4조(4조)

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 화성 지각에 풍부한 자원을 활용한 화성 콘크리트 생산 가능성 연구

영문 : Feasibility of Martian Concrete Production Using Locally Available Crustal Resources

과제 팀명

4조

지도교수

김지수 교수님

개발기간

2025년 3월 ~ 2025년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학부·과 2020860011 김익현(팀장)

서울시립대학교 토목공학부·과 2020860029 이재윤

서울시립대학교 토목공학부·과 2020860004 고윤재

서울시립대학교 토목공학부·과 2020860006 김규하

서울시립대학교 토목공학부·과 2020860002 강주혁

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

1. 본 연구는 화성 건설의 지속 가능성을 확보하기 위한 현지 자원 활용 전략의 일환으로, 화성 지각에서 풍부하게 존재하는 산화철(FeO)과 산화마그네슘(MgO)을 주요 원료로 사용하는 콘크리트 배합 개발을 목표로 한다. 해당 재료들을 활용하여 지구 외 환경에서도 구조물 시공이 가능한 콘크리트 소재의 가능성을 탐색한다.

2. 콘크리트 공시체는 산화철과 산화마그네슘의 혼합 비율을 달리하여 일련의 실험군으로 제작되었으며, 이는 화성에서의 원재료 조달 여건과 조성 변화 가능성을 반영한 것이다. 각 배합에 따른 물리적·역학적 특성 변화를 정량적으로 평가하고자 실험적 접근을 수행하여 화성에서 자원을 활용한 지속 가능한 건축 자재를 만드는 방안을 모색한다.

3.모든 공시체는 표준 조건 하에서 28일간 양생된 후, 일축압축강도 시험을 통해 강도 특성이 측정되었다. 이를 통해 다양한 배합비에서 나타나는 압축 강도를 비교·분석하였으며, 가장 우수한 강도 특성을 보이는 최적의 배합비를 도출하였다. 해당 결과는 화성 기반 구조물 건설을 위한 기초 자료로 활용될 수 있으며 화성 거주 가능성 증대에 중요한 기여를 할 수 있다.

개발 과제의 배경

최근 인류의 화성 탐사 및 장기 거주 가능성에 대한 논의가 활발히 이루어지고 있으며, 이에 따라 현지 자원을 활용한 건설 재료 개발의 필요성이 대두되고 있다. 화성은 지각에 산화철(FeO)과 산화마그네슘(MgO)이 풍부하게 존재하는 것으로 알려져 있으며, 이들을 활용한 콘크리트 개발은 화성 기반 인프라 구축의 핵심적 기반이 될 수 있다.

본 연구는 FeO와 MgO를 시멘트에 혼입하여 제작한 콘크리트 공시체의 압축강도 특성을 실험적으로 분석하고, 최적의 혼입 비율을 도출함으로써 화성 현지 자원 기반 건설 소재 개발에 기초자료를 제공하는 것을 목적으로 한다.기존 연구에서는 황 기반의 결합제를 사용한 화성 콘크리트가 연구된 바 있으나, 본 연구에서는 보다 강도가 높은 마그네슘 및 산화철 기반 콘크리트를 제안하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

1. 화성 지각에 풍부한 산화철(FeO)과 산화마그네슘(MgO)을 활용해, 화성에서 직접 생산 가능한 콘크리트 배합을 개발하는 것이 본 과제의 주요 목표이다. 이는 향후 화성 기지 건설을 위한 자립형 건설 기술 확보에 기여하고자 한다.

2. 산화철과 마그네슘의 비율을 달리한 여러 콘크리트 공시체를 제작하고, 실험을 통해 배합비에 따른 물리적 특성과 강도 차이를 비교하였다. 이를 통해 다양한 조합의 성능을 체계적으로 분석하였다.

3. 제작된 공시체는 28일간 양생 후 일축압축강도시험을 실시하였으며, 실험 결과를 바탕으로 가장 강도 특성이 우수한 최적 배합비를 도출하였다. 이 결과는 화성 건설 자재 개발의 기초 자료로 활용될 수 있다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

*전 세계적인 기술현황

<국내>

1. 급속 경화 기술 – 산화마그네슘(순도 95%)–인산칼륨 혼합비 1.01.2, 물-결합재비 2535%, 압축강도 25MPa 이상 조기 발현, 급속 보수재 개발

2.이산화탄소 저장 콘크리트 – CO₂ 나노버블수 활용, 광물탄산화로 압축강도 20% 향상, 내구성 개선 (한국건설기술연구원)

3. 산화철 활용 콘크리트 – 산화철 2~5% 첨가 시 열적 안정성·내구성 향상, 10% 이상에서는 수화 지연 발생

<해외>

1. 미국: 압축 기반 건축 재료 – 화성 토양 모조물 고압 압축, 산화철 입자 결합재 역할, 철근콘크리트보다 높은 강도, 층별 압축 공법으로 대형 구조물 가능성 (UC San Diego)

2. 영국: 블러드 콘크리트 – 인간혈청알부민(우주인 혈액) 결합제, 25MPa 확보, 체액(소변·땀·눈물) 첨가 시 40MPa 도달 (맨체스터대학 등)

3. 영국: 감자 전분 콘크리트 – 감자 전분·화성 먼지·소금 혼합, 일반 콘크리트 대비 2배 강도, 시공 편의성·지속 가능성 강조

*시장상황에 대한 분석

화성 건축 자재 개발 시장은 우주 산업과 밀접하게 연관되어 있으며, 우주 탐사와 거주에 대한 투자가 확대됨에 따라 지속적으로 성장할 것으로 예상된다. 2024년 기준 우주 산업 규모는 약 600조 원에 이르며, 이 가운데 화성 관련 기술이 차지하는 비중도 점차 커질 전망이다.

특히 산화철과 마그네슘을 활용한 콘크리트 생산 기술은 화성 자원의 현지 활용을 통해 비용 절감과 자원 효율성을 높일 수 있어, 실험실 단계를 넘어 상업화될 경우 시장 성장이 가속화될 것으로 보인다. 이러한 기술 발전은 ISRU(우주현지자원활용) 중심으로 진행되며, 글로벌 우주 탐사 및 화성 거주를 위한 혁신 기술 트렌드와도 부합한다.

시장상황에 대한 분석

화성 건축 자재 개발 시장은 우주 산업과 긴밀히 연결되어 있으며, 2024년 약 600조원 규모의 우주 산업 성장과 함께 화성 관련 기술의 발전 가능성이 매우 높다. 특히 산화철과 마그네슘을 활용해 화성 현지 자원을 기반으로 콘크리트를 생산하는 기술은 자원 효율성과 비용 절감 측면에서 큰 잠재력을 지니며, 실험실 단계를 넘어 상업화가 이루어진다면 시장은 급속히 확대될 전망이다.

현재 시장 동향은 화성 자원 활용(ISRU) 기술의 발전에 집중되어 있으며, 이는 우주 탐사의 경제성을 높이는 핵심 요소다. 국내에서는 한국항공우주연구원과 한국지질자원연구원이 화성 자원 기반 건축 자재 연구에 주력하고 있고, 해외에서는 NASA가 ISRU 프로젝트를 통해 화성 현지 자원 활용을 통한 건축 자재 생산을 목표로 활발한 경쟁을 벌이고 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 지속 가능한 자원 활용 화성에서 산화철, 마그네슘 등 현지 자원을 직접 채굴하고 활용하는 방식은 지구의 자원 고갈 문제를 해결하는 데 기여할 수 있다. 우주 탐사에 필요한 물자와 자재를 모두 지구에서 운반하는 것은 막대한 비용과 시간이 소요되므로, 화성에서 자원을 자체적으로 조달하고 활용할 수 있다면 물류 부담을 획기적으로 줄일 수 있다. 이러한 ISRU(우주현지자원활용) 기술은 장기적으로 자급자족형 우주 거주 기반을 마련할 수 있게 해주며, 동시에 지구의 한정된 자원을 보존하는 데에도 긍정적인 효과를 준다. 따라서 화성 건축 자재 기술은 단순한 신기술을 넘어, 지속 가능한 우주 탐사의 필수 요소로 자리매김하고 있다.

2. 강도와 내구성 향상 화성의 혹독한 기후—낮은 대기압, 급격한 온도 변화, 강한 방사선—속에서도 구조물을 안정적으로 유지하려면 기존 지구용 건축 자재 이상의 내구성과 강도가 요구된다. 산화철(Fe₂O₃)과 마그네슘(MgO)을 기반으로 한 콘크리트는 이러한 환경에 적합한 특성을 지닌다. 산화철은 강한 압축 강도를 제공하며, 마그네슘은 낮은 온도에서도 안정적인 수화 반응을 가능하게 해 건축 자재의 성능을 향상시킨다. 특히 화성 토양에 풍부한 이 물질들을 조합하여 제작된 콘크리트는 기존 시멘트 기반 재료보다 우수한 물성을 보이며, 극한 환경에서도 장기간 구조적 안정성을 유지할 수 있다. 이는 화성 건축물의 유지보수 비용을 줄이고 안전성을 확보하는 데 핵심적인 역할을 한다.

3. 화성 거주지 건설 가능성 증대 화성에서 자립적인 건축 자재 생산이 가능해지면, 궁극적으로는 장기적인 인류 거주지 건설이 현실화될 수 있다. 지금까지의 우주 탐사는 단기 체류형 기지 건설에 초점이 맞춰져 있었지만, 화성 자원을 활용한 건축 기술은 에너지, 물, 자재 등을 현지에서 확보할 수 있어 지속 가능한 장기 거주로 전환할 수 있는 기반을 제공한다. 이를 통해 단순한 탐사를 넘어, 연구 기지, 주거 모듈, 식량 재배 시설 등 다양한 구조물의 건설이 가능해지며, 이는 곧 인류의 제2 거주지 확보라는 꿈을 구체화하는 중요한 전환점이 된다. 특히 향후 민간 우주 기업들과의 협력으로 이 기술이 확대 적용된다면, 화성 정착이 더 이상 먼 미래의 이야기가 아니게 될 것이다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1. 기술 혁신과 사회 변화 화성 자원을 활용한 건축 자재 개발은 단순한 자재 공학의 발전을 넘어서, 전반적인 과학기술 혁신을 견인하는 역할을 한다. 화성이라는 극한 환경에서 활용 가능한 자재를 개발하기 위해서는 재료 과학, 화학, 환경 공학, 우주공학 등 다양한 학문 분야의 융합이 필요하며, 이 과정에서 첨단 기술이 빠르게 발전하게 된다. 이러한 기술 혁신은 우주 산업에 국한되지 않고, 지구 상의 극지방, 사막, 해양 등 극한 환경에서의 건축 및 인프라 기술로 확장 적용될 수 있어 광범위한 파급 효과를 가진다. 또한 우주 자원 활용 기술이 상용화되면, 일반 대중의 우주 탐사에 대한 관심과 참여도도 높아질 수 있으며, 이는 사회 전반의 과학기술에 대한 인식 개선과 함께 청소년 및 청년층의 과학기술 분야 진출에도 긍정적인 영향을 미친다. 궁극적으로 화성 자원 활용 기술은 미래 사회가 우주를 하나의 생활 공간으로 받아들이는 데 중요한 역할을 하게 될 것이다.

2. 새로운 시장 창출 화성 자원 활용 기술은 기존 산업 구조에 새로운 가능성을 더하며, 우주 기반 건축 자재라는 새로운 산업 분야를 창출한다. 이는 우주 산업과 건설 산업의 경계를 허물고, 두 분야를 융합한 새로운 시장을 형성하는 계기가 된다. 예를 들어, 화성 콘크리트를 생산하기 위한 소재 가공 기술, 3D 프린팅 기반 건설 시스템, 자율 건설 로봇, 극한 환경용 테스트 장비 등 다양한 분야에서 새로운 수요가 발생하게 된다. 이는 기존 기업뿐만 아니라 스타트업과 민간 우주 기업에게도 기회를 제공하며, 일자리 창출과 기술 이전 등의 경제적 파급 효과도 클 것으로 예상된다. 또한, 화성 기반 건축 자재의 개발 과정에서 축적된 기술은 지구 내 친환경 자재 개발이나 저비용 건설 기술로 환원되어 활용될 수 있어, 장기적으로는 지속 가능한 산업 생태계 구축에 기여하게 된다. 이러한 변화는 우주 산업을 단지 국가 주도의 프로젝트에서 벗어나 민간과 대중이 함께 참여하는 새로운 경제 영역으로 발전시키는 데 핵심 역할을 한다.

기술개발 일정 및 추진체계

*기술 로드맵

초기 (3~4월)

(1) 화성 환경에 적합한 콘크리트의 기본적인 실험 및 자료 수집

(2) 화성 표면의 산화철(Fe₂O₃)과 마그네슘(Mg) 자원에 대한 자료를 조사하고, 이를 이용해 콘크리트의 가능성을 파악합

(3) 산화철과 마그네슘을 사용해 실험실에서 작은 샘플의 콘크리트를 제작하고, 기본적인 물리적 특성(강도, 내구성 등)을 분석

중기 (5월)

(1) 산화철과 마그네슘의 배합 비율을 달리한 10개 공시체 제작

(2) 시멘트 및 기타 첨가물의 최적 비율 검토

말기 (6월)

(1) 28일 양생 후 일축압축강도시험 수행

(2) 실험 데이터를 기반으로 최적의 배합 비율 선정

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용