월면토(Moon dust), 달표토(Lunar Regolith)

개요

월면토 혹은 달의 표토는 달 표면을 덮고 있는 비응결 입자층, 즉 달의 토양이라고 볼 수 있으며, 보통 달의 표면을 이루는 물질 중 직경 1 cm이하의 입자를 일컫는다. 물론 달의 토양은 지구의 토양과 특성이 매우 다르다. 월면토는 달을 이루는 암석층이 주로 운석 충돌과 태양풍에 의해 깨지는 작용 등에 의해 형성된 것이다.

월면토는 지구의 토양과 달리 물, 산소, 생물학적 영향이 거의 없는 상태이며, 날카롭고 접착력이 매우 높은 입자로 구성되어 있고, 독특한 맛과 화약냄새가 난다. 미세한 입자이므로 달의 환경에서 여러 가지 상황에서 대기 중으로 날릴 수 있으며, 달 개발이 이루어질 때 인간 건강 및 장비에 부정적 영향을 미칠 수 있다. 이와 함께 달 개발시 건물건설 및 식물 재배 등에 활용해야 하는 자원이기도 하다.

 

월면토의 생성 메커니즘은 다음과 같이 나눌 수 있다.

- 기계적 분쇄(Comminution): 운석 충돌로 암석이 미세 입자로 분해됨.

- 응집(Agglutination): 미세 유성체 충돌로 생성된 유리가 입자를 융합시킴.

- 우주풍화(Space weathering): 태양풍 및 우주선에 의해 지속적으로 표토의 광물 및 물리적 성질 변화.

- 달의 특정 지역에는 화산 유리 구슬 형태의 주황색 및 녹색 표토 퇴적물도 존재하기도 한다.

 

월면토의 주요 성질

달 표면의 미세 입자들은 태양에서 복사되는 자외선 및 X선에 의해 정전기를 띄게 되어(하전) 대기 중으로 부상할 수 있는데, 이것은 수 m에서 수 km까지 이르기도 하며, 이를 달 분수(Moon Foundation)이라고도 한다. 결국 달의 대기는 월면토의 일부를 지구상의 미세먼지처럼 포함하게 된다.

월면도의 밀도는 약 1.5 g/㎤이며 깊이에 따라 증가한다. 월면석은 모체가 되는 암석의 종류에 따라 다양한 광물로 구성되어 있으며, 확인된 주요광물로 플라지오클라제(plagioclase), 감람석(olivine), 오자이트(augite), 오르토피록센(orthopyroxene), 피지오나이트(pigeonite), 일메나이트(ilmenite), 크로마이트(chromite), 석영(quartz), 크리스토발라이트(cristobalite), 휘틀록라이트(whitlockite) 등이 있다. 또한 월면토는 유리질의 성분을 많이 포함하고 있는데 이것은 다양한 고온환경에 의해 월면토의 모체가 되는 성분들이 녹아서 된 것으로 보인다. 달의 표토는 일메나이트 함량에 따라 고티타늄(high-titanium), 낮은티타늄(low-ticium), 매우 낮은티타늄(very low-titanium)으로 구분되기도 한다. 지구의 토양은 수분을 많이 포함하는 미네랄이 풍부하며, 화학반응이 많이 일어나므로 산화상태가 높은데 비해 월면토는 수분이 없고, 지구의 토양대비 산화상태가 높지 않다.

달 탐사 혹은 영구적인 달기지를 건설하는 경우 월면토는 인간의 신체 혹은 기계장비들에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있기 때문에 공기청정시설 및 월면토를 깨끗하게 청소할 수 있는 시설에 대한 고려도 필요하다. 그러나, 월면토가 지구상의 미세먼지 대비 더 특이하게 인체에 유해하거나 기계장비에 손상을 입힐 수 있다는 연구결과는 없다. 단, 아폴로 프로그램 중 우주인들이 월면토에 노출되었을 경우 기침, 인후 따가움, 눈물, 시야흐림 등의 증상이 있었으며, 알레르기 반응 등이 노출될 때마다 악화되기도 하였다. 단, 월면토의 독성은 아폴로 프로그램 이후 종합적으로 연구되지는 않았으며, 위에서 언급한 다양한 증상들은 노출차단 후 24시간 이내에 대부분 해결되었다.

아폴로 프로그램을 통해 6개의 달 표면의 착륙지점에서 약 360 kg의 달의 암석을 채취할 수 있었다. 월면토를 비롯한 달에서 채취한 암석들은 처음에는 진공포장으로 보호되었으나 천천히 공기가 침투하였고 결국 달에서 가져온 모든 샘플들은 지구의 공기와 습도에 오염되게 되었다. 월면토들은 녹청색을 띄게 되었고, 지구에 존재하는 물 및 산소 분자와 결합함으로서 특유의 화학적 반응성이 사라졌다. 2022년 5월 과학자들은 월면토를 이용하여 식물을 성공적으로 재배할 수 있었다. 한편 2020년 12월 중국의 창어 5호 탐사선은 달에서 약 2 kg의 암석과 흙을 싣고 지구로 귀환할 수 있었다. 월면토는 달 개발이 본격적으로 이루어지면 달기지 건설, 달에서의 농작물에서 중요한 역할을 담당할 가능성이 높기 때문에 특성을 분석하고 활용성을 탐색하는 것은 매우 중요한 일이다.

달에서 움직이는 자동차(월면차) 및 여러 가지 달탐사를 위한 모의 실험을 위해 월면토를 유사하게 모사한 토양 인공 월면토(Lunar Regolith Simulant)역시 우리나라를 비롯한 다양한 국가에서 개발되었으며, 현재 전세계적으로 활발하게 사용되고 있다. 단, 이와같은 인공월면토들은 월면토가 지구와 다르게 산화가 없는 진공의 환경에서 생성되었다는 태생적 특성으로 월면토를 완벽하게 재현하는 것에 한계가 존재하는 것도 사실이다. 또한, 지구는 달 표면 대비 중력이 매우 높기 때문에 월면토가 대기중에 비산하는 효과의 재현도 어려운 상황이기도 하다.

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그림. 월면토의 조성 (출처 : www.reearchgate.net)