소행성 채굴

3. 소행성의 자원

지구의 자원 고갈이 심각한 문제로 떠오르면서, 소행성에서 가치 있는 원소를 추출하여 지구로 운송해 이익을 얻거나, 우주 기반 자원을 활용해 태양광 발전 위성 및 우주 거주지를 건설하는 아이디어가 주목받고 있다.^[25][26] 가설적으로, 얼음에서 처리된 물은 궤도 추진제 저장소에 연료를 보급할 수 있다.^[27][75][28]

소행성과 지구는 동일한 물질로 형성되었지만, 지구는 40억 년 전 용융 상태였을 때 상대적으로 강한 중력으로 인해 무거운 친철원소(철을 좋아하는) 원소들을 핵으로 끌어당겼다.^[29][30][31] 이로 인해 지각에는 금, 코발트, 철, 망가니즈, 몰리브덴, 니켈, 오스뮴, 팔라듐, 백금, 레늄, 로듐, 루테늄, 텅스텐과 같은 가치 있는 원소들이 고갈되었다.^{[32][33][34][35]} 오늘날 이러한 금속들은 지구 지각에서 채굴되며 경제 및 기술 발전에 필수적이다. 지구의 지질학적 역사는 미래 소행성 채굴의 무대를 마련할 수 있다.

켁 천문대는 2006년 쌍성 목성 트로이군 617 파트로클루스^[36]와 다른 목성 트로이군이 멸종된 혜성이며 주로 물 얼음으로 구성되어 있다고 발표했다. 목성족 혜성과 멸종된 혜성인 근지구 소행성도 물을 제공할 수 있다. 현지 자원 활용—추진제, 열 관리, 탱크, 방사선 차폐 및 우주 기반 시설의 기타 고질량 구성 요소에 우주 고유의 재료를 사용하는 과정—은 비용을 급격히 줄일 수 있다.^[37]

우주 생물학적 관점에서, 소행성 탐사는 외계 지적 생명체 탐사(SETI)를 위한 과학적 데이터를 제공할 수 있다. 일부 천체 물리학자들은 진보된 외계 문명이 오래전에 소행성 채굴을 사용했다면, 이러한 활동의 특징이 감지될 수 있다고 제안했다.^[38][39][40]

대상 선택 시 고려해야 할 중요한 요소는 궤도 경제성, 특히 속도 변화(Δv) 및 대상과의 왕복 시간이다. 추출된 원자재의 더 많은 양이 더 높은 Δv 궤도에서 추진제로 소비되므로, 페이로드로 반환되는 양은 적어진다. 호만 전이 궤도는 행성 및/또는 달의 플라이바이에 의해 지원되는 호만 궤도보다 빠르며, 이는 다시 행성간 수송 네트워크의 궤도보다 빠르지만, 전이 시간 단축은 Δv 요구 사항 증가의 대가로 이루어진다.

근지구 소행성 중 쉽게 회수 가능한 객체(ERO)는 초기 채굴 활동의 유력한 후보로 간주된다. 낮은 Δv는 근지구 우주 기반 시설을 위한 건설 자재 추출에 적합하여 지구 궤도로 물품을 운송하는 경제적 비용을 크게 줄인다.^[42]

다음 표는 다양한 임무에 대한 Δv 요구 사항을 비교하여 보여준다.

추진 에너지 요구 사항 측면에서, 근지구 소행성에 대한 임무는 다른 채굴 임무보다 유리하다.

초기 소행성 채굴 원정의 잠재적 대상의 예로는 4660 네레우스가 있으며, 이는 주로 엔스타타이트로 구성될 것으로 예상된다.^[43] 이 천체는 달 표면에서 자재를 들어 올리는 것과 비교하여 매우 낮은 Δv를 갖지만, 자재를 반환하려면 훨씬 더 긴 왕복 시간이 필요하다.

소행성은 여러 유형이 확인되었지만, 주요 유형에는 C형, S형, M형 소행성이 있다.

• C형 소행성은 비료를 생산하는 데 사용할 수 있는 탄소, 인 및 기타 주요 성분이 많고, 소행성 너머의 탐사 노력에 사용할 수 있는 물의 함량이 높다.^[44]
• S형 소행성은 물이 거의 없지만, 니켈, 코발트 및 금, 백금, 로듐과 같은 더 가치 있는 금속을 포함하고 있기 때문에 더 매력적이다. 작은 10미터 S형 소행성에는 약 650000kg의 금속이 포함되어 있으며, 이 중 50kg은 백금 및 금과 같은 희귀 금속 형태이다.^[44]
• M형 소행성은 희귀하지만 S형보다 최대 10배 더 많은 금속을 포함한다.^[44]

3. 1. 우주 소비재

• 우주 소비재: 물, 산소, 암모니아, 메탄 등 지구에서는 가치가 낮지만, 우주 공간에서는 높은 가치를 지닌다. 로켓 연료나 호흡, 음용으로 사용될 수 있으며, 혜성에 많이 포함되어 있다.
• 우주 건축 자재: 달의 레고리스나 M형 소행성의 철, 니켈 등 지구에서는 가치가 낮지만, 우주 공간에서는 높은 가치를 지닌다.
• 지상에서도 가치 있는 자원: 금, 은, 백금, 인듐 등 희소 금속. M형 소행성에 많이 포함되어 있지만,^[140] 지구 지각과 비교했을 때이며, 운철 분석에서 금은 약 5ppm 정도, Pt:Ir:Au 존재비는 6:1.5:1 정도로 추정된다.^[141] 별에 따라서도 농도 차이가 있을 수 있다. 정련 없이 지상으로 가져오는 것은 비현실적이다.

3. 2. 우주 건축 자재

• 우주 공간에서 사용되는 소비재 - 로켓 연료나 호흡·음용으로 사용되는 물, 산소, 암모니아, 메탄 등 지구에서는 가치가 낮지만 수송이 어려운 우주 공간에서는 높은 가치를 갖는 물질. 혜성에 많이 포함되어 있다.
• 우주 공간에서 사용되는 건축 자재 - 달의 레고리스나 M형 소행성의 철, 니켈 등 지구에서는 가치가 낮지만 수송이 어려운 우주 공간에서는 높은 가치를 갖는 물질. 달이나 많은 소행성을 이용할 수 있다.
• 지상에서도 높은 가치를 갖는 자원 - 금, 은, 백금, 인듐 등 희소 금속. M형 소행성에 많이 포함되어 있지만^[140], 지구 지각과 비교했을 때이며, 운철 분석에서 금은 약 5ppm 정도, Pt:Ir:Au의 존재비는 6:1.5:1 정도로 추정된다.^[141] 별에 따라서도 농도에 차이가 있을 것으로 예상된다. 이 때문에 정련 없이 지상으로 가져오는 것은 비현실적이다. 참고로 금의 농도는 지구 지각에 평균 0.0015ppm이 있으며, 금광산으로 경제적으로 성립하기 위해서는 평균 1,000킬로그램당 0.5그램의 금을 산출할 필요가 있다. 전형적인 광산에서는 노천 채굴로 1 - 5그램/1000킬로그램 (1 - 5ppm), 일반적인 광산에서 3그램/1,000킬로그램 (3ppm) 정도이다.

3. 3. 희귀 금속

• S형 소행성: 물은 거의 없지만, 니켈, 코발트, 그리고 금, 백금, 로듐과 같은 귀금속을 포함하고 있어 가치가 높다. 작은 10미터 크기의 S형 소행성에는 약 650000kg의 금속이 포함되어 있으며, 이 중 50kg은 백금 및 금과 같은 희귀 금속이다.^[44]
• M형 소행성: S형 소행성보다 최대 10배 더 많은 금속을 포함하는 희귀한 유형이다.^[44]

• 우주 공간에서 사용되는 소비재: 물, 산소, 암모니아, 메탄 등.
• 우주 공간에서 사용되는 건축 자재: 달의 레고리스나 M형 소행성의 철, 니켈 등.
• 지상에서도 높은 가치를 갖는 자원: 금, 은, 백금, 인듐 등 희소 금속. M형 소행성에 많이 포함되어 있지만,^[140] 지구 지각과 비교했을 때이며, 운철 분석 결과 금은 약 5ppm, Pt:Ir:Au 존재비는 6:1.5:1 정도로 추정된다.^[141]

4. 채굴 대상 소행성

지구의 자원 고갈 문제가 심각해짐에 따라, 소행성에서 가치 있는 원소를 채굴하여 지구로 가져오거나, 우주 자원을 활용하여 우주 태양광 발전 위성 및 우주 거주지를 건설하는 방안이 주목받고 있다.^[25][26] 또한, 소행성의 얼음에서 추출한 물은 궤도 추진제 저장소에 연료를 공급하는 데 사용될 수 있다.^[27][75][28]

지구는 형성 초기에 무거운 친철원소들이 핵으로 가라앉아 지각에는 금, 코발트, 철 등의 금속이 희귀해졌다.^[29][30][31] 반면 소행성은 이러한 금속들이 풍부하게 남아있을 가능성이 있어, 미래의 채굴 대상으로 고려되고 있다.^{[32][33][34][35]}

2006년 켁 천문대는 617 파트로클루스를 비롯한 여러 목성 트로이군 소행성들이 물 얼음으로 구성되어 있을 가능성을 제기했다.^[36] 근지구 소행성 중에서도 물을 포함한 소행성이 존재할 수 있으며, 이는 현지 자원 활용을 통해 우주 기반 시설 건설 비용을 절감하는 데 기여할 수 있다.^[37]

소행성 탐사는 SETI와 같은 외계 지적 생명체 탐사를 위한 과학적 데이터를 제공할 수도 있다. 일부 천체 물리학자들은 진보된 외계 문명이 소행성 채굴을 했다면 그 흔적이 발견될 수 있다고 제안한다.^[38][39][40]

채굴 대상 소행성을 선택할 때는 궤도 경제성, 특히 속도 변화(Δv)와 왕복 시간을 고려해야 한다. 추출된 자원을 지구로 가져올 때 Δv가 높을수록 추진제 소비가 많아져 회수량이 줄어들기 때문이다.

근지구 소행성 중에서도 쉽게 회수 가능한 객체(ERO)는 초기 채굴 대상으로 유력하다. 낮은 Δv 덕분에 지구 궤도로 물품을 운송하는 비용을 절감할 수 있기 때문이다.^[42] 위 표는 다양한 임무에 대한 Δv 요구 사항을 비교하여 보여준다. 호만 전이 궤도는 행성 플라이바이를 이용하는 궤도보다 빠르지만, Δv 요구량이 더 크다.

초기 채굴 대상의 예로는 4660 네레우스가 있으며, 이 소행성은 엔스타타이트로 구성되어 있고 달 표면에서 자재를 가져오는 것보다 Δv가 낮다.^[43]

소행성은 크게 C형, S형, M형으로 나뉜다.

• C형 소행성은 물 함량이 높아 탐사에 유용하며, 탄소와 인 등 비료 생산에 필요한 성분도 포함하고 있다.^[44]
• S형 소행성은 물은 적지만 니켈, 코발트, 금, 백금 등 가치 있는 금속을 포함하고 있다.^[44]
• M형 소행성은 S형보다 더 많은 금속을 포함하고 있다.^[44]

4. 1. 주요 소행성 유형

4. 2. 소행성 목록화

5. 채굴 기술

소행성 채굴에는 우주에서 광석을 추출하고 처리하기 위한 특수 장비가 필요하다.^[42] 채굴 기술은 크게 네 가지 방법으로 나눌 수 있다.^[42]

1. 우주 제조^[51] 방식으로, 생물 채굴을 이용할 수 있다.^[52]

2. 채취한 소행성 원자재를 지구로 가져와 사용한다.

3. 소행성 현장에서 원자재를 처리하여 가공된 물질만 지구로 가져오고, 귀환용 추진제를 생산한다.

4. 소행성을 달이나 지구 주변의 안전한 궤도 또는 우주 정거장으로 옮긴다.^[28] 이 방법을 사용하면 이론적으로 대부분의 물질을 낭비 없이 사용할 수 있다.^[26]

고부가가치 광물을 추출하기 위해 현장에서 가공하면 물질 수송에 필요한 에너지를 줄일 수 있지만, 가공 시설을 먼저 채굴 현장으로 운반해야 한다. 현장 채굴은 시추공을 뚫고 뜨거운 유체나 가스를 주입하여 유용한 물질이 용매와 반응하거나 녹아 용질을 추출하는 방식으로 진행된다. 소행성은 중력이 약하기 때문에 시추와 같은 활동은 큰 교란을 일으켜 먼지 구름을 만들 수 있는데, 돔이나 버블 형태의 장벽으로 가두거나, 먼지를 빠르게 분산시킬 수 있는 수단을 마련해야 한다.

소행성 채굴에는 여러가지 어려움이 따른다. 광석의 품질과 이를 채취하는 데 필요한 장비의 비용과 질량은 현재로서는 정확히 알 수 없으며 추측만 할 수 있다. 일부 경제 분석에 따르면 소행성 물질을 지구로 반환하는 비용이 시장 가치보다 훨씬 높으며, 현재의 상품 가격과 우주 수송 비용으로는 소행성 채굴이 민간 투자를 유치하지 못할 것이라고 한다.^[70][71] 하지만 다른 연구에서는 태양열을 사용하면 큰 이익을 얻을 수 있다고 제시한다.^[72][73] 추출 비용을 낮추면 물질에 대한 잠재적 시장을 식별하고 이익을 창출할 수 있는데, 예를 들어 우주 관광을 위한 로켓 연료 준비를 위해 저궤도에 여러 톤의 물을 공급하면 우주 관광 자체가 수익성이 있는 것으로 입증될 경우 상당한 이익을 창출할 수 있다.^[74]

1997년에는 지름 인 비교적 작은 금속 소행성이 20조 달러 이상의 산업용 및 귀금속을 함유하고 있을 것으로 추측되기도 했다.^[75][76]

5. 1. 채굴 방법

5. 2. 채굴 장비

5. 3. 자동화 및 통신

6. 채굴 프로젝트

소행성 채굴 프로젝트는 여러 기업과 국가에서 추진하고 있는 미래 자원 개발 사업이다.

2012년 플래네터리 리소스와 2013년 Deep Space Industries가 소행성 채굴 계획을 발표하며 이 분야의 가능성을 제시했다.^[55][61] 두 회사 모두 소행성에서 물을 채취하여 우주선 연료로 활용하는 방안을 모색했지만, 이후 기술 개발 및 회사 인수 등의 과정을 거쳤다.

룩셈부르크는 2016년부터 소행성 채굴 산업 육성을 위한 법적, 제도적 기반을 마련하고, 관련 기업에 대한 투자를 진행하며 이 분야의 선두 주자로 떠올랐다.^{[99][110][111]} 2017년에는 일본, 포르투갈, 아랍에미리트 연합과 협력 협정을 체결하며 국제 협력도 강화하고 있다.^[114] 2018년에는 룩셈부르크 우주국을 설립하여 소행성 채굴 연구를 지원하고 있다.^{[115][116][117]}

6. 1. 기업

6. 2. 기타 프로젝트

7. 경제성

희소성은 인간의 욕구는 무한하지만, 자원은 제한되어 있다는 근본적인 경제 문제이다. 지구의 자원은 유한하기 때문에, 소행성 광석의 상대적인 풍부함은 소행성 채굴이 사실상 무한한 자원을 제공할 수 있는 잠재력을 가지게 하며, 이는 그러한 물질에 대한 탈희소성 경제를 실현할 수 있다.

자원 고갈에 대한 개념은 새로운 것이 아니다. 1798년, 토머스 맬서스는 자원이 제한되어 있기 때문에 인구 증가의 기하급수적인 성장은 1인당 소득의 감소를 초래하고, 이는 빈곤과 기아를 인구에 대한 제한 요인으로 작용하게 될 것이라고 썼다.^[82] 맬서스의 주장이 있은 지 200년 이상 지났지만, 원자재에 관한 맬서스 효과의 징후는 아직 나타나지 않았다.

광물 자원 매장량은 다음과 같이 분류할 수 있다.^[82]

소행성 채굴 기술 및 기술의 지속적인 발전은 광물 발견을 증가시키는 데 도움이 될 수 있다.^[83] 특히 백금족 금속과 같은 광물 자원을 지구에서 추출하는 비용이 상승함에 따라, 우주 탐사에 대한 기술 혁신으로 인해 천체에서 동일한 자원을 추출하는 비용이 감소하고 있다.^[82]

2016년 9월 기준으로, 각각 US$ 100조달러를 초과하는 가치를 가진 711개의 소행성이 알려져 있다.^[84]

일부 국가들은 우주 자원 채굴을 위한 법적 체제를 제정하기 시작했다. 예를 들어, 미국은 2015년 7월 미국 하원에서 "2015년 우주법"을 통과시켰다.^[118][119] 이 법은 미국의 국제 조약 의무에 부합하는 우주 자원의 민간 개발을 촉진한다. 2015년 11월에는 미국 상원을 통과했으며,^[120] 11월 25일, 버락 오바마 대통령이 ''H.R.2262 – 미국 상업 우주 발사 경쟁력 법''에 서명하여 법으로 만들었다.^[121] 이 법은 미국 시민이 획득한 우주 자원을 소유할 권리를 인정하고, 소행성으로부터의 자원의 상업적 탐사 및 사용을 장려한다. 법의 조항 § 51303에 따르면:^[122]

>이 장에 따라 소행성 자원 또는 우주 자원의 상업적 회수에 종사하는 미국 시민은 해당 자원을 소유, 소유, 운송, 사용 및 판매할 권리를 포함하여 획득한 모든 소행성 자원 또는 우주 자원에 대한 권리를 갖는다. 여기에는 미국의 국제적 의무를 포함하여 적용 가능한 법률에 따른다.

2020년 4월 6일, 도널드 트럼프 대통령은 우주 자원의 회수 및 사용에 대한 국제적 지원을 장려하는 행정 명령에 서명했다. 이 명령에 따르면:^[123][124]

• 미국인은 외계 공간에서 자원의 상업적 탐사, 회수 및 사용에 참여할 권리를 가져야 한다.
• 미국은 우주를 "공유 자산"으로 간주하지 않는다.
• 미국은 달 협정에 반대한다.

7. 1. 희소성

• 확인 매장량: 현재 또는 유사한 수요, 가격 및 기타 경제적, 기술적 조건에서 이미 발견되었고 경제적으로 채취 가능하다고 알려진 광물 자원의 매장량이다.^[82]
• 조건부 매장량: 아직 경제성이 없는 발견된 매장량이다.^[82]
• 추정 매장량: 덜 집중적으로 측정된 매장량으로, 데이터는 조사 및 지질학적 예측에서 파생된다. 가상 매장량과 투기적 자원이 이 매장량 그룹을 구성한다.^[82]
• 추정 매장량: 위치가 확인되었지만 아직 개발되지 않은 매장량이다.^[82]

• 미국인은 외계 공간에서 자원의 상업적 탐사, 회수 및 사용에 참여할 권리를 가져야 한다.
• 미국은 우주를 "공유 자산"으로 간주하지 않는다.
• 미국은 달 협정에 반대한다.

7. 2. 재정적 타당성

소행성 채굴 기술 및 기술의 지속적인 발전은 광물 발견을 증가시키는 데 도움이 될 수 있다.^[83] 특히 백금족 금속과 같은 광물 자원을 지구에서 추출하는 비용이 상승함에 따라, 우주 탐사에 대한 기술 혁신으로 인해 천체에서 동일한 자원을 추출하는 비용이 감소하고 있다.^[82]

2016년 9월 기준으로, 각각 US$ 100조 달러를 초과하는 가치를 가진 711개의 소행성이 알려져 있다.^[84]

일부 국가들은 우주 자원 채굴을 위한 법적 체제를 제정하기 시작했다. 예를 들어, 미국은 2015년 7월 미국 하원에서 "2015년 우주법"을 통과시켰다.^[118][119] 이 법은 미국의 국제 조약 의무에 부합하는 우주 자원의 민간 개발을 촉진한다. 2015년 11월에는 미국 상원을 통과했으며,^[120] 11월 25일, 버락 오바마 대통령이 ''H.R.2262 – 미국 상업 우주 발사 경쟁력 법''에 서명하여 법으로 만들었다.^[121] 이 법은 미국 시민이 획득한 우주 자원을 소유할 권리를 인정하고, 소행성으로부터의 자원의 상업적 탐사 및 사용을 장려한다. 법의 조항 § 51303에 따르면:^[122]

>이 장에 따라 소행성 자원 또는 우주 자원의 상업적 회수에 종사하는 미국 시민은 해당 자원을 소유, 소유, 운송, 사용 및 판매할 권리를 포함하여 획득한 모든 소행성 자원 또는 우주 자원에 대한 권리를 갖는다. 여기에는 미국의 국제적 의무를 포함하여 적용 가능한 법률에 따른다.

2020년 4월 6일, 도널드 트럼프 대통령은 우주 자원의 회수 및 사용에 대한 국제적 지원을 장려하는 행정 명령에 서명했다. 이 명령에 따르면:^[123][124]

• 미국인은 외계 공간에서 자원의 상업적 탐사, 회수 및 사용에 참여할 권리를 가져야 한다.
• 미국은 우주를 "공유 자산"으로 간주하지 않는다.
• 미국은 달 협정에 반대한다.

8. 화성에서의 소행성대 채굴

미국 항공우주국(NASA)의 선진 개념 연구소(NIAC)는 소행성 채굴의 타당성을 조사하고 평가하는 '로봇 소행성 탐사 프로젝트'를 발표했다.^[67] 이와 별도로, 케플러 에너지 앤 스페이스 엔지니어링(KESE, llc)은 2013년 국제 우주 개발 컨퍼런스(ISDC)에서 40톤의 소행성 레골리스를 저궤도로 가져오는 자동 채굴 시스템 계획을 발표했다.^[66]

트랜스아스트라 (TransAstra Corporation)는 집중 태양 에너지를 사용하는 광학 채굴 기술 기반 우주선을 개발하고 있다.^[68] 2022년, 아스트로포지(AstroForge)는 지구 근접 소행성에서 백금을 채굴 및 정제하는 기술 개발 계획을 발표했다.^[69]

8. 1. 포보스 우주 엘리베이터

9. 규제 및 안전

우주법은 국제 조약과 국가 법률을 포함하며, 국제 연합 우주국을 통해 부분적으로 나타났다.^[97] 소행성 채굴은 우주 조약과 같은 국제 조약과 미국^[98] 및 룩셈부르크^[99]와 같은 국가 법률에 의해 다루어진다.

천체 물리학자 칼 세이건과 스티븐 J. 오스트로는 소행성의 궤도 변경이 충돌 위험을 초래할 수 있다는 우려를 제기했다. 이들은 궤도 공학이 기회와 위험을 모두 가지며, 궤도 조작 기술 통제가 너무 엄격하면 미래의 우주 항해가 방해받고, 너무 느슨하면 인류 문명이 위험에 처할 수 있다고 결론지었다.^{[81][100][101]}

9. 1. 국제 우주법

9. 2. 우주 조약(Outer Space Treaty)

9. 3. 달 협정(Moon Agreement)

9. 4. 국가별 법적 체제

9. 5. 안전 문제

10. 환경 영향

소행성 채굴의 긍정적인 영향은 에너지 생산과 같은 산업 활동을 우주로 이전하는 것을 가능하게 할 수 있다는 점으로 추정된다.^[125] 우주에서 물과 백금 채굴이 가져올 잠재적인 환경적 이점에 대한 정량적 분석이 이루어졌으며, 우주에서 채굴된 물질의 비율과 우주로 발사된 질량에 따라 잠재적으로 큰 이점이 실현될 수 있다.^[126]

11. 소행성 및 혜성 탐사 임무

우주선이 방문한 소행성 및 혜성에 대한 정보는 우주선이 방문한 소행성 및 혜성 목록에서 확인할 수 있다. 소행성 채굴, 포획, 식민지화와 관련된 임무도 진행되거나 계획되었다.

소행성 탐사 임무는 크게 통과(flyby), 궤도 진입, 착륙, 샘플 회수의 네 단계로 나눌 수 있다. 현재까지 미국, 일본, 유럽 연합, 소련, 중국 등이 소행성 탐사에 참여해왔다.

11. 1. 진행 중 및 계획된 임무

11. 2. 완료된 임무

^[132]

참조

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