우주 탐사에 산소는 필수품이다. 다른 행성에 도착한 우주선이 지구로 되돌아오는 왕복탐사가 가능하려면 연료를 연소시키기 위한 산소가 필요하다. 유인우주선이라면 호흡을 위해 더 더욱 산소가 필요하다. 따라서 탐사하고자 하는 행성에 산소가 존재하는지, 혹은 산소를 만들어내기 위한 물이 존재하는지의 여부는 매우 중요한 관심사이다.

NASA가 화성에서 처음으로 대기중 이산화탄소를 이용한 산소의 인위적 추출에 성공했다. 물을 사용하지 않고 공기 중의 이산화탄소를 분해하는 방식이어서 매우 획기적인 것으로 평가된다. 화성에 왕복탐사와 유인탐사를 가능케 하는 주요 관문을 연 셈이다.

이번 산소추출은 목시(Moxie)라는 장비를 이용해 이루어졌다. Moxie는 원래 ‘확신에 찬 태도’ 정도를 의미하는 슬랭 영어이지만 우주탐사에서는 ‘현장 자원 이용 실험 프로젝트’라는 의미로 사용되고 있다. 약 17킬로미터 중량의 이 장비는 공기중의 이산화탄소를 흡입해 섭씨 약 800도의 온도에서 전기적으로 분해한다. 이 과정에서 산소와 폐기물인 일산화탄소가 만들어진다.

화성의 이산화탄소를 이용해 산소를 추출해내는데 성공한 장비, 목시(Moxie)[사진=NASA제공]

화성의 대기는 약 96%의 이산화탄소로 이루어져 있다. 일단 현장 자원은 넘치도록 충분한 셈이다. 그렇지만 이번 분해한 양은 5그램 정도이다. 지금으로서는 추출 성공 자체에 의미를 부여할 수 밖에 없다. 다만 이 정도 양은 우주인 한 사람이 약 10분간 호흡하기에는 부족하지 않다.

귀환 우주선의 연료를 연소하기 위한 산소의 양은 얼마나 될까? 대략 25톤 정도인 것으로 평가되고 있다. 물론 산소만으로 귀환할 수는 없다. 추진 연료가 필요하기 때문이다. 화성의 경우 메탄이 가장 유력한 연료가 될 것으로 과학자들은 보고 있다. 필요량은 대략 7톤 정도. 화성의 토양 아래 얼어 있는 물에서 수소를 뽑아내고 여기에 화성 대기 중의 이산화탄소를 결합하는 방법이 가장 유력하게 거론되고 있다.

귀환 우주선의 연소용 산소를 지구에서 운반해가는 방법이 아예 불가능한 것은 아니다. 다만 비용이 문제다. 1킬로그램의 물체를 우주선에 실어 대기중으로 들어올리는데에 드는 비용은 우리돈으로 10억원 이상인 것으로 알려져 있다. 필요한 산소를 행성 현장에서 조달하는 것이 경제적일 수 있다는 얘기다.

우주인에게 호흡용으로 사용하게 될 산소의 경우는 아직 넘어야할 과제가 남아 있다. 이번 목시가 추출한 것과 같은 순수한 산소는 그대로 사용할 수 없기 때문이다. 폭발성이 높은데다가 인간의 혈관에 기포를 생성하는 등 유독하게 작용하게 된다. 지구의 경우에는 약 80%의 질소와 섞여 있기 때문에 인간의 호흡에 사용될 수 있지만 화성이라면 얘기가 달라진다. 화성의 대기중 질소는 약 3% 정도다.

유인우주선으로 사용됐던 스카이랩의 경우 약 75%의 산소와 25%의 질소 혼합기체를 호흡용으로 사용했다. 하지만 러시아의 미르 우주정거장, 소유즈 우주선, 나사의 우주왕복선 등에는 이미 지구와 같은 배합비인 질소 80% 정도의 기체를 사용하고 있다. 물을 산소와 수소로 분해한 다음 산소를 우주선 선실로 보내 선실 내의 질소와 결합하는 방식이다.

나사는 목시의 원리를 이용한 더 큰 장비를 화성에 보내 산소를 다량 생산하는 방법을 한가지 방법으로 두고 있다. 반면, 화성에 존재하는 물을 분해하는 방법도 같이 연구되고 있다. 이번 화성 탐사선인 퍼시비어런스(Perceverance)가 화성 토양 아래 존재하는 물을 탐지하기 위한 레이더를 부착한 것도 이같은 이유에서이다. 연구를 통해 호흡에 적절한 공기배합을 만들어내는 것이 주요 과제로 남아있다.

목시 역시 나름대로 여러가지 기후조건에서 산소를 계속 생산할 것으로 알려졌다. 다양한 순도로 생산하는 계획도 포함되어 있다.

향후 화성에 필요한 산소를 조달하는데 있어, 이번처럼 공기중의 이산화탄소를 분해하는 방식이 될지, 화성의 물을 분해하는 방식이 될지, 두가지 방법 모두가 될지는 좀 더 두고봐야 알 수 있을 것으로 보인다. 다만 이번 목시의 산소추출 성공이 왕복우주 탐사내지는 유인우주 탐사의 실현 가능성을 크게 높였다는 데에는 이론의 여지가 없을 것으로 보인다.