과학자들이 미래 화성 탐험가들을 위해 화성에서 산소를 생성 할 수있는 새로운 방법을 찾았다.

패서디나(Pteadena)에 있는 캘리포니아공대(Caltech) 연구팀은 혜성이 어떻게 산소 분자를 생성 하는지를 설명하는 새로운 접근방법을 제시했다. 화성에서 산소를 만들면 지구에서 산소를 운반하는데 드는 비용과 노력을 절약 할 수 있다.

연구팀은 혜성 연구에서 새로운 산소 생성 반응을 확인했다. 해왕성 궤도 너머에있는 오트 클라우드(Oort Cloud)라고 알려진 작은 얼음 혜성은 태양계 멀리에서 궤도를 시작한다. 혜성 궤도가 태양에 가까이 오면 태양열로 혜성의 얼음은 분리되기 시작한다. 이 반응은 수천 마일에 걸쳐 늘어나는 긴 꼬리를 만든다.

우주에서 산소를 형성하는 이미 알려진 하나의 방법은 운동 에너지를 이용하는 것이다. 승화하는(sublimating) 혜성은 태양풍(태양으로부터 방출되는 입자의 일정한 흐름)을 통과하며 분리 물 분자를 혜성 표면으로 밀어 넣을 수있는 환경을 만든다. 마찰 표면에 산소 함유 화합물이 있으면, 물을 흡수하는 분자가 산소 원자를 분리해 분자 산소를 생성 할 수 있다.

이산화탄소를 금막에 가속충돌, 분자 산소와 탄소 원자로 분리하는 모식도. credit:Caltech.

연구팀은 분자 산소를 이산화탄소 반응을 통해서도 생산할 수 있다고 말한다. 이산화탄소는 하나의 탄소 원자와 두 개의 산소 원자를 포함한다. 전 칼텍 박사후연구원 연시 야오(Yunxi Yao)와 칼텍 화학공학교수 콘스탄티노스 기아피스(Konstantinos Giapis)는 이산화탄소를 금박에 충돌시켜 이 반응을 시뮬레이션했다. 금박은 산화될 수 없으므로 자체적으로 분자 산소를 생성할 수 없다. 그러나 이산화탄소가 고속으로 호일에 들어가면서 금 표면에서 분자 산소를 방출한다.

이는 산소의 두 원자가 이산화탄소 분자에서 분리되면서 효과적으로 산소 분자로 분해되는 것을 의미한다. 이산화탄소가 어떻게 분자 산소로 분해되는지 더 잘 이해하기 위해 칼텍 화학교수 톰 밀러(Tom Miller)와 박사후 연구원 필립 서스코브(Philip Shushkov)는 컴퓨터 시뮬레이션을 만들었다.

반응을 모델링 할 때 한 가지 과제는 반응하는 분자가 매우 흥분해 복잡한 방식으로 진동하고 회전하는 것이다. 밀러는 “일반적으로 흥분한 분자는 특이한 화학 반응을 일으킬 수 있다”며 “그러나 흥분 상태는 분자 산소를 만들지 않고 분자는 다른 생성물로 분해된다”고 말했다.

과학자들은 극단적으로 ‘구부러진’이산화탄소 분자가 이산화탄소를 자극하지 않고도 생성 될 수 있음을 발견했다. 이 기하학적으로 특이한 모형의 분자를 통해 산소를 생성한다.

야오와 기아피스는 이산화탄소 분자를 금박에 충돌, 이산화탄소 분자를 전기적으로 하전한 후 전기장을 사용해 가속했다. 기아피스는 반응이 더 느린 속도로 진행될 수 있으며, 이는 화성 대기 높은 고도에 산소가 떠 다니는 이유를 설명 할 수 있다고 말했다.

연구진은 “이산화탄소에 충분한 속도로 돌을 던져도 똑같은 반응을 얻을 수 있다”며 “돌을 혜성이나 소행성이 우주를 가로지를 때 만큼 최대한 빨리 던질수 있다면 가능하다”고 말했다.

그동안 과학자들은 화성 대기 중 산소가 태양 자외선이 행성 대기 이산화탄소 분자에 닿은 후에 발생한다고 생각했다. 그러나 기아피스는 화성 산소가 대기 중에 고속으로 가속된 먼지 입자가 이산화탄소 분자와 충돌 할 때 생성 될 수 있다고 이론화했다.

기아피스가 만든 반응기는 매우 수율이 낮다. 가속기를 통과하는 100개의 이산화탄소 분자 가운데 하나 또는 두 개의 산소 분자를 생성하는 수준이다. 그러나 연구팀은 화성에서 우주 비행사가 호흡 할 수있는 공기를 만들기 위해 그의 반응기가 개선될 수 있다고 설명했다. 지구에서 이 반응기는 이산화탄소(유력한 온실 가스이자 지구 온난화의 주요 동인)를 대기로부터 분리해 산소로 전환 시키는데 활용 할 수도 있다.

기아피스는 이 연구에 대해 화성에서 숨쉴 정도의 산소를 만들기 위한 해답은 아니지만 매우 어려운 문제에 대해 무언가를 시도할 수는 있을 것이라고 말했다.

야오가 이끈 관련 연구 논문은 5월 24일 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 게재됐다.

*논문 제목
Direct dioxygen evolution in collisions of carbon dioxide with surfaces
*저자
Yunxi Yao, Philip Shushkov, Thomas F. Miller III & Konstantinos P. Giapis