밀하게 재현하는지가 중요한 기준이 되어야 한다(Sibille et al., 2005). 실제로 Taylor et al.(2016)는 특정한 목적을 위해 제조된 모사토가 다른 용도로는 적합하지 않은 경우가 많다는 의견을 제시하였다.

국내에서도 달 모사토를 제조하는 시도가 있었으나 달의 광물자원이나 금속 추출 기술개발을 목표로 개발된 예는 없다. 달 표토의 화학적 성분, 입도크기 분포, 광물 성분뿐만 아니라 비정질 물질의 화학적 특성과 함량, 나노크기 철 입자 성분 등이 정밀하게 재현되어야 할 것이다. 이를 위해 국외 연구자 그룹과의 국제공동 연구 협력관계를 구축이 필요하다.

달 모사토 제조 외에 우선적으로 달에 존재하는 광물과 금속의 존재 형태와 회수 가능 여부를 판단하기 위한 자료를 수집하여야 한다. 이는 KPLO의 실행 속도와 밀접하게 관련된다. KPLO를 통해 달의 지질에 대한 보다 정밀한 정보를 얻음으로서 달의 토양을 더욱 정밀하게 모사할 수 있을 것이다. 유사도가 높은 모사토를 개발한 후에는 본격적으로 달 현지에서의 파분쇄와 선별, 금속의 분리 및 추출 공정과 장치 연구가 이어질 수 있을 것이다.

결 론

달에 존재하는 얼음 층의 발견과 거대 우주 관측 시설의 눈부신 발전, 민간 자본의 참여로 달 탐사는 그 어느 때보다도 현실로 다가오고 있다. 달에서 인간의 상주와 활동을 어렵게 하는 중력의 감소와 정전기 먼지, 태양풍, 은하우주선 등에 대한 정보의 증가는 ISRU의 가능성을 증대시키고 있다. 우리나라는 달에 궤도선을 보내는 것으로 시작으로 착륙선을 계획하고 있다. 달의 표토에는 유용한 광물자원과 금속이 존재한다는 것이 그동안의 탐사와 분석을 통해 알려졌다. 달의 표토와 모사토의 분석을 통해 입도 분리, 정전선별, 자력선별 등이 달에서의 광물자원 및 금속추출 공정으로 활용될 수 있다는 것이 어느 정도 입증되었다. 이들 기술을 적절하게 변형, 결합함으로서 달에 존재한다고 알려져 있는 희토류 원소, 티탄철석, 금속 철 등을 회수할 수 있는 미래가 가능할 것이다. 모사토는 시험의 목적에 맞게 제조되어야 하는데, 달에서의 선광 및 제련 기술 개발용 모사토를 개발이 우선되어야 한다. 모사토를 대상으로 달의 대기 환경을 재현한 실험실에서 각 선광 및 제련 기술의 수정이 필요하다. 기술의 내용에 따라 선광 및 제련 장비도 달 환경에 맞게 디자인되어야 한다. 달의 온도와 압력 변화에 안정적인 소재를 개발하여 에너지를 적게 사용하고 가벼우며 내구성이 우수하고 다용도로 쓸 수 있는 장치나 시설을 개발해야 할 것이다.