달의 물

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.

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. 1998년에는 루나 프로스펙터가 달에서 물을 발견했다.

2009년 11월, 나사(NASA)의 LCROSS는 달의 극지방에서 상당량의 하이드록시기를 발견했다. 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.

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.

1834년부터 1836년까지 빌헬름 베어와 요한 하인리히 메들러는 4권으로 된 Mappa Selenographica^라틴어를 출판했고, 1837년에는 책 Der Mond^독일어를 출판하여 달 표면에 물이 없고 상당한 대기도 없다는 결론을 내렸다.

2.2. 20세기

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

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

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.

;루나 24

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. 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.

;클레멘타인

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. 이러한 전파의 반향이 지구상의 심우주 네트워크의 대형 접시 안테나에 의해 감지되었다. 이러한 반향의 크기와 편광은 암석 표면보다는 얼음 표면과 일치했지만, 결과는 결정적이지 않았고, 그 중요성에 의문이 제기되었다.

;루나 프로스펙터
1998년에 발사된 루나 프로스펙터는 중성자 분광계를 사용하여 극지방 근처의 달 표토에 있는 수소의 양을 측정했다. 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, 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. 2009년 6월, NASA의 딥 임팩트 우주선은 EPOXI로 명칭이 변경된 후, 달 근접 비행을 통해 결합 수소 측정을 추가로 수행했다.

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

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

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.

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.

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.

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

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

2020년 10월, 천문학자들은 SOFIA를 포함하여 달의 햇빛이 비치는 표면에서 물 분자를 감지했다고 보고했다.

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

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

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, 태양풍의 양성자가 달 표면 광물(산화물, 규산염 등)의 산소와 화학 결합하여 소량의 물을 만든다. 이 물은 광물 결정 격자에 갇히거나 수산기 형태로 존재한다.

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, 물이 얼음 상태로 수십억 년까지 존재 가능하다. 달의 밝은 지역은 자유수가 존재하기 어렵지만, 태양풍으로 생성된 물은 증발, 농축되어 극지방 영구 음영 지역으로 이동해 얼음으로 축적될 수 있다.

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. 달의 물은 순수한 상태가 아닐 수 있으며, 대신 용해된 염 및 기타 휘발성 물질이 포함된 염수일 수 있다. 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. 또한, 세레스와 같은 더 큰 천체에서 지하 염수의 잠재적 존재는 달에서도 유사한 얼음이 존재할 가능성을 강조한다.

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.

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

3.2. 생성

달의 물은 여러 잠재적 기원을 가지고 있다. 혜성 (및 기타 천체)이 달에 충돌하는 경우와, 현지 생산이 그것이다. 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. (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.

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.

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

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

충격 유리 구슬은 물을 저장하고 방출할 수 있으며, 최대 270의 물을 저장할 수 있다.

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.

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.

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

4. 액체 상태의 물

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

달 내부의 따뜻하고 압력이 높은 지역에는 여전히 액체 상태의 물이 존재할 수 있다. 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.

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. 물 얼음의 수소 성분은 달 토양의 산화물을 추출하고 더 많은 산소를 얻는 데에도 사용될 수 있다. 또한 달 얼음 분석은 달의 충돌 역사와 초기 태양계 내 행성에 있는 혜성 및 소행성의 풍부함에 대한 과학적 정보를 제공할 것이다.

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 달 자원에 대한 소유권을 주장하는 것을 금지하는 것으로 해석된다. 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.

룩셈부르크와 미국은 자국 시민에게 달 자원을 포함한 우주 자원을 채굴하고 소유할 권리를 부여했다. 미국의 도널드 트럼프 대통령은 2020년 4월 6일자 행정 명령에서 이를 명시적으로 언급했다.