1. 서 론

달에서 얼음과 헬륨-3 등이 발견됨에 따라 달은 자원개발, 심우주 탐사를 위한 전진기지로 새롭게 주목받고 있다. 최근에는 경제성을 고려해 지속가능한 우주 행성 탐사 및 개발을 가능하도록 하는 현지자원활용(ISRU, In-Situ Resource Utilization)이라는 개념이 주목받고 있다. 특히, 달 행성에서는 달 표면의 토양(월면토)이 ISRU를 위한 잠재적인 건설재료로 조명 받고 있다(Anand et al., 2012; Taylor et al., 2016; Lim et al., 2017). 미세유성우 및 태양풍 등으로 인한 충격으로 생성되었다고 알려진 월면토의 경우 현재 전 세계적으로 극소량을 보유하고 있어 이를 활용한 건설재료 생산관련 연구수행에 한계가 있다. 이러한 제한을 극복하기 위해 우주개발 선진국에서는 현재 월면토에 관한 연구를 수행함에 있어 인공월면토를 개발해 활용하고 있다. 미국항공우주국(NASA, National Aeronautics and Space Administration)의 MSFC(Marshall Space Flight Center)에서는 인공월면토가 국제적으로 공인받기 위한 기준(원재료, 화학조성, 물리적 성질, 지반공학적 성질 등)을 제시하고 있다(Sibille et al., 2006). 대표적인 인공월면토로는 미국의 JSC-1(Johnson Space Center)(Mckay et al., 1994; Willman et al., 1995)이 있으며, 인공월면토 생산 관련된 국제표준(ISO, 2014) 및 특허(Hung and McNatt, 2012; Weinstein and Wilson, 2013)가 출원되어 있는 실정이다. JSC-1을 토대로 ALS-1(Arizona Lunar Simulant)(Garnock and Bernold, 2012), DNA-1(De NoArtri) (Cesaretti et al., 2014) 등이 개발되었으며, 우리나라도 한국형 인공월면토(KLS-1, Korean Lunar Simulant-1)를 개발한 바 있다(Ryu et al., 2015; 2018).

한국건설기술연구원에서는 KLS-1 1톤을 활용해 달 행성 지상 환경 모사(진공)를 위한 파일럿 테스트를 진행한 바 있다(Chung et al., 2019). 또한 최근 대규모 지반 열 진공 챔버(DTVC, Dusty Thermal Vacuum Chamber)를 구축하여 향후 이를 활용한 연구가 활발히 진행될 예정이다. DTVC가 요구하고 있는 KLS-1의 양은 최소 16톤에 달할 뿐만 아니라 인공월면토를 활용한 건설재료 생산, 지반조사를 위한 행성 모의 지형 정보 파악 등 다양한 연구목적으로 대량의 KLS-1이 필요한 실정이다. 그러나 현재 KLS-1 생산은 전적으로 인력에 의존하고 있어 하루 최대 생산량이 20kg에 미치지 못하는 실정이다. 따라서 향후 다양한 연구에 부합할 수 있도록 효율성을 극대화한 대량생산 시스템이 요구된다.

또한 월면토에서만 발견되는 nanophase-Fe(0)(이하 np-Fe(0))은 월면토 고유의 특징으로(Keller and McKay, 1993; 1997) 달 행성, 특히 달 먼지에서 매우 안정적인 상태로 존재하고 있다. np-Fe(0)은 미세유성우 및 태양풍(수소 96% 및 헬륨 4%로 구성) 충격 등으로 인해 생겨난 월면토 생성과정과 밀접한 연관이 있으며 물과 대기가 희박한 달 행성 환경이 영향을 미쳐 지구에서는 발견되지 않는 np-Fe(0)이 발견되는 것으로 추정된다(Taylor, 1988). Np-Fe(0)은 마이크로파 소결법을 활용한 건설재료 생산 기술 등 ISRU에 큰 영향을 미치는 인자로 평가되고 있어(Taylor and Meek, 2005) 인공월면토의 고도화 및 월면토와의 유사성 향상을 위해 반드시 모사되어야 할 특징이나, 아이디어를 제외하면 아직까지 np-Fe(0) 특성을 실제로 모사한 인공월면토 유관연구는 미미한 실정이다(Liu et al., 2005, 2007; Tang et al., 2010; Hung and McNatt, 2012).

본 연구에서는 인력 중심의 KLS-1 생산성 한계를 벗어나 150~200kg/day의 대량 생산이 가능한 반자동화 시스템과 np-Fe(0)이 함유된 고도화된 KLS-1 전처리 과정에 대한 실험적 연구를 소개하고자 한다.

2. 한국형 인공월면토(KLS-1)

NASA MSFC는 인공월면토를 ‘지구 또는 유성체로부터 얻을 수 있는 자연적 혹은 합성 물질로 만들어진 재료로 달 토양의 물리·화학적 특성들을 모사한 흙’으로 정의하고 있으며, 현무암(basalt), 사장암(anorthosite), 유리결정(glass fragment), 먼지(lunar dust), 어글루티네이트(agglutinate), np-Fe(0)과 같은 월면토의 구성성분을 적절하게 선택, 혼합, 가공할 때 월면토와 잘 매칭될 수 있다고 언급하고 있다. 또한 국제적으로 공인된 JSC-1 등을 월면토의 지반공학적, 화학적, 광물학적 특성 등을 결정하기 위한 재료로 활용하며 국제적으로 공인받기 위해 요구되는 기준(원재료, 화학조성, 물리·화학적 성질 등)을 제시하고 있다(Sibille et al., 2006).

국내에서도 이러한 조건에 입각해 국내 현무암 지대(경기도 연천, 강원도 철원, 경상북도 포항, 제주도)에서 화학성분의 유사성(전체 Fe 함유량, 구성성분 등), 지속가능성 등을 고려해 강원도 철원의 신생대 4기 관입 현무암을 모암으로 선정하고 KLS-1을 개발하였다. Fig. 1에서는 월면토(McKay et al., 1972) 및 JSC-1과 함께 KLS-1의 입도분포곡선을 나타내고 있다. KLS-1은 월면토와 인공월면토로 국제적으로 가장 널리 활용 및 인정받고 있는 JSC-1 사이에 위치하고 있어 물리적 특성 및 화학적 구성성분의 유사성이 입증되었다. 또한 KLS-1을 비롯한 월면토 및 JSC-1 등을 활용해 전단강도, 압밀시험 등 몇 가지 기초실험을 수행하고 지반공학적 특성을 비교분석하여 KLS-1이 인공월면토로 활용되기 적합한 재료임을 입증하였다(Ryu et al., 2015; 2018). 향후 KLS-1을 활용한 다양한 실험적 연구수행을 위해서는 대량의 KLS-1이 필요한 실정이나, 아직까지 뚜렷한 생산 시스템 없이 인력으로 생산되고 있어 하루 최대 생산량이 20kg에 미치지 못하는 실정이다.

Fig. 1.

Particle size distribution curves of lunar regolith and simulants (Ryu et al., 2015; 2018)

3. 반자동화 대량생산 시스템 구축

앞서 언급한 바와 같이 달 행성의 지상 환경 모사 등 다양한 연구수행을 위해서는 KLS-1 생산속도 향상이 요구되는 실정으로, 본 장에서는 생산속도를 향상시킬 수 있는 반자동화 대량 생산 시스템을 구축하고자 하였다. 기존에 인력에 의존하던 KLS-1 생산 공정을 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 기계화 및 자동화 공정으로 새롭게 구축하여 생산율 향상에 초점을 맞췄으며 이동성을 고려한 모듈러 탑재 시스템을 고안하였다.

Fig. 2.

Schematic diagram of semi-automatic manufacturing system

반자동화 대량생산 시스템을 활용한 KLS-1 생산 공정은 Fig. 3에 나타낸 바와 같다. 먼저 유기물 제거 등을 위해 물로 씻은 원재료(raw material)를 약 2m³의 회전형 건조기에서 건조시킨다(Fig. 3a). 회전형 건조기는 콘크리트 혼합기와 같은 형상으로 설계 및 제작되었으며 외부단열 및 내부건조 기능을 추가적으로 갖추고 있다. 약 120℃의 온도에서 12rpm의 속도로 회전하며 내부 시료를 건조시키며, 이후에는 입도별 시료를 혼합하는 건조 혼합기로도 활용된다. 회전형 건조기는 통풍 시스템을 갖추고 있어 공기주입 및 습기배출이 동시에 가능하기 때문에 투입된 재료의 빠른 건조가 가능하다. 경험적으로 빠른 건조를 위한 투입 재료의 최적양은 전체 용량의 약 1/4인 0.5m³(약 300kg)가 가장 적당한 것으로 판정되었다.

건조를 마친 원재료는 조크러셔를 이용한 파쇄가 실시(Fig. 3b)되며 1차 파쇄공정을 거친 재료는 입경 4mm 이하로 선별된다(Fig. 3c). 선별된 재료는 상향식 스크류 컨베이어 이송장치를 통해 2차 파쇄장비로 이동하여 햄머밀을 활용한 그라인딩(2차 파쇄)이 실시된다(Fig. 3d). 조크러셔와 햄머밀은 파쇄목적에 따라 날 두께를 다르게 구성하였으나 구동방식은 동일하며 경험적으로 각각 약 100kg/h, 250kg/h의 속도로 작업이 가능하다. 기존 인력 중심 생산 시스템의 경우 파쇄공정의 속도가 원재료의 강도에 의존적이었으나, 본 연구에서 새롭게 구축한 대량 생산 시스템에서는 일정한 속도로 파쇄가 가능해짐으로써 정량적으로 생산량을 컨트롤 할 수 있게 되었다. 두 차례 기계화된 파쇄공정을 거친 재료는 상향식 스크류 컨베이어 이송장치를 통해 진동기능을 갖춘 대형 체분석 장비로 이동해 표준크기의 8개 체에 의해 입경별로 분류된다(Fig. 3e). 체분석 장비는 2개 세트로 구성되었으며 4번(4.76mm), 10번(2mm), 20번(0.85mm), 40번(0.425mm)을 1개 세트, 60번(0.25mm), 100번(0.15mm), 200번(0.075mm), 팬을 1개 세트로 구성하였다. 입경분류 공정은 경험적으로 약 500kg/h의 속도로 진행되며, 분류된 입경은 월면토와 동일한 입도분포로 회전형 건조기에 투입한 뒤 재입도된다(Fig. 3a). 본 연구에서 구축한 반자동화 생산 시스템은 인력에 의한 공정을 최소화하기 위해 총 3기의 스크류 컨베이어 이송장치가 활용되고 있으며 건조, 이동, 입경분리, 회전 공정은 모두 자동화 및 기계화하여 효율성을 극대화하고자 하였으며, 생산율은 경험적으로 약 150~200kg/day로 판정되었다.

Fig. 3.

Overall manufacturing process in regular sequence

4. 한국형 인공월면토 (KLS-1) 고도화를 위한 실험적 연구

Fig. 4에 나타낸 바와 같이 아폴로 임무를 통해 채취한 월면토 표면에서 다량의 np-Fe(0)이 존재하는 것이 투과 전자 현미경(TEM, Transmission Electron Microscopy) 관찰을 통해 확인되었다(Pieters et al., 2000; Zhang and Keller, 2010; Burgess and Stroud, 2017). 특히, 티탄철석(FeTiO₃, ilmenite)은 월면토를 이루는 광물 중 하나로 FeTiO₃ 표면에서 np-Fe(0)이 관찰되었다(Christoffersen et al., 1996). 따라서 본 장에서는 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 np-Fe(0)를 실험적으로 모사하기 위해 단열된 튜브 소결로에 FeTiO₃ 투입 후 태양풍과 유사한 5% 수소-아르곤 혼합기체를 흘려주며 고온으로 가열하는 수소기체 환원반응을 진행하였다.

Fig. 4.

TEM image of lunar regolith (Burgess and Stroud, 2017)

Fig. 5.

Experimental simulation of nanophase Fe(0)

4.1 실험조건

FeTiO₃ 수소 환원반응은 식 (1)에 나타낸 바와 같이 금속 철(Fe(0))과 이산화티타늄(TiO₂), 물(H₂0)이 생성되는 반응이다. FeTiO₃(Aldrich, 100 mesh, 99.9%) 800mg을 튜브 소결로에 넣고 소결로 내부를 아르곤 분위기로 조성하기 위해 진공처리 및 아르곤 가스 주입을 3회 반복하였다. 환원반응 시 np-Fe(0) 형성에 온도가 미치는 영향을 분석하기 위해 10℃/min의 승온속도로 700, 800, 900℃로 가열하였으며 약 2시간 동안 설정온도를 유지하였다. 실험하는 동안 400ml/min으로 5% 수소-아르곤 혼합기체를 주입하여 실험조건을 유지하였으며 반응 후에는 아르곤 기체를 주입하며 상온으로 냉각하였다.

4.2 실험결과

Fig. 6은 환원반응 시 온도에 따른 무게 감소 비율을 나타내고 있으며 무게 감소 비율은 식 (2)를 통해 계산되었다. 그 결과 반응 과정에서 형성된 물이 기화되어 초기 무게에 비해 결과물의 무게 감소가 나타났으며, 반응 온도가 높아질수록 무게 감소 비율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 환원반응의 온도가 높을수록 더 많은 Fe(0)가 생성될 수 있음을 의미한다.

Fig. 6.

Effect of reaction temperature on weight loss (%)

여기서 W₀는 초기 무게, W_t는 반응 후 무게다.

Fig. 7은 FeTiO₃의 환원반응 온도에 따른 생성물의 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)-후방산란전자(BSE, Backscattered Electron) 이미지를 나타내고 있다. BSE 이미지에서는 원소의 원자번호가 크거나 화합물의 평균 원자번호(average atomic number)가 클수록 상대적으로 밝게 나타나기 때문에 명암차에 따른 성분 구분이 가능하다(Steinberg et al., 2000). Ilmenite의 평균 원자번호는 Fe(0) 보다 작기 때문에 BSE 이미지에서 Fe(0)이 더 밝게 나타나므로 환원반응에 의해 생성된 Fe(0)의 식별이 가능하다. SEM-BSE 이미지를 통해 FeTiO₃ 환원반응 온도가 증가함에 따라 화살표로 표시한 밝게 보이는 입자들이 점차 많아지고 커지는 것을 볼 수 있다. 즉, 기존 ilmenite 표면에서는 관찰되지 않았던 수백 나노미터 크기의 구형 입자들이 고온에서 반응 후에는 표면 부분에 생성되었다. 좀 더 면밀한 관찰을 위하여 각 온도별로 환원 생성물에 대해 에너지 분산 X-선 분광기(EDX, Energy Dispersion X-ray Spectrometer) 측정을 통한 원소분포 분석을 실시하였다. Fig. 8에 나타낸 바와 같이 초기 FeTiO₃ 표면에는 산소(O)와 타이타늄(Ti), 철(Fe) 원소가 시료 전반에 걸쳐 고르게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다. 환원반응이 진행됨에 따라 O의 분포는 반응 온도에 큰 영향을 받지 않고 반응 후에도 시료 전반에 걸쳐 고르게 분산되어 있는 반면, Fe의 경우 환원반응 후 Fe 함량이 국부적으로 높아진 영역이 생성됨을 확인할 수 있으며 이러한 영역이 반응 온도가 증가함에 따라 함께 증가하는 것을 확인할 수 있다. Ti의 경우 환원반응이 진행됨에 따라 Fe이 생성된 영역에서는 발견되지 않는 것을 확인할 수 있는데 이를 통해 해당 영역의 ilmenite 표면에 Fe(0)이 형성된 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 7.

SEM-BSE images of ilmenite and reduced ilmenite at different temperatures

Fig. 8.

EDX elemental mapping of Fe, Ti, and O for ilmenite, and reduced ilmenite obtained at different temperature (Kim and Shin, 2019)

X-선 회절(XRD, X-Ray Diffraction)분석을 통하여 환원반응 온도에 따른 결과물의 화학조성을 측정하였다. Fig. 9에서 ●, ■, ▼는 각각 FeTiO₃, TiO₂, Fe(0)의 피크 위치를 표기한 것으로, FeTiO₃의 XRD 패턴에서 관찰되지 않은 Fe(0) 피크들이 2θ=44.58°, 62.68°, 82.29° 위치에서 새롭게 나타는 것을 확인할 수 있으며 이를 통해 환원반응이 진행됨에 따라 Fe(0) 성분이 생성되었음을 알 수 있다. 환원반응 후 FeO 및 Fe₂O₃의 XRD 패턴들은 관찰되지 않은 것으로 보아 산화철이 아닌 Fe(0) 성분이 FeTiO₃로부터 생성된 것을 알 수 있다. XRD 패턴에서 FeTiO₃(●)와 Fe(0)(▼)를 제외한 피크(■)는 TiO₂인 것으로 분석되었다. 이를 통해 환원반응 온도가 높아질수록 TiO2와 Fe(0)의 피크 세기가 강해지는 것을 관찰 할 수 있으며 XRD 패턴 비교를 통하여 반응 온도가 증가함에 따라 더 많은 Fe(0) 성분이 생성되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9.

XRD pattern of ilmenite and reduced ilmenite at different temperatures

5. 결 론

달은 지구와 가까워 우주탐사기술을 검증하기 위한 전진기지로서 활용가치가 높다. 우리나라는 2022년 한국형 시험용 달 궤도선(KPLO, Korea Pathfinder Lunar Orbiter)을 발사할 예정일 뿐 아니라 국제적으로 달 탐사 기술 개발 경쟁에 뒤처지지 않기 위해 다양한 연구를 수행 중에 있다. 최근에는 달 기지 건설 및 자원 개발을 목적으로 연구 개발에 집중하고 있으나 이를 위해서는 지구상에 달과 유사한 실증환경 조성이 선행되어야 한다. 그러나 아폴로 임무를 통해 채취한 월면토만으로는 물량의 한계와 달 전체를 대표하지 못하기 때문에 이를 활용한 달 행성 환경 모사는 현실적으로 불가능한 실정이다. 따라서 채취한 월면토와 유사한 특성을 지닌 인공월면토를 개발하고 채취위치를 착륙장 및 전진기지로 지정 및 활용하는 것이 하나의 대안이 되고 있다. 따라서 채취한 월면토와 물리·화학적 성질이 유사한 인공월면토의 개발은 지구상에서 유관연구를 진행하는데 필수라 할 수 있다.

국내에서 개발한 KLS-1은 NASA MSFC에서 제시하고 있는 인공월면토 기준을 충족하고 있으며, 국제학술지 게재 및 웹사이트(Cannon, 2020) 등록 등을 통해 국제적으로 인정받고 있는 인공월면토 중 하나이다. 그러나 KLS-1의 생산 공정 대부분은 인력에 의존하고 있어 하루 최대 생산량이 20kg에 미치지 못하는 실정이었다. 따라서 본 연구에서는 KLS-1의 대량 생산이 가능한 반자동화 시스템을 구축하고 1일 생산량을 평가한 결과(150~200kg/day)를 제시하고 있다. 최초 재료 주입 및 최종 재료 반출을 제외한 중간 과정(파쇄, 재료선별, 이송, 체가름, 재입도 등)은 모두 자동화 및 기계화하였으며, 그 결과 기존 생산 방식보다 약 7배 이상의 효율성을 가지는 것을 확인하였다.

또한, 월면토와의 유사성을 높이기 위해 월면토 고유 특성인 np-Fe(0)을 모사하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. Np-Fe(0)이 중요한 이유로는 월면토를 활용한 건설재료 생산 기술 등에서 np-Fe(0)이 지대한 영향을 미치기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 월면토를 이루는 광물 중 하나인 FeTiO₃를 튜브 소결로에 투입하고 태양풍과 유사한 5% 수소-아르곤 혼합기체를 흘려주며 고온으로 가열하는 수소기체 환원반응을 진행하였다. SEM-BSE, EDX, XRD 등 다양한 기법을 통해 환원반응 결과를 관찰한 결과 700℃ 이상에서는 모두 np-Fe(0)이 형성되는 것을 발견할 수 있었으며, 그 양은 온도가 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다. 현재까지 월면토에서 np-Fe(0)이 차지하고 있는 비율에 대해서는 명확히 밝혀진 적이 없으나, 향후 적절한 비율의 np-Fe(0)을 KLS-1과 혼합하는 공정을 생산 시스템에 추가한다면, 고도화된 KLS-1 생산 시스템을 기반으로 세계 우주산업에서 유리한 고지를 선점할 수 있을 것으로 기대된다.