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

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

개념설계안

1. 개요

최근 인류의 화성 탐사 및 장기 거주 가능성에 대한 논의가 활발해짐에 따라, 현지 자원을 활용한 건설 재료 개발의 중요성이 대두되고 있다. 화성의 지각 구성 성분 중 산화철(Fe₂O₃)과 산화마그네슘(MgO)은 풍부하게 존재하며, 이를 활용한 콘크리트의 기계적 특성에 대한 기초 연구가 필요하다.

본 연구는 화성 지반 성분을 모사하여 산화철과 산화마그네슘을 혼입한 콘크리트 공시체를 제작하고, 이들의 압축강도 특성을 실험적으로 분석하는 것을 목적으로 한다. 실험은 Fe₂O₃를 0%에서 3.0%까지 1% 단위로, MgO를 0%에서 2.0%까지 1% 단위로 각각 혼입하여 총 12가지 배합 조합의 공시체를 제작하여 수행된다. 각 공시체는 동일한 몰드 규격으로 제작되며, 표준 양생 조건 하에서 7일, 28일간 양생한 후 압축강도를 측정한다.

본 연구를 통해 산화철 및 산화마그네슘의 혼입률과 조성비가 콘크리트의 압축강도에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 화성 현지 재료를 활용한 구조물 시공의 기초자료를 제공하고자 한다. 아울러, 극한 환경에서의 건설 재료 성능 확보 및 향후 자급적 건설 공정 개발에 기여할 수 있는 근거를 제시할 것으로 기대된다.

2. 실험재료

1. <산화철(Fe₂O₃)> - 입도 분포 75μm 이하, 건조상태 유지

- 장점 1.1 조기 수화반응의 촉진 및 압축강도 증진 Fe₂O₃는 자체적으로 시멘트와 반응하는 활성을 가지진 않지만, 미세한 입도 특성과 높은 비표면적을 통해 수화 반응의 핵 생성(nucleation) 역할을 수행함으로써 시멘트 클링커의 조기 수화 반응을 유도할 수 있다. 이에 따라 조기 압축강도가 증가할 수 있으며, 특히 물-결합재 비가 낮은 조건에서 그 효과가 두드러진다.

1.2 미세구조 개선 및 내구성 향상 산화철의 미세입자는 시멘트 수화 생성물의 사이 공간을 메우는 충진재(filler) 효과를 제공함으로써 콘크리트의 총 공극률을 감소시키고, 결과적으로 투수성 감소, 탄산화 저항성 및 염해 저항성 향상 등에 기여할 수 있다. 또한 미세공극의 폐쇄는 철근 부식에 대한 저항성을 향상시켜 장기 내구성을 증진시킨다.

- 단점 2.1 과도한 혼입 시 수화 반응의 희석 효과 Fe₂O₃는 기본적으로 비활성 물질이기 때문에 혼입량이 일정 비율(통상적으로 5 wt% 이상)을 초과할 경우, 시멘트 클링커의 상대적 비율이 감소하면서 수화반응을 저해하거나 지연시키는 희석 효과(dilution effect)가 발생할 수 있다. 이로 인해 장기 압축강도가 오히려 감소하는 결과를 초래할 수 있다.

2.2 건조수축 및 균열 민감성 증가 가능성 미세한 산화철 입자의 혼입은 전체적인 수화열을 증가시킬 수 있으며, 이는 양생 초기에 수분 손실을 가속화하고 결과적으로 건조수축 증가를 유발할 수 있다. 특히 실외 또는 낮은 습도 환경에서는 균열 발생의 위험성이 상대적으로 커진다.

2.3 작업성 저하 Fe₂O₃는 물에 대한 흡수력이 높고 입자 표면의 응집력이 커서 콘크리트 혼합물 내에서 점성과 내부 마찰 증가를 유발할 수 있다. 이로 인해 슬럼프 저하 및 펌프 이송성 저하가 발생하며, 특히 고유동 콘크리트 또는 대형 구조물 타설 시 문제 요소가 될 수 있다. 이러한 단점은 혼화재(예: 고성능 감수제)의 병행 사용으로 어느 정도 보완 가능하다.

2.4 화학적 안정성 및 장기 거동 불확실성 Fe₂O₃는 일반적인 중성 또는 약염기성 환경에서는 안정한 물질이지만, 산성 환경에서는 용해 가능성이 존재하며, MgO 등 다른 금속 산화물과의 복합 작용에 따라 장기 내화학성이나 알칼리-실리카 반응(ASR) 촉진 여부 등 거동 예측이 복잡할 수 있다. 이에 따라 장기 내구성 확보를 위한 추가 검토가 필요하다.

2. <산화마그네슘 MgO> - 흡습성 강하므로 밀봉 보관

-장점 1.1 건조수축 저감 및 균열 제어 MgO는 수분과 반응하여 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)로 천천히 수화되며, 이 과정에서 부피 팽창을 동반한다. 이러한 팽창성은 시멘트 페이스트의 건조수축으로 인한 수축응력을 상쇄하여 균열 제어에 효과적이다. 특히 대형 구조물, 매스 콘크리트 및 프리캐스트 제품에서 응력 균형에 기여할 수 있으며, 팽창량은 소성도에 따라 조절 가능하다.

1.2 장기 내화성 향상 MgO는 고온 환경에서 안정한 결정구조를 유지하며, 2800℃ 이상의 고융점을 가지므로 콘크리트의 내화 성능 향상에 기여할 수 있다. 이는 내화 콘크리트, 터널 라이닝, 화력 발전소 구조물 등에 유리하게 작용한다. 1.3 수밀성 향상 및 내구성 개선 Mg(OH)₂ 형성에 따른 체적 팽창은 공극을 부분적으로 충진함으로써 콘크리트 내부의 공극률을 감소시키고, 결과적으로 수밀성 및 염해 저항성을 향상시킬 수 있다. 일부 연구에서는 염화물이 철근에 도달하는 속도를 지연시켜 내구수명을 연장하는 것으로 보고되고 있다.

-단점 2.1 과도한 팽창에 따른 균열 유발 MgO의 수화 반응은 온도, 입도, 결정성에 따라 반응 속도와 팽창량이 크게 달라진다. 반응이 너무 빠르거나 혼입량이 과도한 경우, 콘크리트 내부 응력 집중으로 인해 오히려 균열을 유발할 수 있다. 특히, 반응이 일찍 시작될 경우 초기 응결 및 구조적 안정성에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

2.2 장기 강도 발현 저해 MgO는 일반적인 포틀랜드 시멘트의 수화 반응에 비해 반응속도가 느리고, 반응 생성물인 Mg(OH)₂는 시멘트 수화물인 C-S-H 겔과 달리 기계적 결합력이 낮다. 이로 인해 MgO 혼입이 과다할 경우, 장기 강도 발현이 저해될 수 있으며, 특히 28일 이후 압축강도에서 부정적인 영향이 나타날 수 있다.

2.3 알칼리-실리카 반응(ASR) 연관성 이온은 알칼리-실리카 반응에 간접적으로 영향을 미칠 수 있으며, 특정 조건(높은 알칼리 환경, 반응성 골재 존재 등)에서는 ASR 젤의 팽창을 가속시킬 가능성도 보고되고 있다. 이에 따라 MgO의 혼입은 골재의 반응성과 함께 종합적으로 검토되어야 한다.

2.4 작업성 저하 가능성 MgO의 미세 입자 구조 및 수분 흡착 특성으로 인해 콘크리트의 점성 증가 및 슬럼프 저하가 발생할 수 있다. 이는 혼합 및 타설 과정에서 작업성 저하로 이어질 수 있으며, 혼화제의 적절한 조정이 필요하다.

3. 보통 포틀랜드 시멘트

4. 실험실용 정제수(증류수 또는 이온수)

5. 몰드 : KS F 2403 기준 공시체용 몰드

3.재료 혼합 관련 유의사항

산화철(Fe₂O₃)과 산화마그네슘(MgO)은 화성 지각에 풍부한 무기산화물로, 본 실험에서는 이들을 시멘트에 혼입하여 콘크리트의 압축강도에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 일반적인 시멘트의 수화 반응은 다음과 같다.

여기에 MgO를 혼입하면 다음과 같은 수화 및 탄산화 반응이 추가로 발생한다.

MgO + H₂O → Mg(OH)₂ → MgCO₃ + H₂O (+CO₂)

이 반응은 수밀성 향상 및 수축 보완에 기여하나, 과도할 경우 팽창균열을 유발할 수 있다. Fe₂O₃는 주로 알루민산과 반응하여 다음의 수화생성물을 형성한다.

Fe₂O₃ + CaO + Al₂O₃ + H₂O → C₄AF · xH₂O

이 반응은 강도보다는 색상과 장기 안정성에 영향을 미친다. 두 물질 모두 입자가 매우 미세해 응집 현상과 혼화 불균일 문제가 발생할 수 있으므로, 체거름(75 μm 이하) 및 건식 혼합을 선행하고 습식 혼합을 병행하는 것이 바람직하다. Fe₂O₃ 과잉 혼입은 레이턴스 형성, 수화 지연, 강도 저하의 원인이 될 수 있으며, MgO는 반응 속도가 느려 초기 강도 발현이 낮은 특성이 있다. 따라서 Fe₂O₃는 3%, MgO는 2% 이내로 혼입 비율을 제한하고, 공시체는 최소 28일 이상 양생하여 강도를 평가해야 한다. 또한, CO₂ 탄산화 반응을 고려해 탄산화 양생 환경을 제어할 필요가 있다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

배합 설계 및 혼합

● 유의사항 : -산화철과 마그네슘 외의, 양생실 온도, 습도, W/C비, 혼합 시간 등은 모두 동일하게 적용한다. -혼합 시간, 교반 속도를 재현성 확보를 위해 기록해둔다.

콘크리트 공시체 제작 및 양생

KS 규격에 맞는 공시체를 제작하여 강도시험의 표준 조건을 만족시키고, 공정 오차를 줄인다. 위의 배합표를 바탕으로 콘크리트 공시체 24개를 제작한 뒤, 실온(대략 20℃)의 상태에서 24시간 동안 보관한다. 24시간 뒤, 몰드에서 공시체를 분리하여 7일, 28일간 양생한다. 양생 기간 동안 공시체는 외부 오염이나 손상으로부터 보호되어야 하며, 양생 조건이 일정하게 유지되도록 주기적으로 점검한다.

콘크리트 강도 측정 및 최적의 산화철 및 마그네슘 배합비 산정 24개의 강도 발현이 끝난 콘크리트 공시체의 강도를 일축압축시험기를 이용해 측정한다. 가장 높은 강도를 지닌 공시체의 산화철, 마그네슘 배합비를 산출해낸다. 추가적으로, 파괴면 분석 결과를 통해 내부 결함 여부를 검토한다.

압축강도 발현 예상 결과 및 분석

아래 그림은 일반 포틀랜드 시멘트(OPC)에 산화마그네슘(MgO)과 산화철(Fe₂O₃)을 각각 또는 혼합하여 첨가했을 때의 재령별 압축강도 발현 추이 예상을 나타낸 것이다. 기준선인 OPC 단독 혼입군은 일반적인 수화 반응에 따른 강도 발현을 보이며, 재령이 증가할수록 점진적인 강도 상승을 나타낼 것이다. 여기에 2%의 MgO를 첨가한 경우, 초기 강도에서는 큰 차이를 보이지 않으나, 28일 이후 장기적으로 강도 상승 폭이 뚜렷하게 나타날 것이라고 예상된다. 이는 MgO의 수화 생성물인 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)이 이산화탄소와 반응하여 탄산마그네슘(MgCO₃)을 형성함으로써, 콘크리트 내부 공극을 메우고 밀도를 향상시키는 탄산화 반응이 지속적으로 일어날 것으로 예상되기 때문이다. 반면 2.5%의 Fe₂O₃를 첨가한 시편은 초기 재령에서부터 강도 증가가 뚜렷하게 나타날 것이라고 예상되는데, 이는 미세한 산화철 입자가 콘크리트 내부의 공극을 충진하여 조직을 치밀하게 만드는 물리적 충진 효과와 관련이 있는 것으로 판단된다. 이러한 효과는 초기 및 중기 강도 발현에 긍정적으로 작용할 것이다. 특히 MgO와 Fe₂O₃를 동시에 혼입한 시편은 전 구간에서 가장 우수한 강도 발현을 나타낼 것으로 예상되며, 초기부터 장기까지 강도가 안정적으로 상승할 것이다. 이는 Fe₂O₃의 초기 충진 효과와 MgO의 장기 탄산화 반응 효과가 상호보완적으로 작용한 결과 때문일 것이다. 결과적으로 MgO와 Fe₂O₃의 복합 혼입은 각각의 단독 효과보다도 우수한 강도 발현을 유도할 것이며, 장기 내구성과 구조적 안정성을 동시에 확보할 수 있는 유망한 배합 방식임을 예상할 수 있다.

상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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