건축/환경에너지

Nikkei Construction_2018.11.12 (p24~25)

NEWS 기술
달과 화성의 토양만으로 인프라 건설
‘달의 모래’ 로부터 150N/㎟의 압축 강도를 지닌 자재를 제조

오바야시구미(大林組)는 우주항공연구개발기구(JAXA)와 공동으로 달과 화성으로부터 입수한 토양만으로 건설 자재를 제조하는 기술을 개발했다. 마이크로파에 의한 가열 및 프레스 기계를 사용한 압축을 통해 물이나 혼합물을 사용하지 않고 다져서 성형한다. 앞으로 지구 이외의 천체에서 기지 및 도로를 건설할 경우에 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

지구에서 우주로 자재를 옮기기 위해서는 방대한 비용이 필요하다. 10㎏의 블록을 로켓에 실어 발사하기 위해서는 10억엔이 소요된다고 한다. 따라서 지구 외의 혹성 등에서 구조물을 만들기 위해서는 현지에서 입수할 수 있는 재료만으로 건설 자재를 제조할 필요가 있다.

달이나 화성의 토양은 어느 쪽도 지구상의 것과 성분 및 성질이 다르기 때문에 각각의 특성에 따라 제조 방법을 개발했다. 달 표면에서 입수한 것은 표면에 퇴적해 있는 입자가 고운 모래이다. 규소 및 철의 산화물을 많이 함유하고 있어 용암이 굳은 현무암과 비슷한 조성(組成)을 가지고 있다.

개발에 사용한 시료에는 아메리카 항공우주국(NASA)이 아폴로 계획에서 달로부터 가져 온 흙을 참고하여 조성 및 입도를 조정한 모의 모래(시뮬런트)를 사용. JAXA가 제조해 제공했다.

달에서는 물을 구하기 힘들 것으로 예상되므로 오바야시구미는 달 표면의 흙에 마이크로파를 조사(照射)시켜 다지는 방법을 제안했다. 먼저, 히터의 역할을 하는 발열체로 시료의 시뮬런트를 감싼다. 그 다음에 마이크로파로 시료를 1,000~1,100℃로 가열하면 모래의 표면이 녹아내려 딱 달라붙게 된다. ‘쌀강정’처럼 내부에 공간이 많이 남아 있으나, 압축 강도는 약 15N/㎟로 벽돌과 같은 정도가 되었다.

또한 1,200℃까지 온도를 높이면 모래의 입자 전체가 녹아내려 일체화됨으로써 분출한지 얼마 안 된 용암처럼 된다. 공간이 없어져 체적이 60%정도로 줄어드는 반면, 식어서 굳으면 압축 강도(强度)는 약 150N/㎟까지 상승. 생성에 필요한 에너지는 늘어나지만, 고강도 콘크리트 수준의 강도가 된다는 사실을 확인했다.

강도가 다른 2종류의 자재는 용도에 따라 구분해서 사용할 수 있다. 예를 들어 1,000~1,100℃로 소결(燒結) 한 재료는 달표면 탐사기 등이 달리는 도로의 포장으로서 사용해, 1,200℃에서 융해시킨 재료는 보다 센 강도가 요구되는 로켓 발사 기지에 사용된다. 달의 중력은 지구의 6분의 1 정도이므로, 지구와 같은 규모의 구조물을 만들 경우에도 건설 자재의 강도는 낮아도 괜찮다. 마이크로파의 생성에 필요한 에너지는 태양광 발전으로 처리할 계획이다.

-- 화성의 토양은 압축해서 성형 --
한편, 물이 있을 것으로 예상되는 화성에서는 토양에 7~8%의 함수비를 필요로 하는 점토 광물인 ‘벤토나이트’를 함유하고 있다고 추정되고 있다. 점토 광물은 끈적임이 있기 때문에 열을 가하지 않아도 압축해서 다질 수 있는 것이 특징이다. 여기에 토양을 상온에서 다지는 ‘콜드 프레스’라는 방법을 채택했다.

실제로 화성에서 채취한 토양이 없기 때문에 소재가 되는 시료는 벤토나이트와 시뮬런트를 배합해서 제작. 배합 비율을 바꿔서 세 종류의 시료를 만들어 각각의 성질을 확인했다.

프레스 기계에서 압축 형성한 시험체의 압축 강도는 5~10N/㎟ 정도이다. 오바야시구미 기술연구소의 모리(森) 연구원은 “성형할 때 크게 힘을 주면 압축 강도도 증가하지만, 13N/㎟ 정도에서 더 이상 올라가지 않고 머물러있다”라고 말한다. 높은 강도를 요구하는 구조물에는 충분히 적용 가능하지만, 용도를 확대하기 위해 더욱 강도를 높이려는 검토를 추진하고 있다.

 -- 끝 --