20세기 이후 인류는 우주 탐사와 지구 너머의 세계에 대한 탐구에 매료되어 왔습니다. NASA와 ESA 같은 주요 기관들이 우주 탐사의 최전선에 서 있는 가운데, 3D 프린팅 기술 또한 이러한 우주 정복에 중요한 역할을 하고 있습니다. 복잡한 부품을 저렴한 비용으로 신속하게 생산할 수 있는 이 설계 기술은 기업들 사이에서 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 3D 프린팅은 인공위성, 우주복, 로켓 부품 등 다양한 응용 분야의 제작을 가능하게 합니다. 실제로 SmarTech에 따르면 민간 우주 산업 분야의 적층 제조 시장 규모는 2026년까지 21억 유로에 이를 것으로 예상됩니다. 그렇다면 3D 프린팅은 인류의 우주 탐사에 어떻게 기여할 수 있을까요?
초기에 3D 프린팅은 주로 의료, 자동차, 항공우주 산업에서 신속한 프로토타입 제작에 사용되었습니다. 그러나 기술이 더욱 보편화됨에 따라 최종 제품 부품 생산에도 점차 활용되고 있습니다. 특히 L-PBF(액상 플라즈마 바인더 소결)와 같은 금속 적층 제조 기술은 극한의 우주 환경에 적합한 특성과 내구성을 지닌 다양한 금속을 생산할 수 있게 해 주었습니다. DED(분산 에너지 증착), 바인더 제팅, 압출 공정 등 다른 3D 프린팅 기술 또한 항공우주 부품 제조에 사용되고 있습니다. 최근에는 Made in Space, Relativity Space와 같은 기업들이 3D 프린팅 기술을 활용하여 항공우주 부품을 설계하는 새로운 비즈니스 모델이 등장하고 있습니다.
렐러티비티 스페이스, 항공우주 산업용 3D 프린터 개발 중
항공우주 분야의 3D 프린팅 기술
이제 간략히 소개했으니, 항공우주 산업에서 사용되는 다양한 3D 프린팅 기술을 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 우선, 금속 적층 제조, 특히 L-PBF(레이저 적층 제조) 방식이 이 분야에서 가장 널리 사용된다는 점을 알아두어야 합니다. 이 공정은 레이저 에너지를 이용하여 금속 분말을 층층이 융합하는 방식으로, 작고 복잡하며 정밀하고 맞춤 제작된 부품을 생산하는 데 특히 적합합니다. 항공우주 제조업체는 금속 와이어나 분말을 적층하는 DED(분산 증착) 방식도 활용할 수 있는데, 이 방식은 주로 금속이나 세라믹 부품의 수리, 코팅 또는 맞춤형 부품 제작에 사용됩니다.
반면, 바인더 제팅은 생산 속도와 저비용 측면에서 유리하지만, 최종 제품의 제조 시간을 늘리는 후처리 강화 공정이 필요하기 때문에 고성능 기계 부품 생산에는 적합하지 않습니다. 압출 기술 또한 우주 환경에서 효과적입니다. 모든 고분자가 우주 환경에 적합한 것은 아니지만, PEEK와 같은 고성능 플라스틱은 강도 덕분에 일부 금속 부품을 대체할 수 있습니다. 그러나 이러한 3D 프린팅 공정은 아직 널리 보급되지는 않았지만, 새로운 소재를 활용함으로써 우주 탐사에 중요한 자산이 될 수 있습니다.
레이저 분말 베드 융합(L-PBF)은 항공우주 분야의 3D 프린팅에 널리 사용되는 기술입니다.
우주 소재의 잠재력
항공우주 산업은 3D 프린팅을 통해 새로운 소재를 탐구하며 시장에 혁신적인 변화를 가져올 수 있는 대안을 제시해 왔습니다. 티타늄, 알루미늄, 니켈-크롬 합금과 같은 금속이 항상 주요 소재였지만, 머지않아 주목받을 새로운 소재가 등장할 전망입니다. 바로 달 표토입니다. 달 표토는 달 표면을 덮고 있는 먼지층으로, 유럽우주국(ESA)은 이를 3D 프린팅과 결합했을 때 얻을 수 있는 이점을 입증했습니다. ESA의 수석 제조 엔지니어인 아드베닛 마카야는 달 표토가 콘크리트와 유사하며, 주로 실리콘과 철, 마그네슘, 알루미늄, 산소 등의 화학 원소로 구성되어 있다고 설명합니다. ESA는 리토즈(Lithoz)와 협력하여 실제 달 먼지와 유사한 특성을 가진 모의 달 표토를 사용하여 나사나 기어와 같은 소형 기능 부품을 생산하고 있습니다.
달 표토를 제조하는 대부분의 공정은 열을 이용하기 때문에 SLS(선택적 레이저 소결) 및 분말 결합 프린팅 솔루션과 같은 기술과 호환됩니다. 유럽우주국(ESA)은 또한 염화마그네슘을 다른 재료와 혼합하고 모의 시료에서 발견되는 산화마그네슘과 결합하여 고체 부품을 생산하는 것을 목표로 D-Shape 기술을 사용하고 있습니다. 이 달 재료의 중요한 장점 중 하나는 매우 정밀한 프린팅 해상도를 제공하여 최고 수준의 정밀도를 가진 부품을 제작할 수 있다는 것입니다. 이러한 특징은 응용 분야를 확장하고 미래 달 기지용 부품을 제조하는 데 있어 핵심적인 이점이 될 수 있습니다.
달 표토는 도처에 있습니다.
화성에는 지하 물질인 화성 표토도 있습니다. 현재 국제 우주 기관들은 이 물질을 채취할 수는 없지만, 과학자들은 특정 항공우주 프로젝트에서 이 물질의 잠재력을 연구하는 데 박차를 가하고 있습니다. 연구원들은 이 물질의 모의 시료를 사용하여 티타늄 합금과 결합시켜 도구나 로켓 부품을 제작하고 있습니다. 초기 연구 결과에 따르면 이 물질은 강도를 높이고 장비를 녹과 방사선 손상으로부터 보호하는 데 효과적일 수 있습니다. 두 물질은 유사한 특성을 가지고 있지만, 달 표토가 여전히 가장 많이 연구된 물질입니다. 또 다른 장점은 지구에서 원자재를 운송할 필요 없이 현지에서 생산할 수 있다는 것입니다. 게다가 표토는 고갈되지 않는 자원이므로 자원 부족 문제를 예방하는 데 도움이 됩니다.
항공우주 산업에서 3D 프린팅 기술의 응용
항공우주 산업에서 3D 프린팅 기술의 응용 분야는 사용되는 특정 공정에 따라 다양합니다. 예를 들어, 레이저 분말 베드 융합(L-PBF) 방식은 공구 시스템이나 우주 예비 부품과 같은 복잡한 단기 부품을 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 캘리포니아에 위치한 스타트업 Launcher는 Velo3D의 사파이어 금속 3D 프린팅 기술을 사용하여 E-2 액체 로켓 엔진을 개선했습니다. 이 기술은 액체 산소(LOX)를 연소실로 가속 및 공급하는 데 중요한 역할을 하는 유도 터빈을 제작하는 데 사용되었습니다. 터빈과 센서는 각각 3D 프린팅 기술로 출력된 후 조립되었습니다. 이 혁신적인 부품은 로켓에 더 큰 유체 흐름과 추력을 제공하여 엔진의 필수적인 부분이 되었습니다.
Velo3D는 E-2 액체 로켓 엔진 제조에 PBF 기술을 활용하는 데 기여했습니다.
적층 제조는 소형 구조물부터 대형 구조물까지 다양한 구조물 생산에 폭넓게 응용될 수 있습니다. 예를 들어, 렐러티비티 스페이스(Relativity Space)의 스타게이트(Stargate) 솔루션과 같은 3D 프린팅 기술은 로켓 연료 탱크나 프로펠러 날개와 같은 대형 부품을 제작하는 데 사용될 수 있습니다. 렐러티비티 스페이스는 수 미터 길이의 연료 탱크를 포함하여 거의 모든 부품이 3D 프린팅으로 제작된 테란 1(Terran 1) 로켓을 성공적으로 생산함으로써 이를 입증했습니다. 2023년 3월 23일 첫 발사에서 적층 제조 공정의 효율성과 신뢰성이 확인되었습니다.
압출 방식 3D 프린팅 기술은 PEEK와 같은 고성능 소재를 사용하여 부품을 생산할 수 있도록 해줍니다. 이 열가소성 수지로 만든 부품은 이미 우주에서 테스트를 거쳤으며, UAE의 달 탐사 임무의 일환으로 라시드 로버에 탑재되었습니다. 이 테스트의 목적은 극한의 달 환경에서 PEEK의 내구성을 평가하는 것이었습니다. 만약 성공적으로 검증된다면, 금속 부품이 파손되거나 재료가 부족한 상황에서 PEEK가 금속 부품을 대체할 수 있을 것입니다. 또한, PEEK의 경량성은 우주 탐사에 있어 중요한 이점이 될 수 있습니다.
3D 프린팅 기술은 항공우주 산업에서 다양한 부품을 제조하는 데 사용될 수 있습니다.
항공우주 산업에서 3D 프린팅의 장점
항공우주 산업에서 3D 프린팅의 장점 중 하나는 기존 제작 방식에 비해 부품의 최종 외관이 향상된다는 점입니다. 오스트리아 3D 프린터 제조업체 리토즈(Lithoz)의 CEO 요하네스 호마는 "이 기술 덕분에 부품이 더 가벼워진다"고 말했습니다. 3D 프린팅 제품은 설계의 자유로움 덕분에 효율성이 높고 자원 소모가 적어 부품 생산이 환경에 미치는 영향도 적습니다. 렐러티비티 스페이스(Relativity Space)는 적층 제조 방식이 우주선 제작에 필요한 부품 수를 크게 줄일 수 있음을 입증했습니다. 테란 1 로켓의 경우, 100개의 부품을 절감할 수 있었습니다. 또한, 이 기술은 생산 속도 면에서도 상당한 이점을 제공하여 로켓을 60일 이내에 완성할 수 있습니다. 반면, 기존 방식으로 로켓을 제작하려면 수년이 걸릴 수 있습니다.
자원 관리 측면에서 3D 프린팅은 재료를 절약할 수 있을 뿐 아니라, 경우에 따라 폐기물 재활용까지 가능하게 합니다. 나아가 적층 제조 기술은 로켓의 발사 중량을 줄이는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 목표는 레골리스와 같은 현지 재료를 최대한 활용하고, 우주선 내 재료 운송량을 최소화하는 것입니다. 이를 통해 3D 프린터 하나만 탑재하고, 발사 후 현장에서 모든 부품을 제작하는 것이 가능해집니다.
Made in Space는 이미 자사의 3D 프린터 중 하나를 테스트를 위해 우주로 보냈습니다.
우주 공간에서의 3D 프린팅의 한계
3D 프린팅은 많은 장점을 가지고 있지만, 아직 비교적 새로운 기술이며 한계점도 존재합니다. 아드베닛 마카야는 "항공우주 산업에서 적층 제조의 주요 문제점 중 하나는 공정 제어 및 검증"이라고 지적했습니다. 제조업체는 검증 전에 실험실에서 각 부품의 강도, 신뢰성, 미세구조를 테스트할 수 있는데, 이를 비파괴 검사(NDT)라고 합니다. 그러나 이 과정은 시간과 비용이 많이 소요되므로 궁극적인 목표는 이러한 테스트의 필요성을 줄이는 것입니다. NASA는 최근 적층 제조 방식으로 제작된 금속 부품의 신속한 인증에 초점을 맞춘 센터를 설립하여 이 문제를 해결하고자 합니다. 이 센터는 디지털 트윈을 활용하여 제품의 컴퓨터 모델을 개선하고, 엔지니어들이 부품의 성능과 한계, 특히 파손 전 견딜 수 있는 압력 등을 더 잘 이해할 수 있도록 지원하는 것을 목표로 합니다. 이를 통해 센터는 항공우주 산업에서 3D 프린팅 기술의 적용을 촉진하고, 기존 제조 방식과의 경쟁력을 강화하고자 합니다.
이러한 부품들은 포괄적인 신뢰성 및 강도 테스트를 거쳤습니다.
반면, 우주에서 제조가 이루어질 경우 검증 과정은 다릅니다. 유럽우주국(ESA)의 아드베닛 마카야는 "프린팅 중에 부품을 분석하는 기술이 있습니다."라고 설명합니다. 이 방법을 통해 어떤 출력물이 적합하고 어떤 출력물이 부적합한지 판단할 수 있습니다. 또한, 우주용 3D 프린터를 위한 자체 수정 시스템이 개발되어 금속 프린터에서 테스트 중입니다. 이 시스템은 제조 과정에서 발생할 수 있는 오류를 식별하고 자동으로 매개변수를 수정하여 부품의 결함을 교정할 수 있습니다. 이 두 시스템은 우주에서 사용되는 출력물의 신뢰성을 향상시킬 것으로 기대됩니다.
NASA와 ESA는 3D 프린팅 솔루션의 신뢰성을 검증하기 위해 표준을 수립했습니다. 이 표준에는 부품의 신뢰성을 판단하기 위한 일련의 테스트가 포함됩니다. 이들은 분말 베드 융합 기술을 고려하여 표준을 마련했으며, 다른 공정에 맞춰 지속적으로 업데이트하고 있습니다. 한편, 아르케마, BASF, 듀폰, 사빅 등 소재 산업의 주요 기업들도 이러한 추적성을 제공하고 있습니다.
우주에서 살고 있나요?
3D 프린팅 기술의 발전으로 지구에서는 이 기술을 활용해 집을 짓는 성공적인 프로젝트들을 많이 볼 수 있었습니다. 이는 머지않아 이 기술이 우주에 거주 가능한 구조물을 건설하는 데 사용될 수 있을지 궁금증을 자아냅니다. 현재로서는 우주에서 사는 것은 비현실적이지만, 특히 달에 집을 짓는 것은 우주 임무 수행 중인 우주비행사들에게 큰 도움이 될 수 있습니다. 유럽우주국(ESA)은 달 표면의 토양(월석)을 이용해 돔을 건설하는 것을 목표로 하고 있습니다. 월석은 벽이나 벽돌을 만들어 우주비행사를 방사선으로부터 보호하는 데 사용할 수 있습니다. ESA의 아드베닛 마카야에 따르면, 달 표면 토양은 약 60%의 금속과 40%의 산소로 구성되어 있으며, 추출된 산소는 우주비행사의 생존에 필수적인 자원입니다.
NASA는 ICON에 달 표면 구조물 건설용 3D 프린팅 시스템 개발을 위해 5,720만 달러의 보조금을 지급했으며, 화성 듄 알파 거주지 건설에도 협력하고 있습니다. 이 프로젝트의 목표는 자원 봉사자들이 1년 동안 화성의 생활 환경을 모방한 거주지에서 생활하며 화성 거주 조건을 시험하는 것입니다. 이러한 노력은 달과 화성에 3D 프린팅 구조물을 직접 건설하는 데 있어 중요한 진전이며, 궁극적으로 인류의 우주 식민지화를 위한 길을 열어줄 수 있을 것입니다.
먼 미래에는 이러한 주택이 우주에서 생명체가 생존할 수 있도록 해줄지도 모릅니다.
게시 시간: 2023년 6월 14일
