중국, 궤도상 인공 광합성 입증…산소와 로켓 연료 생산

간단한 궤도 실험, 자급자족 우주비행 가능성 보여줘

중국이 우주에서 자원을 생산한 첫 사례를 발표했다. 톈궁 우주정거장에서 선저우 19호 승무원들은 소형 인공 광합성 장치를 이용해 이산화탄소와 물을 호흡에 필요한 산소와 로켓 추진제 생산에 활용할 수 있는 탄화수소인 에틸렌으로 전환했다. 서랍 모양 장치 안에서 12차례의 통제된 실험을 통해 이뤄진 이번 시연은 지구의 식물이 수행하는 핵심 화학 반응을 궤도에서도 작동하도록 구현할 수 있음을 보여준다.

이번 성과가 돋보이는 이유는 생성된 물질뿐 아니라 반응이 일어난 조건에도 있다. 많은 화학 공정에 필요한 극한 조건과 달리, 이 장치는 실온과 표준 압력에서 작동했다. 미세중력 환경에서 기포가 위로 올라가지 않고 액체가 가라앉지 않는 문제는 잘 알려진 난제지만, 우주비행사들은 기체와 액체의 흐름도 정밀하게 제어했다. 연구팀은 생성물을 실시간으로 기록해 산소 생성과 탄화수소 형성을 모두 확인했다.

이 기술은 2015년부터 중국에서 개발돼 왔다. 우주에서 실제로 작동하는 모습을 확인한 것은 지속적인 보급 없이 승무원을 지원하려는 모든 계획에서 중요한 이정표다. 우주선이 비행 중 공기와 연료를 만들 수 있다면 임무에 필요한 적재량이 줄고, 안전성과 유연성은 높아진다. 물과 이산화탄소가 얼음이나 대기 형태로 존재하는 달이나 화성의 전초기지에도 같은 기술을 적용할 수 있다.

당국자들은 촉매를 교체해 장치의 생산물을 조정할 수 있으며, 여기에는 메탄과 포름산도 포함된다고 밝혔다. 메탄은 이미 선호되는 로켓 연료이고, 포름산은 식량 생산 연구를 위한 당 합성 과정 등 더 복잡한 화학 반응의 출발 물질로 쓰일 수 있다. 여러 기능을 하나의 장치가 맡아 생명 유지부터 추진제 공급까지 처리하는 미래의 가능성을 보여주는 유연성이다.

작동 원리

인공 광합성은 식물의 작동 원리를 모방하지만 잎 대신 공학적으로 설계된 물질을 사용한다. 간단히 말해 이 과정은 두 부분으로 나뉜다. 한쪽에서는 물을 분해해 산소를 만들고, O2를 선실로 보낸다. 다른 쪽에서는 이산화탄소에 전자와 수소를 더해 에틸렌, 메탄, 포름산염 같은 분자를 만든다. 에너지는 태양광 패널로 변환한 햇빛이나 장치 안의 반도체 촉매를 직접 활성화하는 빛에서 얻는다.

쉽게 풀어본 화학 반응

톈궁 장치 안에서는 반도체 촉매가 이산화탄소와 물이 반응하는 표면을 제공한다. 에너지가 공급되면 촉매가 원자의 재배열을 돕는다. 물은 산소와 수소를 내놓고, 이산화탄소는 탄소를 공급한다. 촉매에 따라 탄소 원자들은 서로 다른 방식으로 결합한다. 구리 기반 촉매는 탄소끼리 결합해 에틸렌을 만드는 경향이 있다. 다른 물질은 메탄이나 일산화탄소 생성에 유리하다. 원하는 혼합물을 얻을 수 있도록 엔지니어들이 촉매를 선택한다.

톈궁에 실린 장치는 고압 탱크나 높은 온도가 필요 없는 실온 반응 경로를 사용하는 것으로 보인다. 모든 와트의 전력을 관리해야 하는 우주선에서 이는 전력 예산을 줄여준다. 산소는 선실 압력으로 공급할 수 있고, 탄화수소는 중장비 압축기 없이 저장하거나 후속 처리 장치로 보낼 수 있어 공기 관리 시스템에 통합하기도 쉽다.

톈궁 승무원이 실제로 한 일

2024년 10월 말 임무를 시작한 선저우 19호 승무원들은 서랍 모양 모듈 안에서 12차례 실험을 진행했다. 장치에는 기체, 액체, 고체 성분이 참여하는 3상 반응을 관리하는 데 필요한 촉매와 유체 통로, 센서가 들어 있었다. 연구팀은 산소 생산을 확인하고 추진 연구의 핵심 목표 물질인 에틸렌의 생성량을 측정했다.

핵심 과제는 미세중력에서 유체를 제어하는 일이었다. 지구에서는 기체와 액체가 자연스럽게 분리되지만, 궤도에서는 표면 장력이 지배적이다. 톈궁 장치에는 반응물이 촉매와 계속 접촉하게 하고 생성물은 밖으로 이동시켜 반응이 이어지도록 하는 통로와 막, 유량 제어 장치가 포함됐다. 실험에서는 향후 설계에 참고할 수 있도록 기체의 이동과 분리 양상을 기록했다.

미세중력 환경의 유체 제어가 중요한 이유

기포가 촉매에 달라붙으면 생산량이 감소한다. 액체가 반응 표면에 고르게 닿지 않으면 국소적으로 열이 집중되거나 마른 부분이 생긴다. 정밀한 유량 제어는 실험실에서의 원리 입증과 저장 탱크에 공급할 수 있는 생산물 흐름을 가르는 요소다. 톈궁에서 수집한 데이터는 공정을 확대하는 데 필요한 설계 기준을 엔지니어들에게 제공한다.

이번 실험은 중력이 없는 환경에서 일상적인 과정이 어떻게 작동하는지 살펴보는 우주정거장 실험의 증가세에 더해졌다. 과거 톈궁에서는 상추와 토마토를 재배하고, 화염의 거동을 연구하기 위해 성냥을 켜는 실험도 진행했다. 이러한 연구는 지구 밖에서 공장과 농장을 운영하는 데 필요한 실용적 지식을 쌓는다.

생명 유지와 추진에 중요한 이유

로켓에 싣지 않아도 되는 1kg마다 비용과 위험이 줄어든다. 산소가 대표적인 사례다. 국제우주정거장은 태양전지판으로 전력을 공급하는 전기분해 장치에서 물을 분해해 산소를 만든다. 연구에 따르면 산소 생산에는 정거장 생명 유지 시스템 에너지 예산의 약 3분의 1이 든다. 이 방식은 작동하지만 전력 소모가 크고, 물과 소모품을 주기적으로 보급해야 한다.

인공 광합성은 또 다른 경로를 제시한다. 우주비행사들이 내쉬는 이산화탄소를 다시 산소로 전환하면서 같은 장치에서 연료용 탄화수소 분자도 만들 수 있다. 실온과 선실 압력에서 반응이 진행돼 전력 수요가 줄어든다. 자체적으로 산소와 추진제를 생산하는 정거장이나 기지는 보급 간격을 늘리고 과학 연구와 운영에 더 많은 전력을 쓸 수 있다.

생산물의 선택지가 다양한 점도 유용하다. 메탄은 재사용을 목표로 하는 설계를 비롯해 여러 현대식 엔진에서 액체 산소와 함께 쓰인다. 포름산은 나중에 사용할 수 있도록 수소를 화학적으로 저장할 수 있다. 에틸렌은 직접 연소하거나 정제해 다른 연료와 재료로 만들 수 있다. 폐탄소를 유용한 분자로 바꾸는 시스템은 정거장에 실린 물 1리터와 햇빛 1와트의 활용도를 높인다.

에틸렌으로 실제 우주선을 움직일 수 있을까

에틸렌은 탄소 원자 두 개로 이뤄진 단순한 탄화수소다. 액체 산소와 쉽게 연소하며 엔진이나 추진기의 연료로 쓸 수 있다. 연구용 엔진과 시험 비행에 사용된 적이 있다. 성능은 엔진 설계에 따라 달라지지만 메탄, 프로판과 같은 계열에 속한다. 궤도에서 에틸렌의 장점은 구리 기반 촉매를 사용하면 이산화탄소 환원 과정에서 직접 생성될 수 있다는 점이다.

다만 단점도 있다. 에틸렌은 실온에서 기체이므로 저장하려면 압축하거나 냉각해야 한다. 많은 임무에서는 액체 산소와 함께 극저온 상태로 다루기 쉬운 메탄을 선호한다. 에틸렌은 원료 물질로도 쓸 수 있다. 추가 공정을 거치면 액체나 제조에 유용한 플라스틱으로 전환할 수 있다. 톈궁 실험은 연구팀이 에틸렌을 목표 물질로 생산할 수 있음을 보여줬지만, 향후 임무에서는 용도에 따라 촉매를 조정해 메탄이나 포름산염을 만들 수도 있다.

추진제 선택은 전체 이야기의 일부일 뿐이다. 거의 모든 화학 로켓에서 추진제 무게의 상당 부분은 산소가 차지한다. 우주에서 저렴하게 산소를 만드는 장치가 있으면 지구에서 발사해야 하는 질량이 줄어든다. 처음에는 탄화수소를 지구에서 가져오더라도 현지에서 산소를 공급하는 정거장은 임무 계획을 유리하게 바꿀 수 있다.

우주정거장에서 달까지

중국은 2030년 이전 유인 달 착륙과 2030년대 초중반 국제 달 연구기지 건설을 목표로 공개적으로 제시했다. 2024년 보도에 따르면 중국은 해당 기지에 전력을 공급하기 위해 로봇으로 소형 원자로를 조립하는 방안을 계획하고 있다. 전력은 한 가지 요소일 뿐이다. 다음으로 필요한 것은 화물 비행에 의존하지 않는 공기와 연료의 공급이다. 톈궁 실험은 그 목표를 위한 토대로 제시됐다.

미래의 궤도상 공급망

또 다른 요소는 궤도에서 추진제를 옮기고 공유하는 능력이다. 중국은 2025년 1월 급유 기술을 시험하기 위해 스젠 25호 위성을 발사했다. 정거장에서의 생산과 함께 이뤄지는 급유 실험은 한 플랫폼이 연료 성분을 생산하고 다른 플랫폼이 이를 위성이나 궤도 수송선에 전달하는 공급망의 가능성을 보여준다. 실용적인 체계는 다음과 같은 모습이 될 수 있다. 유인 또는 로봇 플랫폼이 인공 광합성을 이용해 CO2와 물을 산소와 메탄으로 전환한다. 급유 위성들이 접근해 추진제를 실은 뒤 추진력이 필요한 우주선에 전달한다. 달 표면에서는 비슷한 장치가 거주 시설에 산소를 공급하고, 궤도로 돌아가는 데 쓸 메탄을 저장한다. 각 장소에서는 현지의 햇빛이나 원자력을 이용해 화학 반응을 작동시킨다.

앞으로 필요한 일

톈궁 장치는 개념을 입증한 단계이지 아직 공장은 아니다. 승무원을 지원하거나 수송선에 연료를 보급하려면 생산량을 몇 자릿수 이상 늘려야 한다. 이를 위해서는 반응 면적을 넓히고 열 관리를 개선하며, 성능 저하 없이 수개월간 사용할 수 있는 촉매를 개발해야 한다. 우주 방사선과 큰 온도 변화는 재료의 성능을 떨어뜨릴 수 있다. 엔지니어들은 내구성을 시험하고 부피가 큰 장비를 우주로 보내지 않고도 부품을 교체할 방법을 찾아야 한다.

분리와 저장도 그만큼 어렵다. 산소는 호흡과 엔진에 사용할 수 있도록 높은 순도로 공급해야 한다. 탄화수소는 부산물과 분리한 뒤 안전하게 압축하거나 액화해야 한다. 우주선 내부에서 산소와 연료를 다루면 화재 위험이 커지므로 설계자는 밸브와 센서, 엄격한 격리 조치로 이를 낮춰야 한다. 이런 과제가 기술 개발을 가로막는 것은 아니지만 세심한 공학적 설계와 반복적인 시험이 필요하다.

실제 성과는 생명 유지 순환계와의 통합 방식에 달려 있다. 국제우주정거장에서는 전기분해 장치와 이산화탄소, 수소를 결합해 물과 메탄을 만드는 반응기가 함께 작동해 순환의 일부를 완성한다. 미래의 정거장은 두 경로 중 하나를 선택하거나 혼합해 사용할 수 있다. 최선의 설계는 공기에서 이산화탄소를 포집해 산소를 지속적으로 생산하고, 전력이 남을 때 연료를 저장하는 것일 수 있다. 일상적인 운영에는 로봇 자동화가 필수다.

세계 각국의 노력과의 연관성

지구 밖 자원 생산은 여러 우주 기관이 공통으로 주목하는 분야다. NASA는 퍼서비어런스 로버에 MOXIE 실험 장치를 실어 화성 대기에서 산소를 추출했고, 소형 장치로 화성에서 산소를 생산할 수 있음을 입증했다. 유럽우주국과 여러 연구소는 햇빛이나 전기를 이용해 CO2를 전환할 수 있는 광촉매를 연구하고 있다. 민간 기업들은 현지에서 생산한 산소와 함께 쓸 메탄 엔진을 개발한다. 이 프로젝트들은 현지 자원을 활용해 발사 질량을 줄인다는 공통된 발상을 공유한다.

지금까지 대부분의 궤도상 생명 유지 실험은 식물 재배와 생물학, 전기분해에 초점을 맞췄다. 톈궁 실험은 실온과 표준 압력에서 이산화탄소 환원 시스템이 탄화수소와 산소를 궤도상에서 생산했다는 첫 보고다. 이 단계는 하나의 장치 안에서 생명 유지와 추진제 공급을 결합한다. 저궤도와 달 주변 공간, 달 표면 어디에서든 미래의 플랫폼이 시도할 수 있는 일의 기준을 높였다.

경쟁은 발전을 앞당길 수 있다. 중국은 달 기지와 심우주 임무를 계획하고 있어 이 기술을 확대하려 할 것이다. 미국과 유럽, 일본 등도 현지 자원 활용 프로그램을 진행 중이며 조만간 자체 시연에 나설 수 있다. 엔지니어들이 원하는 것은 까다로운 관리 없이 수개월간 작동하는 실용적인 장비다.

핵심 내용

• 선저우 19호 우주비행사들이 톈궁에서 인공 광합성 실험 12차례를 진행했다.
• 장치는 실온과 표준 압력에서 CO2와 물을 산소와 에틸렌으로 전환했다.
• 실험을 통해 미세중력 환경에서의 유체 제어와 실시간 탐지를 검증했다.
• 촉매를 바꾸면 용도에 따라 메탄이나 포름산을 생산할 수 있다.
• 국제우주정거장의 물 전기분해와 비교해 전력 수요를 낮추는 것이 이 방식의 목표다.
• 에틸렌은 추진제로 쓰거나 다른 연료와 재료를 만드는 원료로 활용할 수 있다.
• 중국은 궤도상 생산을 급유 실험과 연계하고 2030년 이전 유인 달 착륙을 계획하고 있다.
• 앞으로 생산량 확대와 장기간 안정성 확보, 안전한 저장 및 취급이 주요 과제로 남아 있다.