우주 유독 가스 감지·정제용 광촉매 필터 연구

우주 환경에서 유독 가스 문제

우주선과 기지 내부는 밀폐된 공간이기 때문에 미량의 유독 가스 발생 시에도 승무원 건강과 장비 안정성에 심각한 위협이 됩니다. 특히 아민류, 암모니아, 휘발성 유기화합물(VOC) 등 가스는 식량 재배 시설, 생명 유지 장치, 우주비행사 대사 활동에서 기인하여 누적되기 쉽습니다. 대기 순환과 재순환 시스템만으로는 제거가 어려운 이들 가스는 장기간 누적 시 두통, 호흡 곤란, 전자장치 오작동을 유발할 수 있습니다. 따라서 우주 유독 가스를 실시간 감지하고 효율적으로 정제할 수 있는 혁신적인 필터 기술이 필수적입니다.

광촉매 필터의 원리 및 소재 선택

광촉매 필터는 빛(보통 UV 또는 가시광)을 흡수해 활성산소를 생성함으로써 유독 가스를 분해·산화시키는 원리를 기반으로 합니다. 우주 환경에서는 안정성과 내방사성, 내온도변화를 동시에 만족해야 하므로 TiO₂ 나노입자, ZnO, C₃N₄(탄소 질화물) 등 내구성이 뛰어난 반도체 광촉매 소재가 주목받고 있습니다. 특히 TiO₂는 방사선에 강하고, 우주선 내부 조명 광원으로도 활성화할 수 있어 필터 코팅 소재로 활용될 수 있습니다. 광촉매 나노입자는 다공성 기판에 균일 분산시켜 표면적을 극대화함으로써 유독 가스와 접촉할 수 있는 활성화 면적을 높입니다.

무중력 및 방사선 환경 대응 설계

무중력 환경에서는 공기 흐름이 지구와 달라 유독 가스가 특정 위치에 정체될 수 있습니다. 따라서 필터는 공기 순환 경로에 맞춰 다단계 챔버 구조를 갖추고, 팬과 송풍 시스템으로 강제 유도 유동을 유도하도록 설계해야 합니다. 또한, 우주 방사선은 광촉매 소재의 결정격자를 손상시켜 성능 저하를 유발할 수 있으므로, 나노코팅이나 도핑 기술(예: 금속 이온 도핑)을 통해 방사선 저항성을 강화해야 합니다. 온도 변화가 심한 우주 환경에서는 열팽창 계수가 미세한 복합소재 기판을 사용해 기재 층간 박리나 균열 방지를 구현해야 합니다.

실시간 감지 메커니즘 및 성능 평가

유독 가스 감지는 광촉매 활성화 시 발생하는 이산화탄소·물·무해한 부산물로의 분해 정도를 모니터링하거나, 가스 센서(NDIR, 전기화학식 등)와 결합해 실시간 농도를 측정하는 방식으로 이루어집니다. 광촉매 필터 전·후부에 센서를 배치해 가스 농도 차이를 실시간 비교·분석하여 필터 효율을 파악하며, 감도와 응답 속도를 평가합니다. 예컨대 암모니아 농도 50ppm 수준에서 30분 이내에 90% 이상 분해하는 성능을 목표로 실험실 테스트를 수행하였습니다. 이러한 데이터를 바탕으로 필터 교체 주기와 광원 세기를 최적화할 수 있습니다.

장치 통합 및 유지보수

우주선 내부 시스템에 광촉매 필터를 통합할 때는 모듈화된 카트리지 구조를 채택해 필터 교체나 점검을 용이하게 해야 합니다. 무중력 상태에서의 교체 작업은 승무원 부담을 높이므로 간단한 결합 부품(클립형, 슬라이드형)을 사용하고, 자석 기반 결합 방식으로 무게 추락 위험을 최소화합니다. 필터 내부에는 광원 LED 모듈이 내장되어 자가 점등·점멸이 가능하며, 원격 모니터링을 통해 필터 마모 상태와 성능 저하 여부를 판단해 교체 시기를 예측할 수 있는 운용 관리 시스템이 필요합니다.

응용 사례 및 파일럿 실험

국제우주정거장(ISS) 내 소형 실험 모듈에서 TiO₂ 기반 광촉매 필터를 테스트한 결과, VOC 농도 10ppm 이하 수준에서 60분 내 80% 이상 분해하는 성과를 보였습니다. 또한 암모니아 향상제를 사용한 화학 실험 후 발생한 가스를 2차 광촉매 챔버로 유도해 무해화하는 데 성공하였습니다. 이와 동시 진행된 무중력 챔버 실험에서는 필터 전·후부 질소산화물 농도 변화를 확인해, 우주 환경에서도 안정적인 감지·정제 성능을 입증하였습니다.

향후 과제 및 발전 전망

우주 유독 가스 광촉매 필터는 내구성 강화, 응답 속도 개선, 에너지 효율 최적화 등이 남은 과제입니다. 나노구조 최적화를 통해 활성 면적을 확대하고, 복합 광촉매(Dual Photocatalyst) 시스템을 도입해 가시광선 활성화를 높이는 것이 필요합니다. 또한, 방사선 저항성을 더욱 강화하기 위해 플라즈마 처리를 통한 표면 개질과 고분자 복합 코팅 기술 연구가 병행되어야 합니다. 향후 달·화성 기지의 생명 유지 시스템용 모듈로 확대 적용하고, 국제 우주 기관 간 협력을 통해 표준화 프로토콜을 마련하면, 인류의 우주 거주 안전성이 획기적으로 향상될 것입니다.