Mechanism of Mold-Induced Degradation of Silicone Rubber Under Microgravity in Space Environment

폐쇄된 기후 조절 시스템을 갖춘 우주 정거장의 캐빈 내부에서는 인간의 기술과 필연적으로 함께 이동하는 미생물 사이의 조용한 전투가 벌어지고 있다. 유연성과 극한의 온도를 견디는 능력 덕분에 높이 평가받는 재료인 실리콘 고무는 공기를 안에 가두고 우주의 진공 상태를 차단하는 핵심적인 밀봉재 역할을 한다. 이는 생명 유지 장치와 전기 부품을 결합하는 숨은 영웅이다. 그러나 이 재료는 우주비행사와 장비에 몰래 올라탄 아주 작은 곰팡이로부터 자유롭지 못하다. 우주선의 따뜻하고 습하며 영양분이 풍부한 환경에서, 이 곰팡이들은 제조 과정에서 남겨진 유기 첨가물을 먹이 삼아 고무 표면에 자리를 잡을 수 있다. 엔지니어들의 오랜 의문은 우주의 독특한 조건, 구체적으로 중력의 부재가 이러한 유기체가 숙주를 공격하는 방식을 변화시킬 것인가 하는 점이었다. 떠다니는 무중력 환경이 고무를 더 취약하게 만들 것인가, 아니면 곰팡이의 성장 능력을 방해함으로써 어떻게든 재료를 보호할 것인가 하는 문제였다.

이를 밝히기 위해 중국 우주 프로그램과 대학의 연구진은 실리콘 고로 샘플을 셔전저우(Shenzhou) 우주선을 통해 궤도로 보내는 동시에, 동일한 샘플을 지상에 보관하여 직접적인 비교 실험을 수행했다. 연구진은 토양과 부패하는 식물에서 흔히 발견되는 곰팡이인 아스페르길루스 브라실리엔시스(Aspergillus brasiliensis)를 두 세트의 샘플 모두에 접종했다. 우주 샘플은 중국 우주 정거장의 실제 미세 중력 상태에서 90일 동안 머물렀으며, 지상 샘플은 정거장의 온도와 습도를 모방한 통제된 실험실 환경에서 성장했다. 연구진은 우주 샘플을 지구로 가져와 지상의 쌍둥이 샘플과 함께 분석함으로써, 중력의 부재가 곰팡이의 행동과 그에 따른 고무 손상에 어떻게 영향을 미쳤는지 정확히 관찰할 수 있었다.

결과는 두 환경에서 곰팡이가 보이는 행동 방식에 놀라운 차이가 있음을 드러냈다. 지구에서 곰팡이는 번성했다. 곰팡이의 작은 번식 단위인 포자는 고무 표면에 무겁게 내려앉아 조밀한 군집을 형성했다. 이들이 성장하면서, 연구진은 특히 부티르산(butyric acid)이라 불리는 특정 유형의 유기산을 포함한 상당한 양의 유기산을 분비했다. 이 산들은 화학적 용매처럼 작용하여 고무 내부로 침투하고 내부 구조를 파괴했다. 연구진은 지상 기반의 곰팡이가 생성한 총 산의 양이 우주에서의 곰팡이가 생성한 양보다 10배나 더 높다는 것을 발견했다. 이러한 화학적 공격은 눈에 보이는 손상으로 이어졌다. 고무 표면은 거칠고, 구멍이 뚫리고, 조각나며 매끄러운 마감을 잃었으며, 결정적으로 전류의 흐름에 저항하는 능력을 상실했다. 재료의 절연 특성은 약 600 kΩ·cm에서 약 330 kΩ·cm로 감소했는데, 이는 내부 분자 사슬이 심각하게 손상되었음을 나타내는 신호였다.

반면, 우주에서의 곰팡이는 발판을 마련하는 데 어려움을 겪었다. 포자를 아래로 끌어당겨 표면에 안착시켜 줄 중력이 없었기에, 포자를 포함한 액체는 주로 표면 장력에 의해 다르게 움직였다. 이로 인해 포자는 고무 전체에 고르게 퍼지는 대신 액체 방울의 가장자리에만 모이게 되었다. 결과적으로 우주의 곰야는 드문드문 존재하며 대체로 비활성 상태를 유지했다. 이들은 파괴적인 유기산을 거의 생성하지 않았으며, 고무 표면은 대체로 온전한 상태를 유지했다. 액체가 마른 곳에 약간의 균열은 있었으나, 재료는 지구에서 관찰된 광범위한 침식 현상을 겪지 않았다. 연구진은 강력한 현미경으로 고무를 조사하고 빛을 이용해 화학적 변화를 감지함으로써 이를 확인했다. 우주 샘플은 곰팡이 부패의 특징인 분자적 붕괴 징후가 훨씬 적게 나타났다.

연구는 미세 중력 환경이 퇴화 과정을 유의미하게 변화시켜, 지구 조건에 비해 재료 손상을 줄인다는 결론을 내렸다. 중력의 부재는 곰팡이가 지상에서처럼 파괴적인 산을 생성하는 조밀한 군집을 형성하는 것을 방지한다. 균일한 부패 층 대신, 우주 환경은 재료의 퇴화를 낮게 만드는 단편적이고 약한 군집 형성을 초래한다. 이 발견은 장기 우주 비행의 미래에 있어 매우 중요한데, 이는 실리콘 고무 씰이 지구보다 궤도 상에서 생물학적 마모를 덜 경험할 수 있음을 시사하기 때문이다. 이는 엔지니어들에게 재료가 우주에서 어떻게 노화되는지에 대한 더 명확한 그림을 제공하여, 더 나은 보호 전략을 설계하고 우주비행사를 안전하게 지켜주는 핵심적인 씰이 수년간 신뢰성을 유지할 수 있도록 보장해 준다.