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달의 물

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1. 개요

달의 물은 달 표면과 지하에 존재하는 물의 형태를 지칭하며, 역사적으로 물의 존재를 확인하기 위한 다양한 탐사가 이루어졌다. 1970년대 소련의 루나 24호가 달 토양 샘플에서 물을 발견한 이후, 루나 프로스펙터, LCROSS, 찬드라얀 1호 등의 탐사선을 통해 극지방 크레이터에서 물 얼음의 증거가 발견되었다. 20세기 초 레오나르도 다 빈치는 달 표면이 물로 덮여 있다고 추측했지만, 19세기에는 달에 물이 없다는 연구 결과가 발표되기도 했다. 달의 물은 혜성 충돌, 태양풍의 작용, 그리고 달 내부에서의 생성 등 다양한 기원을 가질 수 있으며, 극지방의 영구 음영 지역에 얼음 형태로 존재할 가능성이 높다. 달의 물은 식수, 산소, 로켓 연료 생산에 활용될 수 있으며, 달 기지 건설의 비용 효율성을 높이는 데 기여할 수 있다. 달 자원 개발에 대한 법적 문제는 우주 조약과 각국의 법률에 따라 논의되고 있다.

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2. 역사

달에 물이 존재한다는 증거를 찾기 위한 노력은 오랜 역사를 가지고 있다. 1978년 소련의 루나 24는 달 토양 샘플에서 0.1%의 물을 발견했다.[25] 1998년에는 루나 프로스펙터가 달에서 물을 발견했다.[33]

2009년 11월, 나사(NASA)의 LCROSS는 달의 극지방에서 상당량의 하이드록시기를 발견했다.[54][55] 2010년 3월, 인도의 찬드라얀 1호에 탑재된 나사의 미니-SAR는 달의 북극 주변의 40개 이상의 그늘진 충돌구에서 대략 6억 톤의 얼음이 존재하는 것을 발견했다. 미니-SAR는 소형 합성개구레이다(SAR)이다.[56][52]

2. 1. 19세기 이전

16세기에 레오나르도 다 빈치는 자신의 레스터 코덱스에서 달 표면이 물로 덮여 있어 태양 빛을 반사한다는 가정을 통해 달의 빛을 설명하려 했다. 그의 모델에서 물 표면의 파도는 빛을 여러 방향으로 반사시켜 달이 태양만큼 밝지 않은 이유를 설명했다.[17]

1834년부터 1836년까지 빌헬름 베어와 요한 하인리히 메들러는 4권으로 된 Mappa Selenographica|마파 셀레노그라피카la를 출판했고, 1837년에는 책 Der Mond|데어 몬트de를 출판하여 달 표면에 물이 없고 상당한 대기도 없다는 결론을 내렸다.[18]

2. 2. 20세기

1961년, 캘텍(Caltech)의 연구원 케네스 왓슨, 브루스 C. 머레이, 해리슨 브라운은 극지방 달 크레이터 바닥에 얼음이 존재할 가능성을 처음으로 제기했다.[19]

;아폴로 계획

아폴로 우주 비행사가 수집한 달 암석 샘플에서 극미량의 물이 발견되었지만, 이는 오염의 결과로 추정되었고 달 표면의 대부분은 일반적으로 완전히 건조하다고 가정되었다.[22] 그러나 2008년 달 암석 샘플 연구를 통해 화산 유리 구슬에 갇힌 물 분자의 증거가 밝혀졌다.[23]

달 근처의 수증기에 대한 첫 번째 직접 증거는 1971년 3월 7일 아폴로 14 ALSEP의 초열 이온 감지기 실험(SIDE)에 의해 얻어졌다. 아폴로 14 착륙 지점 근처 달 표면에서 일련의 수증기 이온 폭발이 기기 질량 분석기에 의해 관찰되었다.[24]

;루나 24

소련 탐사선 루나 24에 의해 118cm 및 184cm 깊이에서 추출된 달 표토 샘플의 확산 반사 스펙트럼은 3, 5 및 6 μm 근처에서 최소값을 나타내며, 물 분자의 원자가 진동 밴드를 보여준다.


1976년 8월 18일, 소련의 루나 24 탐사선이 위기 해에 착륙하여 달 표토의 깊이 118, 143, 184 cm에서 샘플을 채취하여 지구로 가져왔다. 1978년 2월, 러시아 과학 아카데미 바르나스키 지구화학 및 분석 화학 연구소(Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry)의 소련 과학자 M. 악마노바, B. 데멘테프, M. 마르코프는 물을 비교적 확실하게 탐지했다고 주장하는 논문을 발표했다.[6][7] 그들의 연구는 1976년 소련 탐사선 루나 24가 지구로 가져온 샘플에 적외선 흡수 분광법(약 3 μm 파장)으로 질량의 약 0.1%의 물이 포함되어 있음을 보여주었고, 탐지 수준은 임계값보다 약 10배 높았다.[25]

;클레멘타인

미국 항공우주국(NASA)의 클레멘타인 탐사선이 두 달 날에 걸쳐 촬영한 달 남극 지역의 합성 이미지. 영구적인 그림자 지역은 물 얼음을 품고 있을 수 있다.


달의 물 얼음에 대한 제안된 증거는 1994년 미국 군사 클레멘타인 탐사선에서 나왔다. '양방향 레이더 실험'으로 알려진 조사에서 클레멘타인은 송신기를 사용하여 달 남극의 어두운 지역에 전파를 발사했다.[28] 이러한 전파의 반향이 지구상의 심우주 네트워크의 대형 접시 안테나에 의해 감지되었다. 이러한 반향의 크기와 편광은 암석 표면보다는 얼음 표면과 일치했지만, 결과는 결정적이지 않았고,[29] 그 중요성에 의문이 제기되었다.[30][31]

;루나 프로스펙터

1998년에 발사된 루나 프로스펙터는 중성자 분광계를 사용하여 극지방 근처의 달 표토에 있는 수소의 양을 측정했다.[32] 수소의 풍부함과 위치를 100만 분의 50 이내로 결정할 수 있었고, 달의 북극과 남극에서 수소 농도가 증가하는 것을 감지했다. 이는 영구적인 그림자 크레이터에 갇힌 상당량의 물 얼음을 나타내는 것으로 해석되었지만,[33] 수산기 라디칼(OH)이 광물에 화학적으로 결합되어 있기 때문일 수도 있다.

2. 3. 21세기

2005년, 딥 임팩트 우주선의 관측 결과, 달 표면에 물이 존재한다는 것을 시사하는 불확실한 분광 데이터가 생성되었다.[38] 2009년 6월, NASA의 ''딥 임팩트'' 우주선은 EPOXI로 명칭이 변경된 후, 달 근접 비행을 통해 결합 수소 측정을 추가로 수행했다.[22]

2007년 9월 발사된 일본의 가구야 탐사선은 달 표면의 다양한 원소의 풍부도를 측정하기 위해 감마선 분광법 관측을 수행했지만,[39] 달 남극 주변의 영구 음영 크레이터에서 물 얼음의 징후는 발견하지 못했다.[40]

2007년 10월 발사된 중화인민공화국의 창어 1호 궤도선은 얼음 물이 발견될 가능성이 높은 극지방 지역의 상세 사진을 촬영했다.[42]

찬드라얀 1호의 고도 구성(CHACE) 출력 프로파일을 통해 얻은 달 대기 중 달 물의 직접적인 증거


달 광물 지도 제작기로 촬영한 달 이미지. 파란색은 수산화물의 스펙트럼 특징을, 녹색은 태양으로부터 반사된 적외선 복사에 의해 측정된 표면의 밝기를, 빨간색은 휘석이라는 광물을 나타낸다.


2008년 11월 14일, 인도의 ISRO 우주선 찬드라얀 1호는 달 남극 섀클턴 크레이터에 달 충돌 탐사선 (MIP)을 발사하여 표면 아래 잔해를 방출했고, 잔해는 물 얼음의 존재 여부를 분석했다. 25분간의 하강 동안, 충돌 탐사선의 찬드라 고도 구성 탐사기(CHACE)는 달 표면 위의 얇은 대기에서 수집된 650개의 질량 스펙트럼에서 물의 증거와 반사된 햇빛에서 수산기 흡수선을 기록했다.[43][44]

2009년 9월 25일, NASA는 찬드라얀 1호에 탑재된 달 광물 지도 제작기(M3)에서 보낸 데이터가 달 표면의 넓은 지역에서 수소의 존재를 확인했다고 발표했다. 비록 농도가 낮고 토양에 화학적으로 결합된 수산기 그룹( · OH) 형태로 존재했지만 말이다.[8][45][46]

2010년 3월, 찬드라얀 1호에 탑재된 미니-SAR는 달 북극 근처에서 40개 이상의 영구적으로 어두운 크레이터를 발견했으며, 이 크레이터에는 약 6억 톤의 물 얼음이 포함되어 있을 것으로 추정된다고 보고되었다.[56][52]

NASA의 ''루나 정찰 궤도선'' 이미지에서 생성된 영구 음영 지역을 보여주는 비디오. 사실적인 그림자는 여러 달 동안 진화한다.


2009년 10월 9일, 센타우루스 발사체의 상단 로켓 단이 아틀라스 V 운반 로켓에 의해 카베우스 크레이터에 충돌하도록 지시되었고, 곧 NASA의 LCROSS 우주선이 분출 기둥을 통과했다.[53] LCROSS는 충돌체에 의해 남극 크레이터에서 뿜어져 나온 물질에서 상당한 양의 수산기 그룹을 감지했다.[54][55] 이후 분석 결과, 물의 농도는 "질량으로 5.6 ± 2.9%"였다.[58]

2011년 5월, 에릭 하우리 등은 1972년 아폴로 17호 임무에서 수집된 달 샘플 74220의 용융 포유물에서 615-1410ppm의 물을 보고했다.[65]

2020년 10월, 천문학자들은 SOFIA를 포함하여 달의 햇빛이 비치는 표면에서 분자를 감지했다고 보고했다.[66][67]

루나 아이스큐브는 NASA의 고다드 우주 비행 센터에서 개발한 적외선 이미징 분광기를 사용하여 달 얼음의 양과 조성을 추정하기 위한 6U(6 유닛) 큐브위성이다.[71] 이 우주선은 2022년 11월 17일에 아르테미스 1호에서 성공적으로 분리되었지만, 그 직후 통신에 실패하여[72] 분실된 것으로 추정된다.

NASA가 명명한 전용 현장 실험 PRIME-1은 2023년 11월 이전에 달 남극의 섀클턴 크레이터 근처에 착륙할 예정이다. 이 임무는 물 얼음을 드릴링할 것이다.[73][74]

2025년에 부가 임무로 발사될 예정인 루나 트레일블레이저 위성은 NASA의 행성 탐사를 위한 소규모 혁신 임무(SIMPLEx) 프로그램의 일부이다.[75]

3. 달의 물 순환

달의 물은 크게 두 가지 기원으로 나뉜다. 첫째는 물을 포함한 혜성 등 천체가 달에 충돌하는 것이고, 둘째는 달 표면에서 직접 생성되는 것이다. 후자의 경우, 태양풍양성자가 달 표면 광물(산화물, 규산염 등)의 산소와 화학 결합하여 소량의 물을 만든다. 이 물은 광물 결정 격자에 갇히거나 수산기 형태로 존재한다.[139]

양성자와 산소 원자가 반응해 생긴 수산기 표면(S-OH)은 산소 표면(S=O)과 반응해 물 분자가 되고, 산소 표면에 흡착된다. 이 화학 반응은 다음과 같다.

:2 S-OH → S=O + S + H2O

:2 S-OH → S–O–S + H2O

(S는 산소 표면)

물 분자 하나가 만들어지려면 수산기 두 개가 붙어 있거나, 산소 원자 하나가 양성자 두 개와 연쇄 반응해야 한다. 따라서 단위 면적당 양성자 밀도가 낮으면 물 생성이 제한된다.

태양 복사 때문에 달 표면의 자유수와 수증기는 양성자와 산소 원자로 분해되어 우주로 사라진다. 그러나 달 자전축은 황도면에 대해 약 1.5도 기울어져 극지방 근처 깊은 크레이터에는 햇빛이 닿지 않는 영구 음영 지역이 있다. 이 지역 온도는 -170°C 이하로 매우 낮아,[140] 물이 얼음 상태로 수십억 년까지 존재 가능하다.[114][117] 달의 밝은 지역은 자유수가 존재하기 어렵지만, 태양풍으로 생성된 물은 증발, 농축되어 극지방 영구 음영 지역으로 이동해 얼음으로 축적될 수 있다.[113]

달 표면에서 물의 이동 및 포획 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다. 물이 생성되는, 태양풍에 노출된 지역은 물이 응축되기에는 너무 뜨겁고, 태양에 노출되지 않는 차가운 지역은 물 생성이 거의 없기 때문이다. 햇빛이 비치는 곳에서 물 분자 수명이 짧으므로, 이동 거리가 짧을수록 포획 가능성이 높다. 즉, 차갑고 어두운 극지방 크레이터 근처에서 생성된 물 분자가 생존, 포획될 확률이 가장 높다.

옥시수산화물 광물 표면에서 수소의 직접 교환이나 표면 확산이 물 이동 메커니즘의 후보로 꼽힌다.

3. 1. 구성 및 휘발성 물질

달의 물 조성은 아직 완전히 파악되지 않았으며, 주로 원격 감지 기술을 통해 추론된다. 달 표면은 운석 충돌에 의해 크게 형성되었으며 수산기를 포함할 수 있는 다양한 광물을 포함할 가능성이 높다. 여기에는 엡소마이트, 블뢰드광, 석고/바산나이트, 자로사이트와 같은 수화 광물과 황 함유 광물이 포함된다.[80] 달의 물은 순수한 상태가 아닐 수 있으며, 대신 용해된 염 및 기타 휘발성 물질이 포함된 염수일 수 있다.[80] 이러한 염수는 탄소질 콘드라이트와 CI/CM 콘드라이트에 의해 전달된 광물로부터 형성되거나 이와 공존할 수 있으며, 이는 수화 광물과 잠재적으로 용해성 화합물을 달에 가져온다. 미세 운석과 행성 간 먼지 입자는 H2O, CO와 같은 추가 휘발성 화합물과 아마도 CO2를 제공하며, 하루에 1/1m²의 플럭스로 달 표면에 충돌한다.[80] 또한, 세레스와 같은 더 큰 천체에서 지하 염수의 잠재적 존재는 달에서도 유사한 얼음이 존재할 가능성을 강조한다.[81]

LCROSS의 데이터는 달의 레골리스에서 물(H2O), 수소 (H2), 일산화 탄소 (CO), 황화 수소 (H2S), 암모니아 (NH3), 이산화 황 (SO2), 에틸렌 (C2H4), 이산화 탄소 (CO2), 메탄올 (CH3OH), 수은 (Hg), 메탄 (CH4)을 포함한 다양한 휘발성 물질을 확인했다.[82]

확인된 수산기 함유 달 물질에는 유리, 인회석, 노보그라블레노바이트 (NH4)MgCl3·6H2O가 포함된다.[83]

3. 2. 생성

달의 물은 여러 잠재적 기원을 가지고 있다. 혜성 (및 기타 천체)이 달에 충돌하는 경우와, ''현지'' 생산이 그것이다.[84][85] 후자는 태양풍의 수소 이온(양성자)이 달 광물(산화물, 규산염 등)에 존재하는 산소 원자와 화학적으로 결합하여 광물의 결정 격자 내에 갇히거나 수산기 그룹으로 존재할 때 발생할 수 있다고 이론화되었다. 이 수산기 그룹은 잠재적인 물의 전구체이다.[86] (이 광물 결합수는 광물 표면은 물 얼음과 혼동해서는 안 된다.)

산화물 표면(X=O)에서 접근 가능한 산소 원자와 양성자(H+)의 반응으로 형성된 수산기 표면 그룹(X–OH)은 산화물 광물 표면에 흡착된 물 분자(H2O)로 더 변환될 수 있다. 산화물 표면에서 추정되는 화학적 재배열의 질량 균형은 다음과 같이 개략적으로 쓸 수 있다.

:2 X–OH → X=O + X + H2O

또는,

:2 X–OH → X–O–X + H2O

여기서 "X"는 산화물 표면을 나타낸다.

하나의 물 분자가 형성되기 위해서는 두 개의 인접한 수산기 그룹이 존재하거나 하나의 산소 원자가 두 개의 양성자와 연쇄적으로 반응해야 한다. 표면 단위당 양성자 밀도가 너무 낮으면 이는 제한 요소가 될 수 있으며 물 생산의 가능성을 감소시킬 수 있다.

달의 물에는 두 가지 기원이 생각된다. 물을 포함하는 혜성이나 기타 천체가 달에 충돌한 경우와, 그 자리에서 생성된 경우이다. 후자는 태양풍의 양성자가 달의 광물(산화물이나 규산염 등)에 포함된 산소와 화학적으로 결합하여 소량의 물을 생성하여 결정 격자에 잡히거나, 물의 전구체가 되는 수산기를 형성하는 경우이다.[139]

양자와 산소 원자의 반응에 의해 생성된 수산기 표면(S-OH)은 산소 표면(S=O)과 추가적으로 반응하여 물 분자가 되고, 산소 표면에 흡착된다. 화학 반응의 질량 균형은 산소 표면이 다음과 같은 반응을 한다는 것을 시사한다.

:2 S-OH —> S=O + S + H2O

또는

:2 S-OH —> S–O–S + H2O

여기서 S는 산소 표면을 나타낸다.

하나의 물 분자의 생성에는 두 개의 인접한 수산기 또는 하나의 산소 원자의 두 개의 양자와의 연쇄 반응이 필요하다. 이 때문에 단위 면적당 양자 밀도가 작으면 물의 생산 제한 요소가 된다.

3. 3. 포획

달의 자전축은 황도면에 대해 1.5° 정도 기울어져 있기 때문에, 극지방 근처의 일부 깊은 크레이터에는 햇빛이 전혀 들지 않아 영구적으로 그림자가 드리워진다. 이러한 지역을 영구 음영 지역이라고 한다. 예를 들어, 섀클턴 크레이터와 휘플 크레이터가 이에 해당한다.[87]

영구 음영 지역의 온도는 약 100 K(약 -170°C) 이하로 매우 낮기 때문에,[87] 이 지역에 들어간 물은 수십억 년 동안 얼음 상태로 안정적으로 존재할 수 있다.[23][29]

얼음 퇴적물은 두꺼울 수도 있지만, 레골리스와 섞여 층을 이루고 있을 가능성이 높다.[88]

충격 유리 구슬은 물을 저장하고 방출할 수 있으며, 최대 2700억ton의 물을 저장할 수 있다.[89]

3. 4. 이동

달의 햇빛이 비치는 지역에서는 자유로운 물이 존재할 수 없지만, 달의 광물에 태양풍이 작용하여 생성된 물은 증발과 응축 과정을 거쳐 영구적으로 차가운 극지방으로 이동하여 얼음으로 축적될 수 있으며, 이는 혜성 충돌로 유입된 얼음 외에도 발생할 수 있다.[22]

물 운송 및 포획의 가설적 메커니즘은 아직 알려지지 않았다. 실제로 물이 생성되는 태양풍에 직접 노출된 달 표면은 물 응축에 의한 포획을 허용하기에는 너무 뜨겁고 (태양 복사 또한 지속적으로 물을 분해한다), 태양에 직접 노출되지 않는 차가운 지역에서는 물이 덜 (또는 전혀) 생성되지 않을 것으로 예상되기 때문이다. 햇빛이 비치는 지역에서 물 분자의 예상 수명이 짧다는 점을 감안할 때, 운송 거리가 짧을수록 포획될 확률이 높아진다. 즉, 차갑고 어두운 극지방의 크레이터 근처에서 생성된 물 분자가 생존하여 포획될 확률이 가장 높을 것이다.

우주 진공에 노출된 옥시수산화물 광물의 맨 표면에서 직접 발생하는 직접적인 양성자 교환(프로톨리시스) 및 양성자 표면 확산이 가장 차가운 지점으로의 물 이동 메커니즘에 어느 정도, 그리고 어떤 공간적 규모로 역할을 할 수 있는지는 현재 알려져 있지 않으며, 추측으로 남아있다.

달의 열적 조건을 시뮬레이션한 결과, 일주기 온도 변화가 달의 지하에서 수 센티미터 규모의 물 이동과 축적을 유발할 수 있는 것으로 나타났다.[90]

LADEE 데이터에 따르면, 충돌 사건으로 인한 충격파가 표면 아래의 물을 증발시킨다.[91] 달의 밝은 부분에서는 자유수가 존속할 수 없지만, 그러한 물은 태양풍의 작용으로 증발 농축되어 극지방의 영구 음영 지역으로 이동하여 얼음으로 축적된다.[113]

4. 액체 상태의 물

40억 년 전에서 35억 년 전 사이, 은 표면에 충분한 대기와 액체 상태의 물을 가질 수 있었을 것이다.[92][93] 달 샘플의 동위원소 분석은 일부 달의 물이 거대 충돌설과 관련된 사건으로 인해 지구에서 기원했을 가능성을 시사한다.[85]

달 내부의 따뜻하고 압력이 높은 지역에는 여전히 액체 상태의 물이 존재할 수 있다.[94] 달의 지하 액체 물 호수는 지하수 저장소, 열원, 그리고 물이 우주로 손실되는 것을 막을 수 있는 충분한 장벽을 필요로 한다. 지하 얼음층은 더 깊은 곳의 액체 물 확산을 막을 수 있으므로, 지하 "호수"는 표면 또는 지하 얼음이 있는 지역 아래에 존재할 수 있다.[95]

5. 활용

달에 대량의 물이 존재한다는 것은 달 기지 건설의 비용 효율성을 높이는 중요한 요소가 될 것이다. 왜냐하면 물(또는 수소와 산소)을 지구에서 운송하는 것은 엄청난 비용이 들기 때문이다. 만약 향후 조사에서 물의 양이 특히 많은 것으로 밝혀진다면, 물 얼음을 채굴하여 식수 및 식물 재배에 필요한 액체 물을 공급할 수 있으며, 태양광 패널을 갖춘 발전소나 원자력 발전기로 물을 수소와 산소로 분해하여 호흡 가능한 산소를 공급하고 로켓 연료의 구성 요소를 제공할 수 있다.[96] 물 얼음의 수소 성분은 달 토양의 산화물을 추출하고 더 많은 산소를 얻는 데에도 사용될 수 있다.[96] 또한 달 얼음 분석은 달의 충돌 역사와 초기 태양계 내 행성에 있는 혜성 및 소행성의 풍부함에 대한 과학적 정보를 제공할 것이다.[96]

6. 소유권

달에서 사용 가능한 양의 물이 발견될 경우, 누가 물을 소유하고 누가 이를 개발할 권리가 있는지에 대한 법적 문제가 제기될 수 있다. 국제 연합 우주 조약은 달 자원의 개발을 금지하지 않지만, 개별 국가가 달을 점유하는 것을 금지하며, 일반적으로 국가가 자원에 대한 소유권을 주장하는 것을 금지하는 것으로 해석된다.[97][98] 그러나 대부분의 법률 전문가들은 이 문제에 대한 궁극적인 시험은 국가 또는 사적 활동의 선례를 통해 발생할 것이라고 동의한다.

달 조약은 특히 달 자원의 개발이 "국제 체제"에 의해 관리되어야 한다고 규정하고 있지만, 이 조약은 몇몇 국가, 주로 독립적인 우주 비행 능력이 없는 국가들만 비준했다.[99]

룩셈부르크[100]와 미국[101][102][103]은 자국 시민에게 달 자원을 포함한 우주 자원을 채굴하고 소유할 권리를 부여했다. 미국의 도널드 트럼프 대통령은 2020년 4월 6일자 행정 명령에서 이를 명시적으로 언급했다.[103]

참조

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[4] 웹사이트 Water on the Moon: Direct evidence from Chandrayaan-1's Moon Impact Probe http://www.planetary[...] 2010-04-07
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