화성 식민지 가능하게 만들 꿈의 소재 '실리카 에어로겔'

미국의 연구진이 실험을 통해 실리카 에어로겔을 이용해 화성 지표면에 막을 치면 내부 온도가 상승하고 물을 얻어 인간이 거주할 수 있는 환경을 만들 수 있다고 15일(현지시간) 밝혔다.

인류는 20세기부터 지구를 벗어나 화성 정복을 꿈꿔 왔다. 화성에 식민지를 세우고 사람들이 이주해 정착하는 것이다.

칼 세이건은 SF소설이나 영화가 아닌 학계에서 최초로 테라포밍(terraforming)을 제안했다. 테라포밍이란 행성 환경을 개조해 지구화 하는 것을 뜻한다.

세이건은 1971년 논문에서 "북부 극지방의 만년설을 증발시키면 지구 대기를 더 많이 만들고, 온실효과를 통해 지구온도가 상승하며 액체 상태인 물이 훨씬 많이 증가할 것"이라고 말했다. 세이건의 논문은 다른 연구자들과 미래학자들에게 화성 식민지 건설에 대한 생각을 진지하게 받아들이는 계기가 됐다.

문제는 화성의 대기압을 지구와 같은 수준으로 증가시킬 수 있는 충분한 온실가스와 물이 있는가다. NASA가 후원하는 콜로라도, 볼더, 북애리조나 대학의 연구진들은 2018년 화성에서 구할 수 있는 모든 자원을 활용한다 해도 지구 대기의 7% 밖에 만들지 못해 인간이 생존하는데 부족하다고 결론지었다.

화성을 식민지화하는 것은 실현 불가능한 꿈인 듯했다.

마침내 하버드 대학과 NASA의 제트 추진 연구소, 에든버러 대학의 연구진들은 새로운 아이디어를 생각해 냈다. 행성 전체를 바꾸려고하는 것이 아니라 좀 더 지역적 접근법을 채택한다면 어떨까?
연구진은 지구 대기 온실효과를 얻을 수 있는 실리카 에어로겔이라는 물질을 화성 표면 지역에서 활용해 거주할 수 있게 될 것이라고 제시했다. 이들은 모의 실험을 통해 2~3cm 두께의 실리카 에어로겔 보호막이 광합성에 충분한 가시광선을 투과하고 위험한 자외선이나 방사선을 차단하며 내부 열원 없이도 물이 얼지 않을 정도로 온도를 높일 수 있다는 것을 보여줬다.

이 논문은 네이처 Astronomy에 게재됐다.

하버드대학의 로빈 워즈워스 환경공학부 교수와 존 A. 폴슨 공과대학 교수는 "화성을 거주할 수 있게 하는 이런 지역적 접근방식은 행성 대기 전체를 바꾸는 것보다 훨씬 현실적"이라고 말했다. 두 교수는 이어 "화성을 거주할 수 있도록 만들기 위한 이전의 아이디어와는 달리, 이 방법은 우리가 이미 가지고 있는 재료와 기술로 체계적으로 개발하고 시험할 수 있는 것"이라고 덧붙였다.

NASA 제트 추진 연구소의 로라 케버 연구원은 "화성은 지구를 제외한 태양계에서 거주 가능성이 높은 행성"이라고 말했다. "하지만 아직까지 여러 문제들이 숙제로 남아있다. 거주가 가능한 작은 섬을 만드는 시스템은 인간이 화성을 지배할 수 있게 만들어 줄 것"이라고 전망했다.

연구원들은 화성에서 이미 일어나는 현상에서 착안했다.

얼린 물로 만들어진 지구의 극지방 만년설과 달리 화성의 극지방 만년설은 물과 이산화탄소의 혼합물이다. 냉동된 이산화탄소는 기체 형태처럼 열을 가두면서 햇빛이 스며들게 한다. 여름에는 얼었던 이산화탄소가 녹으면서 온실같은 효과를 내 얼음 아래 따뜻한 공간을 만든다.

워즈워스 교수는 "우리는 향후 화성에 거주 가능한 환경을 만들기 위해 어떻게 하면 이 온실과 같은 튼튼한 공간을 만들어 낼 수 있는지에 대해 생각하기 시작했다"고 말했다. 연구진은 어떤 종류의 물질이 열전도도를 최소화하면서도 가능한 한 많은 빛을 전달할 수 있는지에 대해 시험했다.

연구원들은 지금까지 만들어진 것 중 가장 뛰어난 단열성 물질 중 하나인 실리카 에어로겔에 이르렀다.

실리카 에어로겔은 97%의 다공성 물질이며, 이 물질은 빛이 통과하지만 이산화규소 적외선 복사선이 상호연결돼 열 전도를 크게 지연시킨다. 이 에어로겔은 오늘날 NASA의 화성 탐사 로봇을 포함한 몇몇 공학 응용 분야에 사용되고 있다. 케버는 "실리카 에어로겔은 단열효과가 뛰어나 오랫동안 한 지역을 따뜻하게 유지하기 위해 많은 양의 에너지나 움직이는 부품의 유지보수가 필요하지 않다"라고 말했다.

연구원들은 화성 표면을 모방한 모델링과 실험을 통해 이 물질의 얇은 층이 화성의 중간 위도의 평균 온도를 지구와 같은 온도로 증가시켰다는 것을 입증했다. 워즈워스는 "충분히 넓은 지역에 걸쳐 지표면 위에 이 물질로 만든 막만 있다면 영구적인 액체상태의 물을 얻는데 다른 기술이나 물리학이 필요치 않을 것"이라고 말했다. 이 물질은 화성에서 거주용 돔이나 독자적으로 생물이 살 수 있는 공간을 만드는 데 사용이 가능하다.

워즈워스는 "이 분야에서 제기되는 흥미로운 공학적 질문들이 많다"고 말했다. 연구진의 다음 목표는 남극이나 칠레의 건조한 계곡 등 지구상의 화성과 유사한 기후에서 이 물질을 실험하는 것이다.

워즈워스는 화성에 인간과 지구 생물이 거주할 수 있게 만드는 것을 논하는 것에 앞서 화성 보호에 대한 철학적이고 윤리적인 문제를 우선시 해야한다고 지적했다. 워즈워스는 "만약 화성에서 살 셈이라면 이미 그곳에 생명체가 존재하지 않는다고 확신할 수 있는가? 만약 생명체가 존재한다면 우리는 그것을 어떻게 해야 할까?"라고 물었다.

그는 이어서 "우리가 화성에 살기로 결심하는 순간 이 질문은 피할 수 없다"고 말했다.

[e-mail] 김만기 기자