#10 🐰 NASA가 적층제조에 집중하는 이유

2023. 12. 4.

#10 🐰 NASA가 적층제조에 집중하는 이유

2023 / 12 / 04 월요일

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Data 1. 전문가들이 말하는 우주 경제 시대에서 AM 기술의 핵심역할과 미래 잠재력을 살펴보고,

Data 2. AM 기술을 활용해 제작된 우주 항공 하드웨어들을 알아봤어요.

Data 3. 우주기술 프로젝트 진행을 위한 각 나라의 노력과 하드웨어 개발 외에 새롭게 개발되고 있는 기술에 대해 살펴봤어요.

✅우주 경제가 뭐 였더라?

안녕하세요 구독자 여러분, 여러분은 지난여름 저 층층이와 함께 알아봤던 우주 경제 시대에 대해 기억하나요? 기억이 안 나면 여기! 에서 다시 한번 살펴봐주세요.

최근 몇 년 동안 전 세계는 우주 탐사 영역을 확대하는 데 힘을 쏟고 있어요. 인류를 달에 보내기 위해 추진 중인 NASA의 Artemis Accords(아르테미스 협정)도 그 일환이고요. AM(적층 제조)기술은 우주항공 분야에 혁신을 가져다준 기술 중 하나에요. 많은 전문가들은 AM 기술의 성장 가능성과 잠재력에 대해 이야기하고, AM 기술의 역할을 강화하기 위한 방법을 연구하고 있어요.

✅우주경제 진짜 실현되나요?

Ingersoll Machine Tools의 CEO인 Jeff Ahrstrom은 지난 4월 MFG Meeting 2023 행사에서 우주 경제의 실현의 가능성과 방법론에 대해 연설했어요. 그 내용을 간단히 살펴보면,

2020년에 4,240억달러였던 상업 우주활동의 규모가 2021년에는 4,290억달러를 창출했으며 이는 2010년에 비해 70%나 성장한 규모라고 해요. 전문가들은 2040년까지 총매출이 1조 달러를 달성할 수 있을 것인지에 대해 주목하고 있어요.
킬로그램당 평균 22,000달러가 들어가는 발사 비용을 일론 머스크는 2,720달러까지 떨어트렸는데요, 우주 경제에서의 핵심은 킬로그램당 주문비용 감소라고 해요. 그럼 AM 기술이 우주항공 분야에서 주목받고 있는 이유 중 하나도 비용 감소에요.
현재 미국에는 우주 제조와 관련된 수천 개의 회사가 있고, 우주 경제시대에는 우리가 알고 있는 제조업을 사용하지 않을거예요. 전문가들은 인공지능을 활용한 제조 프로세스의 단순화와 친환경적인 제조 방법의 개발이 지속적으로 이루어질 거라고 예상하고 있어요.

🐰층층이: 층층이도 언젠간 달나라에 살 수 있는 날이 오겠죠?

🌕기술

NASA는 AM 기술을 어떻게 바라볼까?

©NASA

우주정거장에서도 사용하는 AM 기술

우주항공분야에서 AM(적층 제조)는 우주선의 무게를 줄여주고 미션 크리티컬 구성요소를 맞춤화해주는 등 우주 탐사에 관련된 부품 및 장치를 개발하는데 핵심적인 역할을 하고 있어요.

NASA(미국항공우주국)은 1980년대부터 적층 제조를 이용해 우주 탐사를 위한 최첨단 도구를 개발하고 연구해왔어요. 첫 연구는 우주 임무 수행을 위해 필요한 복잡한 우주선 부품을 프로토타입으로 제작해서 테스트하는데서 시작되었죠.

이후 AM 기술의 성장 가능성을 발견한 NASA는 센터 내부에 특수 적층 제조 시설을 설립하고 기술 연구개발 프로젝트에 투자하기 시작했어요.

그리고 2014년 11월 24일, 국제우주정거장(ISS)에 설치한 3D프린터가 무중력 공간인 우주에서 적층 제조를 하는데 성공했어요.

이제 우주에서 3D프린터를 사용하기 시작하면서 필요한 부품을 바로바로 제조할 수 있게 되었으니 예비 부품을 재고로 가지고있을 필요가 없어졌고, 그 결과 정거장 운영이 간소화되었답니다. 그 이후부터 최근까지 적층제조 기술이 비약적으로 발전하면서 우리 모두 알고 있듯 금속적층, 다중재료적층 등 고도의 기술을 우주탐사 분야에 사용하기 위해 NASA에서는 많은 노력을 기울이고 있어요.

우주정거장에서 3D프린터로 제작한 출력물 ©NASA

NASA가 바라보는 AM 기술의 잠재력!

우리는 이미 AM 기술로 부품을 제작할때 이점은 알고 있어요.

🐰층층이: 프로토타이핑에 특화된 신속한 반복 설계, 복잡한 형상 및 내부 구조 제작,

제작비용의 효율성, 폐기물의 최소화 등이 있어요!

그럼 우주 탐사 분야에서 AM을 사용할 때 이점은 무엇이 있을까요?

우주선(페이로드) 무게와 제작 비용을 감소시킬 수 있어

구성요소를 각각 제작해서 조립해야 하는 적층 제조방식과 다르게 적층 제조를 사용하면 단일 파트로 제작이 가능해요. 그럼 파트의 무게 감소뿐만 아니라 제작 단계가 줄어들어서 출시 단가를 낮출 수 있어요.

환경에 맞춤화된 특수 재료로 구성요소를 제작할 수 있어

우주는 극도의 온도, 방사선, 진공환경 등 특수한 환경이에요. AM 기술을 활용하면 이런 특수한 환경에서도 견딜 수 있는 구성요소를 맞춤 설계하고 제작할 수 있어요. NASA에서는 우주 환경에 특화된 특수 재료(Inconel, Silicon Carbide, Tungsten, henolic Impregnated Carbon Ablator 등)를 연구 개발하고 있어요.

현장에서 부품 제조와 수리를 할 수 있어

심우주 탐사 등 장기간 임무를 수행하는 중 중요한 구성요소에 문제가 발생했을 때 우리는 어떻게 해야 할까요? 과거에는 지구에서 재 보급을 받거나 돌아가야만 했답니다. 하지만 이제는 AM 기술을 통해 현장 주문 생산이 가능해요. 예비부품도 재고로 가지고 갈 필요가 없고요. 최근에는 CNC 가공을 결합한 하이브리드 제조기술도 우주에서 사용할 수 있도록 하기위해 연구 중이에요.

지역 자원을 사용한 인프라와 도구를 만들 수 있어

화성이나 달에 있는 현장 자원을 활용해 구성요소를 제작할 수 있어요. NASA가 목표로 하고 있는 인간 식민지를 건설하는 데 지구에서 수송해야하는 재료를 최소화 할 수 있어요.

바이오 프린팅으로 생명을 유지할 수 있어

바이오 프린팅 기술이 발전하면 생명 유지시스템의 필터나 막 등 생물학적 구성요소를 생산할 수 있어요.

🚀사례

AM 기술로 제작한 우주탐사 하드웨어

여기 여기 모여라!!

Zenith Tecnica의 프시케 임무 수행을 위한 적층 제조 노드

프시케 임무는 화성과 목성 사이의 금속 소행성인 프시케를 탐사하기 위한 목적으로 인공위성 '프시케'를 발사한 NASA의 프로젝트에요 2023년 10월 스페이스X의 펠콘헤비에 실려서 발사되었어요.

프시케 인공위성에도 AM 기술이 사용되었어요. 인공위성 제조업체인 Maxar Space Systems가 설계한 인공위성의 부품인 '노드'가 복잡한 기하학적 구조로 생겼기 때문인데요, 티타늄 AM 기술 전문 업체 Zenith Tecnica가 이를 성공적으로 제조해서 납품했다고 해요.

탄소 복합 튜브 사이를 연결하는 3D 프린팅 티타늄 노드 ©NASA/JPL-Caltech

NASA의 알루미늄 로켓 노즐 테스트

NASA는 최근 적층 제조 프로젝트인 RAMFIRE 프로젝트의 일환으로 알루미늄을 적층 제조해 제작한 로켓엔진을 테스트했어요. 알루미늄은 다른 금속에 비해 밀도가 낮아 가볍지만 고강도의 물성을 가진 금속이에요. 하지만 일반적으로 내열성이 약하고 용접 과정에서 균열이 발생하는 경우가 많아서 지금까지는 로켓 부품 재료로 사용하지 않았어요. 그런데 NASA와 Elementum 3D가 로켓엔진에 사용할 수 있을 만큼 열에 강한 새로운 알루미늄 합금 A6061-RAM2을 개발했어요! 그리고 밀도를 높이기 위해 알루미늄과 특수 분말을 활용한 적층 제조 방법인 LP-DED 공정으로 로켓 로즐을 제작하는데 성공했어요.

©NASA

LP-DED 공정으로 적층 제조 중인 데모 노즐 ©RPM Innovation

달 탐사선 휠 프로토타입

미국의 국립 연구소 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)의 에너지부 연구원들은 NASA와 협력하여 기존의 달 탐사선에 사용하는 디자인과 동일한 종류의 바퀴를 적층 제조로 생산했어요. 이번에 제작된 니켈합금 바퀴는 휠의 강성을 높이기 위해 물결 모양과 같은 디자인 기능과 복잡한 스포크 패턴, 스포크 잠금 기능 등을 추가했어요. AM 기술은 이 모든 부분을 충족해서 제작해 줄 뿐만 아니라 최종 조립도 더 쉽게 만들어 주었는데요, 바로 이 개발 요구사항과 기능을 연결하는 부품을 보다 쉽게 제작할 수 있다는 점에 AM 기술의 발전 가능성을 볼 수 있는 테스트 였어요. 이번에 제작된 바퀴는 정말 달에서 사용할 수 있는지 연구하기 위해 우주센터에서 몇가지 테스트를 더 거칠 예정이라고 해요.

3D 프린팅된 달 탐사선 휠 프로토타입을 검사하는 NASA 기계 설계 엔지니어(왼쪽)와 ORNL 연구원

©Carlos Jones/ORNL, U.S. Dept. of Energy

PBF방식으로 제작한 달 탐사선 바퀴 ©Carlos Jones/ORNL, U.S. Dept. of Energy

Conflux Technology의 열교환기

오스트레일리아의 AM 솔루션 기업 Conflux Technology는 AM 기술로 독특한 모양과 크기의 열교환기를 설계/제작 했어요. 우주에서 사용되는 열교환기는 높은 응력, 고강도, 내식성 등을 다방면에서 테스트해서 극심한 온도 변동 환경에서 영향을 받지 않아야 해요. 열교환기를 AM 기술로 제작하면 표면 형상 설계를 조정하여 유체의 열과 물리적 특성 변화에 최적화할 수 있다고 해요.

Monel K500 재료로 인쇄된 열교환기 ©Conflux Technology

NASA EXCITE 임무 수행을 위한 망원경

NASA의 EXCITE 임무는 대형 풍선을 이용해 남극 상공의 우주 가장자리까지 망원경을 운반하여 다른 별 궤도를 도는 행성의 대기 성분을 측정하는 임무에요. NASA 엔지니어링 팀은 인공 지능과 적층 제조를 결합하여 강도는 높지만 경량화된 하드웨어를 제작했어요.

©Additive Manufacturing Media

Agile Space와 6K Additive의 A2200

미국의 AM 소재 개발 회사이자 우주 추진기 솔루션 업체인 Aile Space와 소재 개발 회사 6K Additive는 우주 탐사 기술의 발전을 위해 파트너십을 체결했어요. Aile Space는 달 착륙선 차량에 사용될 예정인 A2200의 이중 추진 하이퍼골 엔진 내부를 6K Additive의 Ni625 합금 파우더를 사용해 제작했는데요, 이 과정에서 20년 이상 걸리는 개발 기간을 12개월로 단축하고, 5.9kg으로 가볍지만 500lbf의 추력을 생성할 수 있다고 해요. 이렇듯 각 분야의 전문 기업들이 협력해서 우주 탐사를 위해 노력하고 있어요.

©Aile Space

🚀글로벌 동향

전 세계는 우주 기술을 개발하기 위해 노력하고 있어

전 세계 각국에서는 우주 경제시대를 맞이하여 기술을 연구하고 개발하는데 굉장한 노력을 기울이고 있어요. 각국의 정부에서 연구개발을 위해 큰 규모의 지원을 해주기도 하고, 정부와 민간 기관의 협업도 활발하게 이루어지고 있어요. 그 과정에서 AM 기술도 다양하게 활용되고 있답니다.

(영국)

Additive Manufacturing for Aerospace, Defence & Space

콘퍼런스

2024년 2월 27일 영국 브리스톨에서는 항공우주 산업 분야 적층 제조 컨퍼런스가 열려요. 이번 행사는 AM 사용자와 R&D 전문가, 항공 우주 실무자들이 한데 모여 AM 프로세스의 지속 가능성을 분석하고, AM 솔루션의 디지털화 등 산업 발전을 위해 의견을 나누는 장이 될 예정이에요.

©Defenceiq

(영국)

우주 기술 프로젝트를 위한 정부의 자금 지원

영국정부의 우주과학 기술 연구 자금은 영국 우주국(UK Space Agency)의 320만 파운드와 과학 기술 시설 위원회(STFC)에서 기부한 80만 파운드로 구성된다고 해요. 정부는 새로운 우주기술 및 응용 기술 분야에서 영국의 역량을 강화할 수 있도록 23개의 프로젝트를 지원한다고 밝혔어요.

©UK Space Agency

(아일랜드)

정부 지원 프로젝트 NSSPI

아일랜드 정부는 기업 운영 방식을 바꿀 수 있는 잠재력 있는 연구조직에게 교육과 연구 개발 비용인 기술혁신 지원금 DTIF(Disruptive Technologies Innovation Fund)을 지원해 주고 있어요. 최근 역대 지원금 중 단일 규모로 최고치인 5,880만 유로의 자금을 우주 프로젝트 NSSPI (National Space Subsystems and Payloads Initiative)에 지원했어요. NSSPI 프로젝트는 아일랜드의 수도 더블린에 위치한 국립대학 UCD 소속 전문가들의 주도로 이루어진다고해요.

©UCD

(미국)

우주 혁신 육성을 위한 공공-민간 파트너십 구축

우주 경제가 실현되면 우주 운송, 우주 내 제조 및 농업, 생물 생산, 위성 서비스 제공 및 유지관리 등 다양한 산업이 생겨날 거예요. 그런데 우주는 개방형 자원이고, 글로벌 공유재이기 때문에 잘못하면 우주 상품 및 서비스에 대한 과도한 경쟁이 초래될 수도 있죠. NASA는 이런 위험을 방지하기 위해 우주 관련 공공-민간 파트너십을 운영하며 유일하게 공공 역할을 해온 기관이에요. 민간기업 및 연구 대학 간 연구 협력을 통해 민간 기관들의 연구개발 참여를 유도함으로써 라이선스 독점 등을 방지하고있어요.

©NASA

🧐서팀장: 안녕하세요 HDC 서팀장입니다. 지난 5회차 삼차원이 발행된 이후에도 전 세계에서는 꾸준히 새로운 기술들이 개발되고 있었습니다. 우주 경제가 시작되면 우리가 단순히 생각하는 우주로의 운송수단 개발뿐만 아니라 우주에서의 삶에 필요한 여러 가지 기술이 수반되어야 할텐데요, 오늘은 그중 바이오기술에 대한 콘텐츠를 가지고 왔습니다.

우주에서 인체 조직을 프린팅 하는 3D 바이오 프린팅 기술

최근 미국 플로리다의 우주 인프라 기술 회사인 Redwire Space는 ISS(국제 우주 정거장)에서 인간의 반월판을 프린팅 하는데 성공했습니다.

바이오 프린팅 기술은 지속적으로 발전하고 있지만, 아직 혈관을 인쇄하는 것은 많은 전문가들도 어려움을 겪고 있는 부분입니다. 그래서 심장 등 장기를 인쇄하는 것은 어려운 상황이죠.

반면, 반월판은 혈관이 없는 구조물이기 때문에 바이오 프린팅을 테스트하기에 좋은 조직인데다가 자연적으로 재생되지 않아 현대 의학으로도 수술을 통해서만 복구하거나 제거할 수 있다고 합니다. 그래서 인간의 세포로 프린트된 반월판은 엄청난 발견이라고 할 수 있죠.

다만, 인체에 사용하는 조직인 만큼 정교함이 중요한데요, 많은 연구자들은 우주에서 인쇄를 하면 이식이 가능한 장기를 인쇄할 수 있을 것이라고 이야기합니다. 우주에는 중력이 없기 때문에 출력물의 지지 구조인 서포트 없이 정교한 출력이 가능하다고 하는데요, 멀지 않은 미래에는 조직 공학의 발전으로 생체 조직을 우주에서 인쇄해서 지구로 조달하는 시대가 오지 않을까 기대해 봅니다.