실록산 사건 (L'Affaire Siloxane)

발한 억제제(antiperspirant) 증기가 어떻게 NASA로 하여금 우주 정거장을 대피하게 만들 뻔했는가

국제 우주 정거장(ISS)의 초기 시절에는 승무원의 생존에 필요한 물을 우주 왕복선(Space Shuttle)을 통해 운송해야 했으며, 그 비용은 물 무게의 몇 배에 달하는 금값과 맞먹었습니다. 2005년까지 우주비행사들의 수분을 유지하기 위해 지구에서 9,000kg 이상의 물이 실려 올라갔으며, 처리되기를 기다리는 7,000kg의 처리된 소변이 궤도 저장 탱크에 보관되어 있었습니다.

2008년 11월, 우주 탐사의 위대한 꿈인 '우주비행사의 소변을 끓이는 것'을 실현하기 위해 물 처리 어셈블리(Water Processing Assembly)가 ISS에 도착했습니다. 800kg 무게의 소변 처리 어셈블리(Urine Processing Assembly)는 정거장의 물 재사용률을 45%에서 80%로 높이는 데 도움을 줄 것이었습니다. 우주 비행 역사상 처음으로, 우주비행사들은 궤도 거주지에서 물을 실질적으로 재활용하게 된 것입니다.

물 처리 어셈블리가 가동된 지 13개월 후인 2010년 6월, 우주비행사들의 식수에서 과도한 수준의 총 유기 탄소(Total organic carbon)가 나타나기 시작했습니다. 총 유기 탄소는 오염 물질이 존재한다는 것을 경고하는 비특이적(non-specific) 측정값이지만, 그 정체가 무엇인지에 대한 단서는 제공하지 않습니다.

2010-11년 재처리된 ISS 물 내 총 유기 탄소 그래프. 빨간색 화살표는 안전 한계치인 3ppm을 가리킵니다.

우주 정거장을 설계할 당시, NASA는 포름알데히드(formaldehyde)가 식수에 유입되는 최악의 시나리오를 가정하여 총 유기 탄소의 안전 한계치를 3ppm(parts per million)으로 설정했습니다. 여름이 되자 유기 탄소의 주간 추세는 꾸준히 상승하고 있었으며, 12월에는 이 임계치를 초과할 것으로 예상되었습니다. 그 시점이 되면 NASA는 신선한 식수를 새로 보내거나 승무원들을 지구로 귀환시켜야만 했을 것입니다.

그 당시에도 지금도 우주 정거장에서 분석 화학 (analytical chemistry)을 수행할 수 있는 규정은 없습니다. 만약 정체불명의 물질이 발견된다면, 이를 귀환하는 Dragon 또는 Soyuz 캡슐에 실어 보낸 뒤 지구에 있는 실험실에서 정체를 확인하기를 기다려야 합니다. 우주비행사(Astronauts)와 우주비행사(Cosmonauts)들은 정기적으로 환경 샘플을 수집하지만, 해당 샘플에 무엇이 들어있는지는 그 아카이브가 지구로 내려왔을 때에야 분석될 수 있습니다. 따라서 여름 동안 수집된 수많은 물 샘플을 실은 Soyuz 캡슐이 마침내 착륙하여 휴스턴의 식품 및 수질 분석 (Food and Water Analysis) 실험실로 신속히 전달된 것은 9월이 되어서였습니다.

그곳의 화학자들은 총 유기 탄소 (total organic carbon) 수치를 확인했지만, 모두의 놀라움 속에서도 샘플 내의 특정 오염 물질을 식별해내지 못했습니다. 물속에 들어있던 물질은 ISS 엔지니어들이 스테이션의 용수 시스템으로 유입될 수 있다고 예상했던 수백 가지 화학 물질 목록에 포함되어 있지 않았습니다. 사실, 그 정체불명의 물질은 실험실의 방대한 질량 분석 스펙트럼 (mass spectra) 참조 라이브러리에도 존재하지 않았습니다.

새로운 참조 라이브러리를 활용해 작업하던 Boeing의 동료들이 나서서야 비로소 그 정체불명의 오염 물질이 디메틸실란디올 (dimethylsilanediol), 즉 DMSD라는 것을 식별해낼 수 있었습니다.

DMSD는 실록산 (siloxanes)이라 불리는 화합물 군에 속하며, 이는 규소-탄소-산소 결합을 포함하고 유기 화학 (organic chemistry)과 해변의 모래 사이의 일종의 중간 영역을 차지하는 분자입니다. 실록산 (실리콘 (silicones)이라고도 함)은 화장품1, 콘택트렌즈, 보형물, 코킹 (caulks), 포장재, 그리고 모든 종류의 개인 위생 용품에서 흔히 사용되는 성분으로, 제품을 부드럽고 미끄럽게 만드는 데 사용됩니다. 데오도란트와 헤어 컨디셔너에 매끄러운 질감을 부여하는 것이 바로 실록산이며, 동일한 특성 덕분에 산업용 윤활제 (industrial lubricant)로도 널리 사용됩니다.

제조업체들이 실록산 (siloxanes)을 선호하는 이유는 그것이 저렴하고, 안정적이며, 무독성이고, 반응성이 낮기 때문입니다. 적어도 우주 정거장 내부의 값비싼 무언가와 접촉하기 전까지는 말이죠. ISS 생명 유지 장치 관련 이야기에서 실록산은 아가사 크리스티 소설 속의 온순한 캐릭터와 같은 역할을 합니다. 저택에 내내 머물러 있었지만, 살인을 저지를 만큼의 배짱 (moxie)이 있을 것이라고는 아무도 의심하지 않았던 그런 캐릭터 말입니다. 우리는 이들을 다시 만나게 될 것입니다.

실록산과의 이 초기 조우에서, NASA는 이 화합물이 초래할 혼란에 대한 갈망을 크게 과소평가했습니다. 유기 탄소의 수개월에 걸친 이탈의 원인이 DMSD임을 확인하기 위해, 휴스턴의 화학자들은 대조를 위해 사용할 해당 물질의 순수 표준 용액 (pure reference solution)을 합성했습니다. 그들은 자신들의 최첨단 가스 크로마토그래피/질량 분석기 (gas chromatograph/mass spectrometer)가 DMSD에 민감하게 반응하여, 조사한 모든 ISS 수질 샘플에서 강력하고 명확한 피크 (peaks)를 보여준다는 사실을 발견하고 기뻐했습니다.

불행하게도, 해당 장비는 지구에서 가져온 관련 없는 환경 샘플과 증류된 탈이온수 (deionized water)의 공시료 (blank sample) 실행을 포함한 다른 모든 것에서도 강력하고 명확한 DMSD 피크를 보여주었습니다. 화학자들은 자신들의 장비 내 튜빙 (tubing) 또한 실록산으로 만들어졌다는 사실을 깨닫기 전까지 세 대의 값비싼 가스 크로마토그래피를 망가뜨렸습니다. 일단 주입되면, DMSD는 크로마토그래피 튜브의 벽면으로 기꺼이 녹아 들어가 그곳에 머물며, 장비가 수행하는 모든 향후 측정값을 오염시켰습니다.

실험실 장비를 파괴하지 않는 대안적인 분석 방법을 고안한 후, 뼈아픈 교훈을 얻은 화학자들은 우주비행사가 죽지 않고 하루에 이 DMSD 물질을 얼마나 마실 수 있는지 알아내는 작업에 착수했습니다. 그들이 여전히 답을 찾기 위해 노력하던 중, 모두의 놀라움 속에서도 우주 정거장의 총 탄소 수치가 다시 정상 수준으로 떨어졌고, 마치 아무 일도 없었던 것처럼 그 상태를 유지했습니다.

그 사건 이후, 우주 정거장의 음용수 내 총 유기 탄소 (Total Organic Carbon) 수치가 최소 다섯 차례 더 급증했으며, 그 원인은 모두 DMSD로 밝혀졌습니다. NASA의 논리에 따르면, 이로 인해 실록산 (Siloxane) 오염은 치명적인 이상 현상(Anomaly)에서 모델링과 대비 계획을 세울 수 있는 익숙한 현상으로 변했습니다. 심지어 이 기관은 실록산과의 싸움을 우주 정거장의 성과라고 자랑하기까지 하는데, 이는 마치 절벽 위의 저택이 바다로 추락함으로써 인류의 침식 작용에 대한 이해를 높이는 데 기여했다고 자랑하는 것과 비슷합니다.

우주 실록산은 어디에서 오는 걸까요? 조사 결과, 우주 정거장 내 실록산 증기의 주요 공급원은 데오도란트 (Antiperspirants), 물티슈, 로션, 그리고 바르고 나가는 헤어 컨디셔너임이 드러났습니다. 매일 약 1.5g의 물질이 선실 대기 중으로 증발합니다. 그곳에서 우주로부터 오는 전리 방사선 (Ionizing radiation)의 도움을 받아, 해당 물질은 물에 매우 잘 녹는 디올 (Diol, DMSD)을 형성하며 분해됩니다. 이 화합물은 물 응축기 (Water condenser)에 모이고, 처리 체인 (Treatment chain)을 거의 온전한 상태로 통과하여 그곳에서 깨끗한 용수 공급원으로 들어갑니다.

ISS(국제우주정거장)에서 관찰된 총 유기 탄소의 급격한 급증은 완충 작용에 의한 인위적 결과(Buffering artifact)임이 밝혀졌습니다. 화학적으로 더 활발한 물질이라면 물 여과층 (Water filtration beds)의 이온 교환 매체 (Ion-exchange medium)에 결합하여 그곳에 머물 것입니다. 하지만 DMSD는 결합력이 약해 기본적으로 다른 어떤 물질에 의해서도 밀려날 수 있습니다. 여과층이 처음 설치되었을 때, DMSD는 유출수에서는 나타나지 않은 채 신선한 수지 (Resin) 위에 축적되기 시작합니다. 그러나 몇 달 후 여과 매체가 DMSD로 포화되면, 다른 물질들이 이를 밀어내기 시작하면서 유기 탄소의 특징적인 급격한 상승을 만들어냅니다. 여과층에 모여 있던 모든 DMSD가 용수 공급원으로 용출 (Elute)되고 나면, 유기 탄소 수치는 다시 0에 가깝게 떨어집니다. 여과층을 교체하면 이 과정은 반복됩니다.

그 과정에서 DMSD는 우주 정거지에 막대한 비용을 발생시킵니다. 매년 지구로부터 교체용 다중 여과층 (multifiltration beds, 무게 50kg, 설계 수명 3년) 세트를 실어 올려야 합니다.

NASA는 이 물질을 그냥 무시할 수도 있습니다. 하지만 DMSD로 인해 발생하는 총 유기 탄소 (total organic carbon) 수치의 급증이, 다른 더 심각한 오염 물질의 증가를 은폐하고 있을 위험이 항상 존재합니다. 또한, 출력수(output water)에 이 물질이 포함되어 있으면 다른 문제들도 발생합니다. 실록산 (Siloxane)은 이제 잘 알려진 골칫거리로 등극했으며, 주요 영향은 수처리 시스템의 다중 여과층 수명을 단축시키고, 캐빈 열교환기 (cabin heat exchanger, 70kg 무게의 금속 부품)의 친수성 코팅 (hydrophilic coating)을 재도포하기 위해 매년 이를 지구로 내려보내야 한다는 점입니다.

실록산을 처리하기 어렵게 만드는 점은 이들이 매우 불활성 (inert)이라는 것입니다. 반응성이 있는 오염 물질은 생명 유지 루프 (life support loop)에서 제거하기 쉽지만, 실록산은 대부분의 다양한 필터와 이온 교환기 (ion exchangers)를 가볍게 통과해 버립니다. 이들이 반응하기를 원하는 유일한 대상은 촉매층 (catalyst beds)과 열교환기에 입혀진 값비싸고 섬세한 친수성 코팅뿐인 것으로 보입니다. 그리고 마침내 반응이 일어날 때, 이들은 유리 층을 퇴적시키는 방식으로 반응하여 모든 반응성 표면을 매우 효과적으로 사멸시킵니다. 우주 정거지의 실험용 사바티에 반응기 (Sabatier reactor)를 단 1,800리터의 처리량 만에 망가뜨린 것은 DMSD와 디메틸설폰 (dimethylsulfone, 우주비행사의 소변에서 유래)의 조합이었습니다.

물속에서 DMSD를 격리 (sequester)할 수 있는 물질을 찾으려는 헛된 시도 끝에, NASA는 실록산 문제를 기체 단계에서 해결하기로 결정했습니다. 즉, 실록산 증기가 디올 (diol)로 가수분해되어 용수 공급원으로 유입되기 전에 다양한 실록산 증기를 포집하는 방식입니다. 2015년, 그들은 정거장의 직사각형 HEPA 공기 필터 중 일부를 활성탄 (activated charcoal)이 채워진 특수 실록산 제거 필터로 교체했습니다.

이 새로운 필터들은 공기 중의 실록산 (siloxane) 증기 농도를 낮추었지만, 동시에 곰팡이 발생을 초래했습니다. 새로운 필터 시스템을 2년 반 동안 가동한 후, NASA는 하이브리드 솔루션(hybrid solution)으로 후퇴해야 했습니다. 현재 필터는 절반은 활성탄 (charcoal), 절반은 HEPA로 구성되어 있습니다. 이는 대기 중의 실록산을 최소한 일부라도 포집하면서 곰팡이 수치를 낮게 유지해 줍니다. 현재 NASA는 열교환기 (heat exchangers)를 보호하기 위해 그 앞에 설치할 새로운 여과 시스템을 테스트하고 있으며, 발생원 단계에서 실록산을 줄이기 위한 시도를 계속하고 있습니다. 아마도 현재 NASA에는 실록산 제어에 평생을 바친 사람들이 있을 것입니다. 하지만 현 상태는 여전히 만족스럽지 않습니다.

실록산과 화성: 만약의 시나리오 (a What-If)

만약 실록산 이야기가 화성 탐사 임무에서 처음 마주하게 된 상황이었다면 어떻게 전개되었을지 상상해 보는 것은 흥미롭습니다.

ISS(국제우주정거장)의 경우, 2010년에 발생한 총 유기 탄소 (total organic carbon)의 초기 상승은 스테이션이 물 재활용을 시작한 지 약 13개월 후에 나타났습니다. 화성으로 향하는 모든 승무원이 지구 근처에서 몇 달간의 점검 항해 (shakedown cruise)를 보낸다고 가정하면, 그 10개월이라는 시점은 우주선이 화성에 도착하는 시점과 거의 일치할 것입니다. 그곳에서 승무원들은 우주선을 휴면 상태로 두고, 자체적인 물 재활용 시스템을 갖춘 지표면 거주지로 집단 이동하게 되며, 이로 인해 실록산 문제의 시계는 다시 초기화될 것입니다. 17개월의 지표면 체류 기간 중 몇 달이 지나면, 이온 교환층 (ion exchange beds)에서 DMSD가 용출되기 시작하면서 물속의 유기 탄소가 다시 상승하기 시작할 것입니다. 반년 이내에 승무원들은 궤도로 복귀하여 임무를 중단할 것인지, 장비를 교체할 것인지, 아니면 식수 내 미지의 오염 물질 수치가 높아진 상태를 받아들일 것인지에 대한 어려운 선택에 직면하게 될 것입니다.

그들의 선택이 무엇이든, 일단 궤도 우주선으로 돌아가면 화성 표면으로의 하강으로 인해 중단되었던 초기 DMSD 급증 이후, 그곳에서의 총 유기 탄소 (TOC) 수치 상승이 재개되는 것을 보게 될 것입니다. 승무원의 관점에서는 동일한 불길한 문제가 궤도에서 화성 표면, 그리고 다시 돌아오는 과정 내내 그들을 따라다니는 것처럼 보일 것입니다.

만약 우주비행사들에게 가스 크로마토그래피/질량 분석기 (GC/MS)와 같은 분석 장비가 탑재되어 있었다면, 상황은 훨씬 더 혼란스러워졌을지도 모릅니다. 실록산 (siloxane) 피크는 지구에 있는 NASA의 참조 데이터베이스에조차 등록되어 있지 않았기 때문에, 그들은 수질 샘플에서 이를 식별하는 데 어려움을 겪었을 것입니다. 그리고 추적 작업이 끝날 무렵에는 충분한 양의 DMSD가 가스 크로마토그래피의 튜빙에 녹아들어, 향후 모든 샘플 분석 시 가짜 신호 (spurious signal)를 유발하게 되어 그 출처에 대해 끝없는 잠재적 혼란을 야기했을 것입니다.

항공 사고의 흔한 패턴은 치명적이지 않은 문제를 해결하려는 노력이 급격히 눈덩이처럼 불어나 생명을 위협하는 상황으로 이어지며, 승무원을 익숙하지 않은 비행 영역으로 몰아넣고 상황 인식 (situational understanding)을 저하시켜 심각한 실수를 저지르게 만드는 것입니다. 실록산 문제가 궁극적으로는 무해했을지라도, 오차 범위가 좁고 위험 부담이 큰 이러한 임무에서 어떻게 잘못된 선택을 유도할 수 있었을지 상상하기란 어렵지 않습니다.

분명히 향후의 모든 화성 임무는 ISS에서의 실록산 경험으로부터 교훈을 얻을 것입니다. 하지만 ISS에서 발생한 실록산 문제와의 첫 만남은 우리가 지구를 벗어난 초기 탐사 과정에서 마주하게 될 문제들의 유형을 보여주는 좋은 템플릿이 됩니다.

실록산 사건으로부터 얻는 실행 가능한 비즈니스 인사이트 (Actionable Business Insights)