달나라 생활에 꼭 필요한 흙먼지 청소기

NASA는 2024년에 남녀 우주비행사 각 1명을 달에 보내는 아터미스 계획(Artemis program)을 준비하고 있다. 달에 도착한 두 우주비행사가 그곳에서 해야 할 가장 중요한 일의 하나는 물을 찾는 것이다. 물이 존재한다면 지구에서 물과 호흡용 산소를 많이 운반해 가지 않아도 되기 때문이다. 그런데 아테미스 계획을 성공시키려면 ‘달 표면을 뒤덮고 있는 많은 흙먼지’를 쉽게 청소할 수 있어야 한다. (‘아터미스 계획’에 대해서는 본사 블로그에서 ‘아터미스 프로그램’을 입력하면 자세한 내용을 볼 수 있다.)

달 표면에서 작업할 때, 표면을 덮고 있는 작은 흙먼지들이 우주복에 붙거나, 장비들의 틈새로 들어가면 고장이 발생한다. 달에서는 표면을 뒤덮고 있는 거칠고 미세한 먼지를 청소할 도구가 반드시 필요하다.

달 표면에 왜 먼지가 많을까? 달이 생겨난 이후 수십억 년 동안, 그 표면에는 헤아릴 수 없이 많은 소행성과 운석이 충돌했고, 그럴 때마다 커다란 운석공이 생겨나고, 암석들은 깨어져 작은 가루가 되었다. 달의 암석가루들은 마치 유리나 도자기의 가루(사금파리)처럼 가장자리가 날카로우면서 크기도 다양하다. 바람이 없는 달에서는 먼지가 날려가지 않고 달나라 전체를 덮는다.

달 표면에서 소행성이나 운석 충돌로 형성된 암석과 그 조각들은 태양이 비치면 뜨거워지고 그늘지면 급격히 냉각될 때마다 신축(伸縮)이 반복되어, 점점 작은 조각(가루)으로 변했다. 아폴로계획 때 달에서 가져온 270g의 먼지를 조사한 과학자들은 그들의 크기가 20-38µm 정도로 미세하다고 했다. 이때 달에서 채취한 가루는 지표면에서 100cm 높이에 쌓여 있던 것이었다. 과학자들의 연구에 의하면, 달 표면에 이런 가루먼지가 1mm 쌓이려면 1,000년 이상 걸릴 것이라고 한다.

달 표면의 사금파리 가루들은 태양에서 오는 방사선(빛)을 받을 때, 전자들이 잔뜩 생겨나 정전기(靜電氣)를 갖게 되므로 어디에나 들어붙는다. 마치 양털에 문지른 플라스틱 막대에 먼지가 달라붙는 것과 같은 현상이 일어나는 것이다. 연마(硏磨)가루처럼 거친 달 먼지는 우주복, 착륙선, 달차, 관측 장비 모든 것에 들어붙고, 달착륙선과 달기지의 실내까지 들어가게 된다. 심지어 거친 먼지는 우주비행사의 폐 속으로도 들어가게 된다. 또 먼지들이 우주탐험선의 내부 계기들 틈새에 들어가면 고장이 발생하기도 한다.

문제는 이런 달의 사금파리 가루들을 청소하기 어렵다는 것이다. 공기가 없는 달에서는 진공청소기도 무용지물이고, 빗자루로 쓸어도 구석진 틈새에 들어간 먼지는 제거하기 어렵다. 이런 달의 먼지를 청소하는 장치가 드디어 개발되었다. 콜로라도 보울더 대학의 물리학자 호라니(Mihaly Horanyi)와 동료 과학자들은 ‘전자 빔’(electron beam)을 쏟아내는 ‘전자 빔 먼지청소기’(electron-beam broom, 전자청소기)를 발명하여, 그 내용을 2020년 8월 8일자 학술지(Acta Astronautica)에 발표했다.

1970년대에 아폴로계획이 추진될 때, 우주비행사들은 우주복과 온갖 장비에 들어붙는 먼지를 쓸어내는 도구로 사진과 같은 페인트 붓 비슷한 것을 사용했다. 이것으로 우주복을 털고, 달착륙선에 떨어진 먼지도 청소했다. 그러나 이 붓으로는 구석진 곳이나, 우주복 섬유 틈새로 들어간 먼지는 쓸어낼 수 없었다.

달까지 2사람의 우주비행사를 싣고 갔다가, 다시 지구로 귀환시킬 아터미스 우주선의 모습이다.

호라니 팀이 발명한 전자청소기는 청소 효과가 매우 좋은 것으로 알려졌다. 전자를 대량 방출하는 반도체를 이용한 먼지청소기에서 전자 빔(음전기)이 방사되면, 먼지들은 전자 빔의 정전기에 끌려오기도 하고, 먼지 입자들이 가진 동일한 음전기(-)끼리 반발하는 현상이 나타나 떨어져 나오기도 한다. 그들의 전자청소기는 실험에서 75-85%까지 먼지를 청소할 수 있었다. 이제 남은 연구는 나머지 약 4분의 1 먼지를 어떻게 전부 청소하도록 하는가이다.

달나라에서 인간이 장기간 지내려면 반드시 흙먼지 청소 문제도 해결해야 한다. 아터미스 계획이 시작되는 2024년이 오기 전에 ‘달 먼지 청소기’가 성공적으로 개발되기를 희망한다. — YS

​