볼록렌즈로 달에 포장도로를? 레이저로 실험

볼록렌즈로 달에 포장도로를? 레이저로 실험해봤다

달 먼지, 우주인의 고민

1960~1970년대 미 항공우주국(나사)의 아폴로 우주선 우주비행사들이 달에 착륙했을 때 가장 큰 골칫거리는 달 먼지였습니다. 달의 중력은 지구의 6분의 1에 불과하기 때문에, 조그만 충격에도 먼지는 공중으로 떠오릅니다. 아폴로 12호 사령관 피트 콘래드와 아폴로 17호 사령관 진 서난도 모두 먼지가 달에서의 활동에 큰 장애물이라고 지적했습니다. 특히 우주복, 금속, 기타 재료에 먼지가 달라붙어 문제를 일으켰다는 것이 이들의 공통된 지적이었습니다.

유럽우주국의 레이저 실험

이러한 문제점을 해결하기 위해 유럽우주국이 새로운 접근법을 시도했습니다. 그들의 PAVER Consortium 프로젝트에서는 인공 월면토에 레이저를 발사하여 단단한 바닥체를 만드는 실험을 진행했습니다. 이로써 달 표면의 먼지를 굳혀서 더 안정적인 환경을 만들 수 있게 되었습니다.

볼록렌즈를 이용한 태양열 모으기

유럽우주국의 이러한 레이저 실험은 물론 흥미롭지만, 볼록렌즈를 이용하여 태양열을 모아 같은 효과를 낼 수 없을까요? 볼록렌즈는 태양의 빛을 한 지점에 모을 수 있어, 그 열로 물체를 녹이거나 태울 수 있습니다. 이를 달의 특정 지역에 적용하면, 레이저와 유사한 효과를 거둘 수 있을 것으로 예상됩니다.

유럽우주국 과학자들이 인공 월면토에 레이저를 쏘아 단단한 바닥체를 만들었다. 유럽우주국 PAVER Consortium

미래의 달 탐사

달에 안정적인 활동을 위해서는 먼지 문제를 해결해야 합니다. 유럽우주국의 레이저 실험과 볼록렌즈를 이용한 태양열 모으기는 이러한 문제를 해결할 수 있는 유망한 방법 중 하나로 보입니다. 앞으로 이러한 기술이 실제 달 탐사에 적용되면, 먼지 문제로 인한 제약을 크게 줄일 수 있을 것입니다.

달 표면 탐사의 최대 위협, 달 먼지의 특성과 해결방안

달 먼지의 위협

달 먼지는 지름이 10~50㎛(1㎛=100만분의 1m)로 미세먼지 수준의 크기를 가지고 있습니다. 그러나 지구의 먼지와는 달리, 달 먼지는 끝이 뾰족하고 날카롭습니다. 이는 달에는 대기가 없어 바람에 의한 풍화작용이 일어나지 않기 때문입니다. 또한 광전효과로 인해 달 먼지는 정전기를 띠고 있어 쉽게 달라붙습니다. 이러한 특성 때문에 달 먼지는 우주비행사들에게 큰 위협을 가하고 있습니다.

바람에 의한 풍화작용이 없는 달에서는 먼지가 둥글지 않고 뾰족한 게 특징이다. Lehigh University 제공

아르테미스 프로그램과 달 먼지

미국이 현재 추진하고 있는 새로운 유인 달 착륙 프로그램인 아르테미스에서도 달 먼지 문제의 해결은 중요한 과제로 꼽히고 있습니다. 달 먼지로 인한 장비 손상이나 안전 문제를 최소화하려면, 달 표면을 안정화하는 방법을 찾아야 합니다.

달 먼지 해결을 위한 볼록렌즈 활용

달 먼지의 위협을 줄이려면, 달 표면에 착륙하거나 이동할 때 먼지가 휘날리지 않도록 해야 합니다. 이를 위해 볼록렌즈를 사용해 태양열을 모아 달 표토를 녹이는 방법이 제시되었습니다. 이 기술을 활용하면 달 표토가 단단한 구조로 바뀌어, 먼지가 쉽게 흩어지지 않게 됩니다. 이렇게 생성된 달 표면은 포장도로와 유사한 특성을 가질 것으로 예상되어, 우주비행사들이 달 먼지로 인한 장비 손상의 걱정 없이 달 표면을 이동할 수 있을 것으로 보입니다.

이러한 볼록렌즈를 활용한 방법은 유럽우주국의 레이저 실험과 유사한 접근법을 택하고 있습니다. 둘 다 달 표면의 먼지를 단단하게 만들어 안정적인 환경을 조성하려는 목표를 공유하고 있기 때문입니다.

달 먼지는 지구에 비해 끝이 뾰족하고 정전기를 띠는 등 특수한 특성을 가지고 있어, 달 탐사에서 큰 문제로 작용합니다. 하지만 볼록렌즈를 이용한 태양열 모으기나 유럽우주국의 레이저 실험 같은 창의적인 해결방안이 제시되고 있습니다. 이러한 기술이 실제 달 탐사에 적용되면, 먼지 문제를 크게 완화시킬 수 있을 것으로 기대됩니다.

집광 렌즈를 이용해 만든 달 포장도로 상상도. 유럽우주국 제공

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집광렌즈 대신 레이저로 개념증명 실험

독일 알렌대가 중심이 된 유럽우주국(ESA)의 국제공동 연구진은 레이저를 이용하여 달 표토와 유사한 성분의 인공 월면토를 녹이는 실험을 진행했습니다. 이 실험은 국제 학술지 '사이언티픽 리포트'에 발표되었고, 월면토가 단단해지는 개념증명에 성공했다고 합니다.

레이저의 특징과 장점

이 실험에서 특이한 점은 전기를 사용하는 히터 대신 레이저를 사용했다는 것입니다. 연구진은 달 표토를 녹이기 위해 필요한 집광용 볼록렌즈의 지름이 약 1.5m에 이를 것으로 예상했습니다. 그런데 이와 같은 열 에너지를 제공할 수 있는 레이저를 사용하면, 볼록렌즈의 필요성이 줄어들게 됩니다. 레이저는 훨씬 더 컴팩트한 형태로 같은 열 에너지를 제공할 수 있기 때문에, 이러한 점이 레이저의 큰 장점입니다.

연구진은 포장도로를 만들기 위해 서로 맞물릴 수 있는 삼각형을 비롯한 다양한 모양의 타일을 만들 수 있는지도 시험해 가능성을 확인했다. 사이언티픽 리포트

다양한 모양의 타일 제작 가능성

여러 차례의 실험을 통해 연구진은 달 먼지로 지름 약 25cm, 두께 약 2cm인 타일을 만들 수 있었습니다. 더불어 연구진은 포장도로를 만들기 위해 다양한 모양의 타일을 만들 수 있는지도 시험해보았고, 이는 삼각형 등 다양한 형태로 맞물릴 수 있음을 확인했습니다. 이러한 결과는 달에서의 인프라 구축에 있어서 새로운 가능성을 열어줄 것으로 보입니다.

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이 추가된 섹션은 독일 알렌대와 유럽우주국(ESA)의 연구진이 레이저로 달 표토를 녹여 단단하게 만드는 개념증명 실험에 성공했다는 놀라운 사실을 소개합니다. 레이저의 사용은 볼록렌즈의 큰 크기와 관련된 문제를 해결하면서도 동일한 열 에너지를 제공할 수 있어 매우 유망한 방법으로 여겨집니다. 또한, 다양한 모양의 타일을 만들어 달에서의 인프라 구축 가능성도 넓혀주고 있습니다.

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석달이면 달 착륙장 건설 가능?

레이저로 인공 월면토 가열

유럽우주국의 연구진은 12kW 출력의 레이저를 이용하여 인공 월면토를 가열하는 실험을 진행했습니다. 이 인공 월면토는 사장석, 감람석, 휘석으로 구성되어 있습니다. 실험 결과, 온도가 올라감에 따라 이 월면토는 점차 압축되고, 1200도에 이르면 콘크리트와 비슷한 강도를 지닌 검은색 유리 구조물로 변화했습니다. 이때 사용된 레이저 빔의 폭은 최대 10cm였습니다.

태양열로 착륙장 건설 가능성

이러한 실험 결과를 바탕으로 연구진은 집광렌즈를 이용하여 태양열을 모아 달 표면에 적용하면, 두께 2cm, 크기 100㎡의 착륙장을 약 115일 (대략 석달) 안에 건설할 수 있을 것으로 추정했습니다. 이는 달에 안정적인 활동 기반을 마련하는 데 큰 도움이 될 것으로 보입니다.

추가로 확인해야 할 사항들

그러나 연구진은 여전히 확인해야 할 점들이 많다고 지적했습니다. 예를 들어, 이렇게 생성된 타일이 로켓의 추력을 견뎌낼 수 있는지, 또한 달의 저중력 조건에서도 타일이 잘 만들어질 수 있는지 등은 추가 실험과 검증이 필요합니다.

논문 정보

더 자세한 정보는 다음 논문에서 확인할 수 있습니다:
Laser melting manufacturing of large elements of lunar regolith simulant for paving on the Moon. Sci Rep(2023).

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이렇게 달의 먼지 문제를 해결할 수 있는 다양한 방법과 기술들이 연구되고 있습니다. 레이저를 이용한 방법 외에도 볼록렌즈와 태양열을 이용한 방법도 효과적일 것으로 보입니다. 이러한 연구와 기술의 발전이 달 탐사와 그 이상의 우주 탐사에 큰 도움이 될 것으로 예상됩니다.

달의 먼지 문제는 오래 전부터 우주비행사들과 과학자들의 큰 고민 중 하나였습니다. 하지만 유럽우주국의 레이저 실험과 볼록렌즈를 통한 태양열 모으기 방법은 이 문제에 대한 새로운 해결책을 제시하고 있습니다. 미래의 달 탐사에서 이러한 기술이 적용될 경우, 먼지 문제를 크게 완화시킬 수 있을 것으로 기대됩니다.