달 채굴 시설은 동부 마레 세레니타티스(Mare Serenitatis)의 자원이 풍부한 화산 토양에서 산소를 수확합니다. 사진 제공: NASA/Pat Rawlings
달에서 자원을 추출하기 위해 채굴하는 것은 인류가 태양계로 가는 길에서 중요한 단계입니다. 달에서 가장 흔한 자원 중 하나인 티타늄은 지구에서 상대적으로 가치 있는 것으로 간주됩니다.
톤당 $10,000로 항공 우주 및 나노 기술과 같은 다양한 산업 분야에서 사용되는 가장 가치 있는 금속 중 하나입니다. 그렇다면 달에서 채취한 티타늄을 활용하여 지구 경제에 이 귀중한 물질을 더 많이 공급할 수 있을까요? 이 질문은 핀란드 웁살라 대학의 연구원들이 쓴 논문의 초점입니다.
우주에서 아홉 번째로 흔한 원소인 티타늄이 달에 풍부하다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 달에 있는 티타늄의 대부분은 일메나이트(ilmenite)라고 불리는 광물에 포함되어 있으며, 이 광물은 지구에서도 미터톤당 약 390달러에 구입할 수 있습니다. 일메나이트는 아폴로 우주비행사들이 착륙하여 샘플을 수집했던 고요의 바다(Sea of Tranquility)에 있는 일부 암석 부피의 20%를 차지합니다.
유럽 지질학 저널에 발표된 새로운 연구의 저자인 르노 멀(Renaud Merle), 미카엘 회크(Mikael Höök), 발렌틴 트롤(Valentin Troll), 알렉산더 기글링(Alexander Giegling)은 달의 이 위치에서 사용할 수 있는 잠재적인 티타늄의 양을 정확하게 나타내기 위해 두 가지 다른 농도의 일메나이트를 조사했는데, 이 지역의 일반 표토암은 3%, 아폴로 우주비행사들이 표본을 채취한 현무암은 15%였습니다. 그런 다음 그들은 이 지역에 있는 광산의 잠재적 생산량을 세계에서 가장 생산성이 높은 노르웨이의 텔네스 광산과 비교했습니다.
Tellnes는 세계에서 가장 풍부한 티타늄 매장지 중 하나이며, 채굴에 사용할 수 있는 것으로 추정되는 5억 7,500만 미터톤이 매장되어 있습니다. 고요의 바다의 규모에 비해 크기는 왜소하지만 18%라는 높은 농도의 TiO2를 함유하고 있습니다. 중요한 것은 매년 750킬로톤의 일메나이트를 정기적으로 생산한다는 것이며, 이는 전 세계 티타늄 생산량의 약 5%를 차지합니다.
광산을 운영하려면 대형 굴착기와 6대의 대형 덤프트럭이 필요합니다. Caterpillar에서 제조한 굴착기와 덤프트럭은 전체적으로 거의 2,500톤의 자재를 달로 운송할 수 있습니다. 저자들은 새턴 V를 40회 이상 발사해야 할 것으로 추정하는데, 이는 ISS를 완전히 건설하는 데 걸린 횟수와 거의 같습니다.
장비가 달에 도착한 후에도 여전히 전원을 공급해야 합니다. 현재 이 거대한 기계에 동력을 공급하는 대형 디젤 엔진은 달에서 실제로 선택할 수 있는 옵션이 아닙니다. 지구에서 7개의 기계를 모두 작동하는 데 필요한 총 전력은 약 11MW이며, 저자는 태양 에너지와 원자력의 조합으로 이를 충족할 수 있다고 생각합니다. 그러나 그들은 충분히 큰 배터리가 무게 계산에 어떤 영향을 미치는지에 대해서는 언급하지 않습니다.
그렇다면, 그러한 채굴 작업이 모든 것이 제자리에 있고, 전원이 공급되고, 운영된다면 얼마나 효과적일까요? 효과를 측정하는 방법에는 여러 가지가 있지만 먼저 생산된 티타늄의 총량을 살펴보겠습니다. 저자의 계산에 따르면 예상 채굴량은 연간 약 500kt(Tellnes 생산량의 약 2/3)이지만 이 수준까지 확장하려면 최대 20년이 걸린다는 점에 유의해야 합니다.
20년 동안 기술과 재료 사용 측면에서 일반적으로 많은 것이 바뀔 수 있으므로 궁극적으로 이 논문은 특히 지구의 광산이 증가하는 지구의 수요를 충족하기 위해 생산을 빠르게 확장할 수 있기 때문에 경제적인 솔루션으로 티타늄을 채굴하는 것이 왜 유익한지에 대한 설득력 있는 사례를 제시하지 않습니다.
그러나 채굴 과정에는 추가적인 이점이 있습니다. 티타늄을 추출하기 위해 일메나이트를 분해하면 로켓 연료에서 호흡에 필요한 공기에 이르기까지 모든 것에 필요한 산소도 방출됩니다. 따라서 티타늄을 구체적으로 추적하는 대신, 초기 달 채굴 노력은 일메나이트에 포함된 산소에 초점을 맞추면 부수적으로 지구에서 두 물질 중 표면적으로 더 가치 있는 티타늄을 생산할 수 있습니다.
그러나 저자들이 논문에서 지적했듯이 향후 10년 동안 그러한 프로젝트가 수행될 것인지는 의심스럽습니다. 그때까지 기술은 계속 발전하여 언젠가 누군가가 달에서 첫 번째 티타늄을 채굴할 것입니다.
이상의 기사는 2024년 10월 8일 Phys.org에 게재된 “How accessible is titanium on the moon?”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : How accessible is titanium on the moon? (phys.org)
* 추가정보 출처 : Assessing the plausibility of mining lunar titanium (zenodo.org)
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