요즘 들어 달에 대한 관심이 다시 뜨거워지고 있습니다. 우리나라에서도 달 탐사선 다누리호를 발사했고, 미국 나사에서는 유인 달 탐사 계획 아르테미스 계획을 준비하고 있습니다. 그런데 이 달에 막대한 에너지원이 있습니다. 바로 헬륨-3입니다. 이번 기사에서는 헬륨-3에 대해 알아보겠습니다. 

(이미지 출처 : 네이버 지식백과)

달은 지구의 하나뿐인 위성으로, 인류가 가본 유일한 천체(지구 제외)입니다. 지구 중심에서 달 중심까지의 거리는 약384399Km떨어진 천체입니다. 

헬륨-3는 헬륨의 동위원소입니다. 헬륨은 2개의 중성자와 2개의 양성자를 가지고 있으며, 비활성기체로 수소와 더불어 유일한 1주기 원소입니다. 또한 헬륨의 녹는점과 끓는점은 모든 원소들 중에서 가장 낮다는 특징이 있습니다. 헬륨은 중성자와 양성자가 각각 2개씩 있기 때문에 우리가 알고 있는 헬륨은 헬륨-4입니다. 헬륨-3는 양성자가 2개, 중성자가 1개인 헬륨의 동위원소입니다. 헬륨의 동위원소로는 헬륨-2, 헬륨-3, 헬륨-4(오리지널 헬륨), 헬륨-5, 헬륨-6, 헬륨-7, 헬륨-8, 헬륨-9, 헬륨-10이 있는데, 이중 헬륨-3와 헬륨-4만 안정적인 상태이고, 방사성 붕괴를 하는 나머지 헬륨 동위원소들은 매우 짧은 반감기를 가지고 있습니다. (예를 들어 헬륨-6의 반감기는 0.8초입니다. 그리고 헬륨-6이 방사성 헬륨 동위원소 중 가장 긴 반감기를 갖습니다. )반감기는 방사성 원소가 반으로 줄어드는 데 걸리는 시간을 말합니다. 헬륨은 양성자가 2개이기 때문에 원자량(헬륨-9처럼 뒤에 붙어 있는 숫자가 원자량)에서 2를 빼면 중성자의 수가 나옵니다.

원자의 중성자 수 구하는 공식 : (원자량)-(원자 번호)=(원자핵 속 중성자의 개수)

(이미지 출처 : 위키백과)

위 사진은 헬륨-3의 원자 구조입니다. 사진 속 기호가 없는 보라색 동그라미가 중성자입니다. 

헬륨-3는 지구에서 그 양이 극히 적습니다. 헬륨-3은 지구의 대기 중 헬륨-4의 100만 분의 1밖에 존재하지 않습니다. 그런데 달 표면에 지구보다 훨씬 많은 양의 헬륨-3가 존재한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 때문에 달 표면의 암석에서 헬륨-3를 채굴하려는 시도하는 연구도 이루어지고 있습니다. 달 말고 태양에도 헬륨-3가 존재하는데, 태양의 헬륨-3는 빅뱅으로 쌓였지만, 지구 대기에는 지구가 만들어질 때 있었던 헬륨-3가 대부분 우주 공간으로 흩어졌습니다. 달 표면에서는 태양풍이 불기 때문에 헬륨-3가 있습니다. 달에 헬륨-3가 약 1백만t 가량 침전되어 있다고 추정되고 있습니다. 

그렇다면 사람들은 왜 헬륨-3를 원하는 걸까요?

그 이유는 헬륨-3가 훌륭한 에너지원이기 때문입니다. 1g의 헬륨-3는 석탄 약 40t이 생산해내는 에너지를 만들 수 있습니다. 헬륨-3를 바닷물에 풍부한중수소와 핵융합을 하면 막대한 양의 에너지가 발생하기 때문에 달의 자원 중 가장 인류의 주목을 받고 있습니다. 원래 핵융합의 원료로는 중수소(수소-2, D)와 삼중수소(수소-3, T)가 있는데 삼중수소가 자연엔 거의 없고, 방사성 동위원소라는 단점이 있습니다. 그런데 달에서 헬륨-3를 가져와서 삼중수소 대신 중수소와 핵융합 반응을 일으키면 방사성 물질을 쓰지 않고 에너지를 얻을 수 있지만 '중수소+삼중수소'핵융합 반응보다 '중수소+헬륨-3'의 핵융합 반응이 더 어려운 조건을 필요하고 있습니다. 그래서 현재의 기술력으로는 '중수소+삼중수소'핵융합 반응이 더 효율적이라고 전문가들은 말하고 있습니다. 

하루 빨리 기술력이 발전되어 '중수소+헬륨-3'핵융합 반응이 실용화되었으면 좋겠습니다.

이상 임태균 기자였습니다.