Density and molar volume of CaO–SiO2–FeO melts measured by electrostatic levitation aboard the International Space Station

거대한 떠 있는 비누 방울을 상상해 보세요. 하지만 비누와 물 대신, 빛나는 용융된 암석과 금속으로 이루어진 것이죠. 이제 이 방울이 중력이 거의 유령처럼 사라진 국제우주정거장(ISS) 한가운데에 떠 있다고 상상해 보세요. 이것이 바로 이 연구에서 실제로 일어난 일입니다. 일본의 과학자들은 세 가지 서로 다른 레시피의 녹은 암석(산화칼슘, 이산석산, 산화철의 혼합물)을 가지고, 이들이 뜨겁고 말랑말랑할 때 얼마나 무거운지 알아보기 위해 우주로 보냈습니다.

왜 우주까지 갔을까요? 지구에서는 초고온의 액체가 얼마나 밀도가 높은지 측정하려면 보통 용기에 담아야 합니다. 하지만 뜨거운 금속은 용기를 잡아먹거나, 용기 성분이 금속 속으로 스며들어 측정을 망쳐버리곤 합니다. 이는 마치 피자 조각이 아직 상자에 붙어 있는 상태에서 무게를 재려는 것과 같습니다. 상자가 무게를 더하고 맛도 변하게 하니까요. 우주에서는 특수한 "정전기 부양" 기술을 사용하여, 과학자들은 보이지 않는 전기 손을 이용해 공중에 떠 있는 용융 방울을 붙잡을 수 있었습니다. 상자도 없고, 용기도 없는, 순수한 부유 액체 암석 그 자체였던 것입니다.

연구팀은 CS20F, CS60F, CS60F라고 명명된 세 가지 특정 "맛"의 용융물을 테스트했습니다. 숫자는 혼합물 내 산화철(FeO)의 함량(중량 대비 20%, 60%, 80%)을 나타냅니다. 나머지는 다른 두 성분이 50:50으로 나누어 가집니다. 과학자들은 레이저를 이용해 이 방울들을 빛이 날 정도로 뜨겁게 가열한 다음, 고속 카메라로 초당 60장의 사진을 찍으며 냉각 과정을 관찰했습니다. 냉형되는 동안 떠 있는 공의 그림자가 줄어드는 것을 관찰함으로써, 그들은 부피를 계산할 수 있었고, 샘플의 무게를 알고 있었기에 밀도를 구할 수 있었습니다.

연구 결과는 다음과 같았습니다.
첫째, 온도가 올라갈수록 밀도는 낮아졌습니다. 이는 뜨거운 공기를 불어넣었을 때 풍선이 팽창하는 것과 같습니다. 같은 양의 물질이 더 많은 공간을 차지하게 되므로 밀도는 낮아집니다. 이 현상은 세 가지 혼합물 모두에서 직선 형태로 나타났습니다.
둘째, 특정 온도에서 산화철 함량이 높을수록 더 밀도가 높았습니다. 80% 철 혼합물이 가장 무거웠고, 20% 철 혼합물이 가장 가벼웠습니다.
셋째, 그들은 "몰 부피(molar volume)"라고 불리는 것을 살펴보았습니다. 이는 기본적으로 하나의 "몰(mole)"의 혼합물이 차지하는 공간을 의미합니다. 그들은 철을 더 많이 첨가할수록(20% 혼합물에서 60% 혼합물로 갈 때), 혼합물이 차지하는 공간이 실제로 작아진다는 것을 발견했습니다. 하지만 철을 훨씬 더 많이 넣었을 때(60%에서 80%로 갈 때)는 공간이 거의 변하지 않았습니다. 이는 마치 스펀지를 짜는 것과 같았습니다. 첫 번째 꽉 짰을 때는 압축되지만, 두 번째 짤 때는 거의 아무런 변화가 없는 것과 같습니다.

과학자들은 우주에서 측정된 데이터를 기존의 지구 데이터 및 "가산 참조(additive reference)"라는 단순한 수학 모델과 비교했습니다. 이 모델은 두 가지를 섞으면 전체 부피가 단순히 각 부분의 합이 된다고 가정하는데, 마치 레고 블록을 쌓는 것과 같습니다. 결과는 실제 용융 암석이 이 단순한 레고 블록 아이디어와 대체로 일치함을 보여주었으나, 철 함량이 가장 높을 때는 실제 용융물이 레고 모델이 예측한 것보다 아주 약간 더 많은 공간을 차지했습니다.

얼마나 확실할까요? 논문에 따르면 측정값의 최대 상대 확장 불확실성(maximum relative expanded uncertainty)은 3.46%였습니다. 이는 만약 우리가 얻은 수치를 가져간다면, 실제 값이 그 수치의 약 3.5% 이내에 있을 가능성이 높다는 것을 의미합니다. 이 미세한 불확실성의 가장 큰 원인은 떠 있는 공 자체가 아니라, 카메라를 보정하는 데 사용된 기준 구체의 측정값이었습니다. 부피 계산은 기준 구체의 지름을 세 번 곱한 값(세제곱)에 의존하기 때문에, 기준 구체의 크기를 측정할 때 발생하는 아주 작은 흔들림조차도 크게 증폭됩니다.

그렇다면 그들은 무엇을 배제했을까요? 그들은 용기가 측정을 방해한다는 생각을 배제한 것이 아니라, 오히려 용기 없는 방식이 이러한 고온에서 필수적임을 확인했습니다. 또한 부피가 철 함량에 따라 급격하게 변한다는 사실을 발견한 것이 아니라, 처음에는 급격히 떨어지다가 이후 평탄해진다는 것을 발견했습니다. 그들은 이것이 모든 금속 공학에 대한 완벽하게 해결된 문제라고 주장한 것이 아니라, 지구 기반의 도구들이 어려움을 겪는 온도 영역에 대한 견고한 참조 데이터를 제공했다는 점을 분명히 했습니다.

요약하자면, 떠 있는 용융 암석을 이용해 연구팀은 이 특정 금속-슬래그 혼합물이 뜨겁고 무거울 때 어떻게 행동하는지에 대한 더 명확한 그림을 제시했습니다. 철이 많을수록 일반적으로 밀도가 높아지지만, 철 함량에 따라 부피가 줄어드는 방식은 직선이 아니라 평탄해지는 곡선이라는 점을 확인했습니다. 이 데이터는 이제 엔지니어와 과학자들이 용기(crucible)의 간섭 없이 측정된 수치를 사용하여, 고온 공정에서 금속이 어떻게 흐르고 분리되는지를 모델링하는 데 도움이 될 준비가 되었습니다.