우주선에서 사람이 숨을 쉴 수 있는 이유: 인공 생명 유지 시스템의 과학

우주는 진공 상태로, 공기도 산소도 없습니다. 따라서 사람이 살아가기 위해 가장 기본적으로 필요한 '숨을 쉬는 것' 자체가 불가능한 환경입니다. 그런데도 우주인들은 국제우주정거장(ISS)이나 유인 우주선 안에서 문제없이 생활하고, 임무를 수행합니다. 그 이유는 바로 정교한 생명 유지 시스템(Life Support System) 덕분입니다.

아래에서는 우주선에서 숨을 쉴 수 있게 해주는 과학적 원리와 기술을 항목별로 자세히 설명합니다.

 

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1. 밀폐된 환경: 외부와 완전히 차단된 내부 공간

우주선 내부는 완전히 밀폐된 공간입니다. 외부의 진공이나 방사선, 미세운석 등으로부터 승무원을 보호하면서 지구와 유사한 대기 조건을 인공적으로 조성합니다.

• 내부 기압: 지구의 해수면과 거의 같은 수준(약 101.3 kPa)
• 온도와 습도: 인간이 편안하게 느끼는 수준(약 70% 습도)

이 밀폐된 환경이 전제가 되어야 나머지 생명 유지 기술이 작동할 수 있습니다.

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2. 산소 공급 시스템: 숨을 쉬게 하는 가장 중요한 요소

사람이 숨을 쉴 수 있으려면 공기 중에 약 21%의 산소가 포함되어 있어야 합니다. 우주선에서는 여러 가지 방법으로 산소를 공급합니다.

2-1. 산소 저장 탱크

초기에는 고압의 산소를 저장 탱크에 넣어 실내에 공급했습니다. 현재도 예비 수단으로 사용됩니다.

2-2. 전기분해 장치(수전해 장치, OGA: Oxygen Generation Assembly)

국제우주정거장(ISS)에서는 물(H₂O)을 전기분해해 산소(O₂)와 수소(H₂)를 만들어냅니다.

• 원리:
  2H2O→2H2+O22H₂O → 2H₂ + O₂2H2​O→2H2​+O2​
  만들어진 산소는 실내로 보내고, 수소는 제거하거나 메탄 생성 등 다른 공정에 활용합니다.

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3. 이산화탄소 제거 시스템: 숨을 쉴 수 있는 공기 유지

사람이 숨을 쉴 때 산소를 들이마시고 이산화탄소(CO₂)를 내쉽니다. 이산화탄소가 계속 쌓이면 질식하거나 중독될 수 있기 때문에 반드시 제거해야 합니다.

3-1. 리튬 하이드록사이드 필터

초기의 우주선(예: 아폴로 계획)에서는 리튬 하이드록사이드(LiOH)를 사용해 CO₂를 흡수했습니다.

• CO2+2LiOH→Li2CO3+H2OCO₂ + 2LiOH → Li₂CO₃ + H₂OCO2​+2LiOH→Li2​CO3​+H2​O

3-2. 재생형 흡착 장치 (CDRA: Carbon Dioxide Removal Assembly)

현재 ISS에서는 제올라이트(Zeolite)라는 흡착제를 활용해 CO₂를 반복적으로 흡수하고 열로 제거하는 재사용 가능한 장치를 사용합니다.

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4. 질소와 기압 조절: 지구와 비슷한 대기 구성

지구의 대기 중에는 산소뿐만 아니라 질소(N₂)도 약 78% 포함되어 있습니다. 이 질소는 기압 유지와 폐의 압력 균형에 중요합니다.

• 산소만 있을 경우 산소 중독의 위험이 커지므로 질소를 혼합하여 지구와 유사한 대기 조성 유지
• 고도 적응 문제 예방

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5. 공기 순환 및 정화 시스템

우주선 내부 공기는 계속해서 순환시켜야 합니다. 일정한 장소에 CO₂가 몰리거나산소가 부족해지는 것을 막기 위해 팬과 필터 시스템이 작동합니다.

• HEPA 필터: 먼지, 세균 등 제거
• 탈취 필터: 체취, 음식 냄새, 휘발성 화합물 제거

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6. 비상 대책: 산소 누출, 화재 등 대비

우주선 내부에서 공기가 새거나 불이 나면 생명에 직결되는 위기입니다. 이에 대비한 시스템도 필수입니다.

• 산소 농도 모니터링 센서
• 화재 경보 및 소화 시스템
• 우주복 내 자체 산소 저장 장치

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7. 향후 기술: 폐기물 재활용과 자급자족 시스템

NASA와 ESA 등은 장기 우주 비행(예: 화성 탐사)을 위한 완전 재생형 생명 유지 시스템 개발에 힘쓰고 있습니다.

• 이산화탄소를 다시 산소로 변환하는 시스템
• 식물과 미생물을 활용한 자연순환 기반의 공기 정화