[고든 정의 TECH+] NASA, 화성 로켓엔진도 3D프린터로 출력한다

거품 논란도 있기는 하지만, 3D 프린터 기술은 21세기 새로운 연금술로 불리고 있습니다. 현재는 응용범위가 다소 제한적이지만, 점차 산업 전반에 파급효과가 커지고 있는 것도 사실입니다. 많은 기업이 3D 프린터의 가능성을 시험하고 있는데, 미 항공우주국(NASA) 역시 그 가능성을 시험하고 있습니다.

NASA는 이미 국제 유인 우주 정거장(ISS)에서 최초의 우주 3D 프린터를 테스트했으며 심지어 우주에서 음식을 출력하는 3D 프린터 연구에 자금을 지원하기도 했습니다. 아예 우주 기지를 3D 프린터로 제작하는 야심찬 계획도 있습니다. 아직은 그렇게 널리 사용될 것 같지 않은데, 이렇게 큰 관심을 보이는 이유는 뭘까요?

그것은 3D 프린터가 보여줄 가능성 때문입니다, NASA는 이미 금속 3D 프린터 부분에 막대한 투자를 했으며, 이제 실제 로켓 엔진을 3D 프린터로 출력하는 단계에 거의 도달했습니다.

- 로켓 엔진을 3D 프린터로?

일단 이 제목만 보면 ‘왜 그래야 하는가?’라는 의구심부터 들 수밖에 없습니다. 금속을 3D 프린터로 출력해서 부품을 만드는 모습은 놀랍기는 하지만, 과연 현재 상태에서 무슨 이득이 있느냐는 의문을 품을 만하기 때문입니다.

NASA의 엔지니어들은 이 질문에 대한 명확한 답을 알고 있습니다. 비용과 제조 시간을 크게 단축하고 신뢰성도 높일 수 있다는 것입니다.

현재 사용되는 대형 로켓 엔진은 매우 크고 복잡합니다. 그러다 보니 일회용으로 쓰고 버리는 엔진이라도 그 제작 과정은 1년이나 걸렸습니다. 생산 수량이 적다 보니 생산 과정을 자동화시키는 거대한 공장을 세우는 것은 도저히 수지 타산이 맞지 않는 것이죠. 물론 구조가 복잡해 기존의 방식으로는 대량 생산도 어렵습니다.

그런데 복잡한 엔진 부품을 한 번에 출력할 수 있다면 어떨까요? 3D 프린터 몇 대로 그 일을 할 수 있다면 거대한 공장도 필요없고 온종일 일을 할 테니 시간도 크게 단축될 것입니다. 과정을 자동화해서 인건비를 크게 절감하는 것은 말할 필요도 없습니다.

- 레이저를 이용해서 엔진 부품을 만들다

금속 소재를 3D 프린터로 출력하는 일은 쉽지 않습니다. 금속은 대개 매우 높은 온도에서 녹기 때문이죠. 주로 사용하는 방법은 금속을 조금씩 녹여서 붙이는 것인데, 이 과정이 말처럼 쉽지는 않습니다. 하지만 NASA의 엔지니어들은 상당히 신뢰성 높은 금속 3D 프린터 기술을 개발했습니다.

올해 상반기 NASA의 마셜 우주 비행 센터의 소재 및 가공 연구소의 과학자들은 선택적 레이저 융해(selective laser melting) 방식을 이용해 만든 풀 스케일 로켓 부품을 공개했습니다. 쉽게 말하면 미세한 구리합금을 레이저로 녹여서 붙이는 방식으로 만든 것입니다.

위에 보이는 제품(사진 아래)은 로켓 연소실 라이너로 섭씨 수천 도의 고온을 견뎌야 합니다. 하지만 현재 있는 금속 합금 중 이런 고온에서 안정적인 것은 없습니다. 그래서 부품 벽 내부에 200개에 달하는 미세한 관을 만들고 여기로 영하 173도의 액체 수소를 흘려보내 온도를 식히는 방식을 사용합니다. 당연히 기존의 방식으로는 제작이 어려워 비용과 시간이 오래 걸렸지만, 이제는 한 번에 출력할 수 있습니다.

그런데 이렇게 만든 부품이 실제 초고온/고압 환경에서도 잘 버틸까요? 아무래도 기존의 제작 방식보다 못 미더운 것이 사실입니다. 그래서 NASA의 과학자들은 몇 년째 연소 테스트를 진행 중입니다.

- 실용화를 목전에 둔 3D 프린팅 로켓 엔진

최근 NASA에서 공개한 테스트에서 3D 프린팅 로켓 엔진은 2만 파운드의 추력과 섭씨 3,000도가 넘는 고온 환경에서 성공적으로 작동했습니다. 예를 들어 연료를 공급하는 터보 펌프(turbopump)의 경우 9만 rpm이라는 엄청난 회전속도를 견뎌냈고, 액체 산소와 수소를 주입하는 인젝터는 영하 240도의 극저온에서도 정상적으로 작동했습니다. 이 부품들은 모두 3D 프린터로 출력한 것입니다.

브레드보드(Breadboard)라고 명명된 테스트 엔진은 앞으로도 여러 차례 테스트를 거칠 것입니다. 실제 로켓이나 우주선에 탑재하기 전에 신뢰성을 충분히 확보해야 하기 때문이죠. 이 엔진은 부품의 75%를 3D 프린터로 출력한 것입니다.



참고로 NASA에 의하면 이 엔진의 출력은 대형 로켓의 1단으로는 부족하지만, 화성 착륙선이나 2단 이상의 로켓 엔진으로는 지금도 사용이 가능한 수준입니다. 앞으로 화성의 대기에서 직접 메탄가스와 산소를 추출해서 연료를 만드는 실험에 대비해 이 엔진은 액체 수소 이외에 메탄가스 연소도 가능합니다.

과거의 제조 방식으로는 1년 정도 걸렸을 엔진 제작은 3D 프린터로 복잡한 부품을 출력하면서 몇 개월로 기간이 짧아졌습니다. 들어가는 부품 수도 줄었습니다. 터보 펌프의 경우 부품 수를 45%나 줄였다고 합니다. 덕분에 조립이 쉬워지는 것은 물론 제품의 신뢰성도 높아졌습니다.

- 금속 3D 프린터의 미래

3D 프린터로 엔진 부품을 만들게 되면 문제가 되는 부분을 간단하게 수정해서 출력할 수도 있고 다양한 크기와 모양의 부품도 한 프린터에서 출력할 수 있습니다. 이는 로켓 제조 부분에서 혁명이 될지도 모릅니다.

하지만 혁신이 로켓에서만 있을 필요는 없습니다. 이렇게 신뢰성 높은 엔진을 제조할 수 있다면 3D 프린터는 다른 분야에서 필요한 다양한 금속 부품을 제작할 수 있기 때문입니다. 물론 모든 부품을 3D 프린터로 제작할 이유는 없겠지만, 복잡한 내부 구조를 가지고 소량 생산을 해야 하는 분야라면 3D 프린터가 혁신을 불러올 수 있습니다.

물론 아직은 시작 단계라 미래를 너무 장밋빛으로 생각하는 것은 금물입니다. 그러나 금속 소재를 출력할 수 있게 되면서 3D 프린터의 활용 범위가 더 커지고 있다는 점은 부인할 수 없는 사실입니다.

고든 정 통신원 jjy0501@naver.com