우주에 사람이 오래 머무르려면 가장 먼저 해결해야 하는 문제가 무엇일까요? 음식이나 물도 중요하지만, 그보다 훨씬 급한 것이 있습니다. 바로 산소입니다.
오늘의 주제로 우주에서는 산소를 어떻게 만들까? 우주비행사가 지구에서 공기를 가져가지 않는 이유에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
지구에서는 숨을 쉬는 일이 너무 자연스럽기 때문에 평소에는 산소가 어디에서 오는지 거의 생각하지 않습니다. 그냥 숨을 쉬면 됩니다. 방 안에 사람이 많아져도 창문을 열거나 환기장치를 작동하면 다시 공기가 순환합니다. 하지만 우주선 안에서는 이야기가 완전히 달라집니다.
우주선 밖은 진공에 가까운 환경이기 때문에 사람이 숨 쉴 수 있는 공기가 없습니다. 우주선 안에 들어 있는 공기 역시 무한하지 않습니다. 우주비행사가 계속 숨을 쉬면 산소는 줄어들고 이산화탄소는 늘어납니다.
그렇다면 우주비행사는 필요한 산소를 전부 지구에서 가져가는 것일까요?
처음에는 저도 당연히 우주선에 산소통을 많이 싣고 올라갈 것이라고 생각했습니다. 물론 실제 우주선에도 산소를 저장하고 공급하기 위한 시스템과 비상용 산소가 존재합니다. 하지만 장기간 우주에 머무르는 데 필요한 모든 산소를 단순히 지구에서 가져가는 방식은 매우 비효율적입니다.
그래서 우주선에는 산소를 공급하고, 이산화탄소를 제거하고, 물을 다시 활용하면서 우주선 내부의 공기를 최대한 오래 유지하는 생명유지장치가 필요합니다.
이번 글에서는 우주에서 산소를 어떻게 만드는지, 왜 물이 중요한지, 사람이 내뿜은 이산화탄소는 어떻게 처리하는지, 그리고 우주선 안의 공기를 어떻게 반복해서 사용할 수 있는지 하나씩 알아보겠습니다.
우주에서는 산소를 어떻게 만들까? 핵심은 물의 전기분해입니다
우주에서 산소를 확보하는 방법을 이해하려면 먼저 우리가 숨을 쉴 때 무슨 일이 일어나는지 생각해볼 필요가 있습니다.
사람은 산소를 들이마시고 이산화탄소를 내뿜습니다. 우리 몸속에서 산소가 에너지를 만드는 과정에 사용되기 때문입니다. 따라서 우주선 내부에서는 시간이 지나면서 산소가 점점 줄어들고 이산화탄소가 늘어나게 됩니다.
이 문제를 해결하기 위해 사용되는 중요한 기술 가운데 하나가 바로 물의 전기분해입니다.
물은 화학식으로 H₂O라고 표현합니다. 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있습니다. 여기에 전기에너지를 이용하면 물을 수소와 산소로 분리할 수 있습니다.
쉽게 말하면 다음과 같은 과정입니다.
물 + 전기에너지 → 수소 + 산소
이렇게 만들어진 산소는 우주비행사가 호흡하는 데 사용할 수 있습니다.
그렇다면 물은 어디에서 가져올까요?
여기에서 우주 생명유지기술의 또 다른 중요한 부분이 등장합니다. 우주선에서는 물을 한 번 사용하고 버리는 것이 아니라 최대한 회수하고 정화해서 다시 사용하려고 합니다.
우주비행사가 마신 물, 음식에서 발생하는 수분, 호흡이나 땀으로 배출된 수분 등은 다양한 형태로 우주선 내부에 존재하게 됩니다. 특히 사람이 생활하면 생각보다 많은 수분이 공기 중으로 들어갑니다.
우리가 지구에서 겨울철 창문에 물방울이 맺히는 것을 본 적이 있다면 쉽게 이해할 수 있습니다. 사람이 숨을 쉬고 생활하면 공기 중의 수증기가 늘어나기 때문입니다.
우주선에서는 이 수분을 그냥 버리지 않습니다. 습기를 회수하고 정화하는 과정을 거쳐 다시 물 자원으로 활용할 수 있습니다.
이렇게 확보된 물 가운데 일부는 전기분해 시스템을 통해 산소 생산에 사용됩니다.
여기서 재미있는 점은 우주비행사가 숨 쉬는 산소가 결국 물과 연결되어 있다는 것입니다.
물을 산소와 수소로 분리하고, 산소는 사람이 호흡하는 데 사용합니다. 그리고 전기분해 과정에서 만들어진 수소는 다른 시스템에서 활용될 수 있습니다.
하지만 여기서 한 가지 문제가 생깁니다.
“그렇다면 수소는 그냥 버리면 되는 것 아닌가?”
가능한 경우도 있지만 장기간 우주생활을 생각하면 최대한 자원을 재활용하는 것이 중요합니다. 따라서 수소와 이산화탄소를 활용해 다시 물을 만드는 등의 방식으로 산소와 물의 순환을 효율적으로 만드는 기술이 연구되고 실제 시스템에도 적용되어 왔습니다.
대표적인 개념이 사바티에 반응입니다.
이 과정에서는 수소와 이산화탄소를 반응시켜 물과 메탄을 만들 수 있습니다. 만들어진 물은 다시 산소 생산에 활용할 수 있습니다.
물론 실제 우주선의 생명유지장치는 단순히 하나의 장치로 모든 것을 해결하지 않습니다. 산소 공급, 이산화탄소 제거, 습도 조절, 온도 조절, 미량 오염물질 제거 등이 서로 연결되어 작동합니다.
이것이 바로 우주선의 생명유지장치가 중요한 이유입니다.
우주에서는 공기를 새로 만들어내는 것만큼이나 기존 자원을 최대한 버리지 않고 순환시키는 것이 중요합니다.
우주비행사가 숨을 쉬면 이산화탄소는 어떻게 될까?
산소를 만드는 것만 해결한다고 우주선 안에서 계속 생활할 수 있는 것은 아닙니다.
오히려 산소와 함께 반드시 해결해야 하는 문제가 있습니다.
바로 이산화탄소입니다.
사람은 산소를 들이마시고 이산화탄소를 내뱉습니다. 따라서 우주선 안에 사람이 계속 생활하면 공기 중의 이산화탄소 농도가 점점 올라갑니다.
지구에서는 이산화탄소가 대기 전체에 퍼져 있기 때문에 문제가 상대적으로 작습니다. 하지만 우주선처럼 밀폐된 공간에서는 상황이 완전히 다릅니다.
몇 명의 우주비행사가 작은 공간 안에서 계속 숨을 쉬면 이산화탄소가 빠르게 쌓일 수 있습니다.
그렇기 때문에 우주선에는 산소 공급 장치만큼이나 중요한 이산화탄소 제거 시스템이 필요합니다.
이 시스템은 우주비행사가 내뿜은 이산화탄소를 공기에서 제거합니다.
방법은 여러 가지가 있지만 기본적인 원리는 특정 물질이나 장치를 이용해 공기 속 이산화탄소를 선택적으로 포집하는 것입니다.
이렇게 이산화탄소를 제거하면 우주선 내부의 공기 조성을 사람이 생활하기에 적합한 상태로 유지할 수 있습니다.
그런데 여기서 한 가지 흥미로운 연결이 생깁니다.
앞에서는 물을 전기분해해 산소를 만들었습니다.
그리고 지금은 사람이 숨을 쉬면서 발생한 이산화탄소를 제거했습니다.
그렇다면 이산화탄소를 그냥 우주선 밖으로 버리면 끝나는 것일까요?
장기간 우주 임무에서는 자원을 최대한 활용하기 위해 그렇게 단순하게 생각하지 않습니다.
앞에서 설명한 것처럼 이산화탄소는 수소와 반응시켜 물을 만드는 데 활용할 수 있습니다. 이렇게 만들어진 물은 다시 전기분해 과정을 통해 산소 생산에 사용할 수 있습니다.
이 과정을 보면 우주선 안에서 산소와 물이 하나의 순환 시스템처럼 연결되어 있다는 것을 알 수 있습니다.
사람이 산소를 사용하고 → 이산화탄소를 배출하고 → 이산화탄소를 처리하고 → 물을 회수하고 → 물에서 다시 산소를 생산하는 과정입니다.
완벽하게 100% 닫힌 순환은 아니지만, 이러한 재활용 비율을 높이는 것이 장기 우주탐사에서 매우 중요합니다.
왜냐하면 지구에서 모든 것을 계속 가져가는 데에는 엄청난 비용이 들기 때문입니다.
예를 들어 화성처럼 지구에서 매우 먼 곳으로 사람을 보내는 임무를 생각해 보면 이해하기 쉽습니다.
우주비행사가 1년 또는 그 이상 우주에 머문다면 그 기간 동안 필요한 산소와 물을 모두 지구에서 가져가야 할까요?
그렇게 되면 운반해야 할 물자의 양이 크게 증가합니다.
무게가 증가하면 발사에 필요한 에너지와 비용도 커집니다. 또한 장기간 사용할 물과 산소를 모두 저장하는 것도 쉬운 일이 아닙니다.
그래서 미래의 우주탐사에서는 자원을 얼마나 잘 재활용할 수 있는가가 매우 중요한 기술이 됩니다.
특히 달이나 화성처럼 장기간 사람이 머물 가능성이 있는 장소에서는 현지 자원을 활용하는 기술도 중요해질 수 있습니다.
예를 들어 달이나 화성에 존재하는 물을 확보하고 정제해서 산소를 생산할 수 있다면 지구에서 모든 산소를 가져갈 필요가 줄어듭니다.
이처럼 우주에서 산소를 만드는 기술은 단순히 “숨 쉴 공기를 만드는 기술”이 아니라 우주에서 사람이 장기간 살아가기 위한 자원순환 기술이라고 볼 수 있습니다.
우주선은 어떻게 공기를 계속 유지할까? — 폐쇄형 생명유지장치의 원리
우주에서 산소 문제를 생각하다 보면 결국 가장 궁금해지는 것이 있습니다.
“그러면 우주선 안의 공기는 계속 재사용할 수 있을까?”
정답은 최대한 재활용하는 방향으로 설계한다입니다.
우주선이나 우주정거장처럼 사람이 장기간 머무르는 공간에서는 공기를 계속 새로 공급하는 것보다 기존 공기를 관리하는 것이 훨씬 효율적입니다.
이 시스템을 넓은 의미에서 환경제어 및 생명유지장치라고 할 수 있습니다.
이 장치는 단순히 산소만 관리하지 않습니다.
우주비행사가 안전하게 생활하려면 산소 농도뿐 아니라 이산화탄소 농도, 압력, 온도, 습도, 미량 오염물질 등을 적절하게 유지해야 합니다.
생각해 보면 사람은 숨만 쉬고 사는 것이 아닙니다.
생활하면서 땀을 흘리고, 음식을 먹고, 다양한 물질을 사용합니다. 장비에서도 여러 가지 기체나 화학물질이 발생할 수 있습니다.
따라서 우주선 내부의 공기는 계속 관리해야 합니다.
예를 들어 습도가 너무 높아지면 공기 중에 수분이 많이 쌓이고, 특정 표면에 물방울이 생길 수 있습니다. 반대로 습도가 너무 낮으면 우주비행사가 불편함을 느끼거나 여러 가지 문제가 발생할 수 있습니다.
이 때문에 공기 순환 장치가 계속 작동하면서 우주선 내부의 공기를 움직이고, 필요한 물질을 제거하거나 조절합니다.
또한 산소 농도가 너무 높아지는 것도 문제가 될 수 있습니다.
산소는 사람이 살아가는 데 반드시 필요하지만 농도가 지나치게 높아지면 화재 위험이 커질 수 있습니다. 따라서 우주선에서는 단순히 “산소를 많이 넣으면 좋다”가 아니라 적절한 공기 조성을 유지하는 것이 중요합니다.
이것이 지구의 생활환경과 우주선의 가장 큰 차이 가운데 하나라고 생각합니다.
지구에서는 공기가 자연스럽게 순환합니다.
사람이 산소를 소비해도 대기 전체가 엄청나게 큰 저장고 역할을 합니다. 하지만 우주선은 작은 밀폐 공간입니다.
따라서 우주선 내부의 공기는 일종의 작은 생태계처럼 관리해야 합니다.
사람이 산소를 소비하고 이산화탄소를 배출하면 기계가 이를 처리합니다. 물이 사용되면 회수하고 정화합니다. 공기 중의 수분도 회수합니다. 필요한 경우 물을 전기분해하여 산소를 다시 생산합니다.
이렇게 보면 우주선은 단순한 이동수단이 아니라 사람이 살아갈 수 있는 작은 인공 지구에 가깝습니다.
특히 앞으로 달 기지나 화성 기지처럼 사람이 장기간 머무르는 시설이 만들어진다면 이런 생명유지 기술은 더욱 중요해질 것입니다.
우주비행사가 지구에서 산소통을 들고 가는 것만으로는 장기간 생활을 해결할 수 없기 때문입니다.
결국 미래의 우주탐사에서 중요한 것은 얼마나 많은 산소와 물을 가져갈 수 있느냐가 아니라 얼마나 적은 자원으로 오랫동안 순환시킬 수 있느냐가 될 가능성이 큽니다.
저는 이 부분이 우주과학에서 특히 흥미로운 부분이라고 생각합니다.
처음에는 “우주에서는 산소를 어떻게 만들까?”라는 단순한 궁금증에서 시작했지만, 실제로는 물의 전기분해, 이산화탄소 제거, 수분 회수, 공기 정화, 산소 재활용 등 수많은 기술이 하나의 시스템으로 연결되어 있었습니다.
그리고 그 중심에는 재활용과 순환이라는 개념이 있습니다.
우주에서는 지구처럼 필요한 것을 언제든 가져올 수 없습니다. 따라서 한 번 가져간 자원을 최대한 여러 번 활용해야 합니다.
사람이 숨을 쉬면서 사용하는 산소도 마찬가지입니다.
산소를 소비하고 이산화탄소를 배출하는 과정에서 끝나는 것이 아니라, 이산화탄소와 수소를 활용하고 물을 다시 회수하며, 그 물을 이용해 다시 산소를 만들어내는 방향으로 시스템을 발전시키고 있습니다.
물론 현재의 생명유지 시스템이 모든 물질을 완벽하게 100% 순환시키는 것은 아닙니다. 일부 자원은 여전히 지구에서 공급받아야 하고, 장비의 유지보수와 교체도 필요합니다.
하지만 장기간 우주생활을 위해서는 이러한 폐쇄형 순환 시스템의 효율을 계속 높이는 것이 중요합니다.
결국 “우주비행사는 지구에서 공기를 얼마나 많이 가져갈까?”라는 질문에 대한 답은 생각보다 간단하지 않습니다.
필요한 산소를 일부 저장해 가져가기도 하지만, 장기간 생활에서는 물을 전기분해해 산소를 만들고, 사람이 배출한 이산화탄소를 제거하며, 물과 공기를 최대한 재활용하는 생명유지 시스템이 함께 작동합니다.
우리가 지구에서 아무 생각 없이 한 번 들이마시는 숨에도 사실은 놀라운 우주기술이 숨어 있는 셈입니다.
다음에 우주정거장이나 미래의 달 기지에서 우주비행사가 생활하는 모습을 보게 된다면 단순히 “저 사람들은 우주에서 어떻게 숨을 쉬지?”라고 생각하는 데서 그치지 않고, 그들이 내쉬는 이산화탄소와 마시는 물, 그리고 다시 만들어지는 산소가 하나의 거대한 순환 시스템 안에서 연결되어 있다는 점을 생각해 보면 우주생활이 훨씬 흥미롭게 느껴질 것입니다.
또한 우주에서 산소를 만들고 공기를 유지하는 기술을 알아보면 자연스럽게 한 가지 궁금증도 생기실텐데요.
그렇다면 우주비행사는 실제로 그 물을 어떻게 마실까요?
지구처럼 컵에 물을 따라 마시는 것이 어려운 무중력 환경에서는 물이 예상과 전혀 다르게 움직입니다.
우주에서 물방울이 어떻게 떠다니고, 우주비행사는 어떤 방법으로 물을 안전하게 마시는지 궁금하다면
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2026.09.09 - [분류 전체보기] - 우주에서 물을 마시면 어떻게 될까? 컵이 필요 없는 우주인의 물 마시는 법