(Technicians at NASA's Jet Propulsion Laboratory lower the Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE) instrument into the belly of the Perseverance rover.
Credits: NASA/JPL-Caltech)
(Illustration of the MOXIE instrument, depicting the elements within the instrument.
Credits: NASA/JPL)
(After a 2-hour warmup period MOXIE began producing oxygen at a rate of 6 grams per hour. The was reduced two times during the run (labeled as “current sweeps”) in order to assess the status of the instrument. After an hour of operation the total oxygen produced was about 5.4 grams, enough to keep an astronaut healthy for about 10 minutes of normal activity.
Credits: MIT Haystack Observatory)
퍼서비어런스 로버에 탑재된 목시 (MOXIE, Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment)가 화성 대기의 이산화탄소를 이용해서 5.37g의 산소를 생산하는데 성공했습니다. 현지 시각으로는 4월 20일, 화성 착륙 후 60 화성일 (sol)에 진행된 첫 실험에서 목시는 한 시간 동안 우주 비행사가 10분 숨쉴 수 있는 5g 조금 넘는 산소를 생산했습니다. 최대 생산량은 시간 당 10g 인데, 생산량보다는 기술적 검증에 초점을 맞춘 기기라고 할 수 있습니다.
사실 이산화탄소에서 산소를 추출하는 것 자체는 어렵지 않습니다. 탄소 원자가 산소 원자 두 개와 단단히 결합해 있기는 하지만, 에너지를 투입해 분리할 수 있기 때문입니다. 문제는 화성 표면에 가져갈 수 있을 정도로 가볍고 부피가 작으면서도 구조가 단순해 고장 염려가 없고 내구성도 뛰어난 산소 생성 장치입니다. 나사가 선택한 해답은 고체 산화물 전해질 전지 (solid oxide electrolysis cell, SOEC) 입니다.
고체 산화물 전해질 전지는 고온에서 분자를 전기 분해하는 방식으로 두 다공성 전극 사이에 세라믹 산화물을 넣고 고온에서 반응시킵니다. 목시는 yttria-stabilized zirconia (YSZ) 세라믹을 전극 사이에 샌드위치처럼 끼워 넣는 방식을 사용합니다. 이 고체 산화물 전해질 전지는 섭씨 800도의 고온에서 작동하기 때문에 열에 의해 퍼서비어런스의 다른 부분이 손상되는 것을 막고자 에어로겔 단열제와 금으로 코팅된 외피를 지니고 있습니다. 금색으로 보이는 이유는 코팅 때문입니다.
화성의 대기는 96%가 이산화탄소입니다. 하지만 먼지가 많기 때문에 우선 한 번 헤파 필터로 걸러 준 후 고체 산화물 전해질 전지에서 2CO2 -> 2CO + O2의 반응을 거쳐 일산화탄소와 산소 분자로 분리합니다. 목시는 앞으로도 9번에 걸쳐 추가 테스트를 통해 실제 산소를 얼마나 생산할 수 있는지 검증할 것입니다.
고체 산화물 전해질 전지는 물을 산소와 수소로 분해하는데도 사용될 수 있습니다. 원리상 산소와 수소를 물로 만들면서 전기를 내놓는 연료 전지의 반대라고 할 수 있는데, 사실 현재 가장 기대되는 분야는 SOEC를 이용한 친환경 수소 생산입니다. 만약 화성에서 물을 구할 수 있다면 가볍고 구조가 단순한 고체 산화물 전해질 전지가 활약할 기회가 더 커질 것입니다. 다만 현재로써는 건조한 화성에서 이산화탄소를 구하는 게 훨씬 쉽습니다.
나사에 따르면 4명이 탄 로켓을 화성 표면에서 궤도로 올리기 위해서는 로켓 연료 7톤과 산화제로 쓸 25톤의 산소가 필요합니다. 만약 화성에서 네 명의 우주인이 1년 간 생활한다면 산소 1톤이 추가로 더 들어갑니다. 따라서 미래 화성 유인 탐사 임무를 위해서는 더 많은 양의 산소를 생산하는 고체 산화물 전해질 전지가 필요합니다. 이 문제 역시 전지 (cell)을 여러 개 쌓으면 쉽게 해결될 수 있습니다. 다만 화성 현지 환경에 최적화된 디자인을 개발하는 것이 관건입니다. 앞으로 나사가 어떤 디자인과 기술을 선보일지 궁금합니다.
참고
https://en.wikipedia.org/wiki/Mars_Oxygen_ISRU_Experiment
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