달 먼지를 이용한 건설: Lithoz 3D 프린터로 달 정거장에 필요한 도구 생산
이것은 공상과학 소설 속 이야기일까요? 그렇지 않습니다! 달에 집을 짓는 것은 더 이상 허무맹랑한 상상이 아닙니다. 국제 아르테미스 프로그램은 인류를 다시 달 표면에 보내는 것을 목표로 하고 있습니다. 오스트리아 빈의 적층 제조 전문업체 Lithoz GmbH는 유럽우주국(European Space Agency, ESA)의 프로젝트를 위해 달 먼지로 만들어진 도구와 건축 자재를 3D 프린팅 방식으로 현장에서 제조하는 방법을 연구하고 있습니다. 자재는 ZwickRoell 시험기로 시험합니다.
“인간이 상상할 수 있는 것은 무엇이든 일어날 수 있다.” (쥘 베른 <80일간의 세계 일주> 중에서)
바다 옆의 집 또는 산 속의 집. 그런 집을 꿈꾸지 않는 사람이 있을까요? 그렇다면 달 위의 집을 꿈꿔 본 사람도 있을까요? 지구가 보이고 우주와 은하수가 보이는 집은 어떨까요? 공상과학 영화나 소설 속의 한 장면처럼 들릴 수 있지만, 전 세계 연구진과 과학자들은 국제 우주 관련 기관과 함께 꽤 오랫동안 연구를 진행해왔습니다. 그중 한 사례가 현재 진행 중인 아르테미스 계획입니다. 이 계획의 비전은 장단기적으로 달에 우주 기지를 건설하는 것이며, 목표는 달에서부터 우주로, 더 나아가 화성까지 계속해서 태양계를 탐험하고, 미지의 새로운 은하도 찾아 나서는 것입니다.
전문가들은 이 목표에 한 걸음 더 다가가기 위해 달 정거장 건설이 장기적으로 꼭 필요하다고 보고 있습니다. 이미 수많은 공상과학 영화에서 등장한 이러한 전초 기지를 실제 건설할 수만 있다면, 지구에서 달까지의 멀고도 비용이 많이 드는 이동 경로가 상당히 줄어들 것입니다.
ISRU 원칙: 우주 현지자원활용
달 표토(달 먼지)가 해결책이 될 수 있습니다. 달 표토는 달에 풍부하게 있고, ISRU(우주 현지자원활용) 원칙에 따라 건설 자재, 도구는 물론 달 기지에 필요한 가구 생산을 위한 원자재로도 현지 자원을 사용할 수 있기 때문입니다. 우주 탐사에서 ISRU의 목적은 가용 자원/원자재를 수집하고, 이를 가공하여, 지구에서 가져왔어야 할 자재를 대체하는 것입니다.
유럽우주국(ESA)에서 진행 중인 계획에 따르면, 3D 프린팅 방식으로 완전한 달 정거장을 건설할 예정입니다. 기본적으로 달에 3D 프린터를 놓고 필요한 자재와 도구를 프린팅하기만 하면 되는 것입니다. 그러기 위해서는 차량을 투입해 달의 먼지를 모으고 다른 물질을 조금 추가하여 그 재료로 프린팅을 할 수 있어야 합니다. 전문가의 추정에 따르면 3D 프린팅에 필요한 기본 재료의 원자재 비용이 1%에 불과하기 때문에 비용 절감 측면에서도 유리하다는 이점이 있습니다.
실제 달 먼지는 사용 불가하므로 합성 물질로 시험
오스트리아 빈의 Lithoz GmbH는 달 먼지 프로젝트에서 이 특정 사안을 다루고 있으며, 2011년 설립 이후 고급 세라믹용 적층 제조 시스템 분야의 전문 업체이자 글로벌 시장 주도 기업으로 성장했습니다. 빈공과대학교(Vienna University of Technology) 출신이자 현 간부인 요하네스 베네딕트(Johannes Benedikt)와 요하네스 호마(Johannes Homa)가 설립한 Lithoz GmbH의 재료 엔지니어와 재료 물성시험 담당자들은 3D 프린터를 이용하여 합성된 달 먼지에서 도구와 마모 부품을 생산하는 공정을 진행하고 있으며, 이러한 물질에 대한 특성 시험도 수행하고 있습니다.
지난 달 탐사 임무에서 약 400kg의 달 암석을 지구로 가져왔지만, 이 암석들은 공기와 습기에 노출되어 화학 반응이 많이 일어나 현재 실험용으로는 사용할 수 없습니다.
과학자들은 합성된 지구상의 물질을 이용하여 실제 달의 표토와 유사한 화학적, 기계적, 공학적 특성을 지닌 이른바 달 표토 모조물을 제작했습니다. 유럽우주국(ESA)과 함께 진행한 LUPIN 연구의 일환으로 Lithoz GmbH는 리소그래피 기반 프린팅 기술을 이용한 표토 가공 방법을 개발했습니다. LCM 3D 프린팅에서 광반응성 유기 결합재를 함유하고 있는 세라믹 슬러리가 화소 정밀성을 갖춘 청색광에 층별로 노출되어 적절한 위치에서 경화되면, 추가 가공에 필요한, 기계적 강도가 완벽한 녹색 상태의 세라믹 부품이 만들어집니다.
호마는 “결과의 질을 중요시한다면 우리의 선도적인 LCM 기술이 세라믹 LCM 3D 프린팅의 주요 기준”이라고 말합니다.
압축 시험 및 3점 굴곡 시험을 이용한 달 먼지 안정성 시험
미래에 Lithoz 3D 프린팅으로 달에서 부품을 만든다면, 시험기 제조사인 ZwickRoell 역시 이 프로젝트와 성공 가능성에 한몫을 한 셈입니다. 공동 설립자인 베네딕트와 호마가 과거 빈공과대학교 재학시절, 오늘날의 회사를 있게 한 기계 및 재료 물성시험/공정을 개발하기 위해 ZwickRoell 시험기로 작업을 했기 때문입니다. Lithoz GmbH의 CTO 베네틱트는 “우리는 대학에서 3D 프린팅의 첫 걸음을 뗀 셈”이라며 그렇기에 ZwickRoell 시험기의 신뢰성과 정확성을 잘 알고 있고 그 진가를 인정한다”고 말합니다.
마지막으로, 지난 11월에는 Lithoz와의 계약에 따라 ZwickRoell Ulm 본사의 재료 엔지니어들이 이전에 빈에서 시험한 달 먼지 시편이 우주에서 도구나 건설 자재를 만들 수 있는 기본 재료로 사용하기에 적합한지 알아보기 위해 시험을 수행했습니다. 실제로 달에서 고장이 발생한다면 가게에 가 교체품을 살 수 없기 때문입니다.
CEO 호마는 “그런 경우 후속 시험은 언제나 매우 유용하고 공정을 지속적으로 개선하는 데 도움이 된다”고 설명합니다. 이틀에 걸쳐 압축 시험과 3점 굴곡 시험 등이 수행되었습니다. 달 먼지 프로젝트에서 시편 시험을 담당한 ZwickRoell 수석 재료 엔지니어인 토비아스 에브너(Tobias Ebner)는 “달 표토 재료 물성시험은 매우 이색적인 경험이었지만, 특별 고객 요구사항에 따라 매우 잘 이루어졌다”고 결론 내렸습니다. 에브너는 “재료가 달 정거장 건설에 적합한지, 적합하다면 어느 정도 적합한지, 또는 그 재료를 조정해야 하는지 여부는 이제 고객의 판단에 달려있다”고 덧붙였습니다.
2일간 Lithoz GmbH에서 이루어진 품질 시험의 결과는 현재 유럽우주국(ESA)에서 분석과 검토를 진행 중이며 이후 공개될 예정입니다.
“우리는 과학계 인싸”
세라믹 3D 프린팅 분야에 혜성처럼 등장한 Lithoz는 곧 우주에서 들을 수 있는(엄밀히 말하면 볼 수 있는) 특별한 세 가지로 두각을 나타내고 있습니다. Lithoz GmbH는 기초/응용 연구부터 즉시 사용 가능한 시장성 있는 산업용 제품 개발에 이르기까지 3D 프린팅의 종합적인 노하우를 맞춤형 솔루션으로 제공합니다. 이것이 바로 ESA가 Lithoz와 제휴하고 긴밀하게 협조하는 수 많은 이유 중 하나입니다. 또한, CEO 호마는 출신 대학 덕분에 과학계와 관계를 유지하고 있고 회사도 잘 알려져 있다고 말했습니다. 기업의 성공에도 불구하고 Lithoz는 독단적으로 일하지 않습니다. 지금까지의 성공에 연연하지 않고 현실 감각을 유지하기 위해 노력합니다. 135명 이상의 직원을 두고 있으며, 생산과 개발은 주로 빈 본사에 집중되어 있고, 연구, 과학, 산업 부문 전문가들의 긴밀한 협조를 중요시 여기고 있습니다.
가능성의 한계를 확장하여 새로운 영역으로 진출
Lithoz의 CEO 호마는 달에서 우주 정거장 건설이 시작되기까지 몇 년은 걸릴 것이라고 말합니다. 호마는 달로 가는 길은 결코 쉽지 않을 것이라고 재차 강조합니다. 하지만 계획은 수립되었고 판도 이미 벌어졌습니다. 따라서 이제 달에 전초 기지를 세우는 것은 시간 문제입니다. Lithoz는 최고 품질의 세라믹 프린팅을 제공하고 세라믹 개발의 한계를 계속 확장한다는 임무를 훌륭하게 수행하고 있습니다. 세라믹 전문가들은 “우리는 사람들이 미지의 은하계를 모험하고 새로운 세계를 탐험하는 데 기여하고 싶다”며 회사의 포부를 내비쳤습니다.
베네딕트는 “달 정거장 건설은 우주 여행의 중요한 단계이자 인류에게 기념비적인 사건이 될 것”이라며 “Lithoz는 이 신나는 여행과 개발에 참여할 준비가 되어 있다”고 말했습니다. 또한 “그 누구도 우리를 거치지 않고는 달에 갈 수 없으며, 우리의 믿음직한 파트너 ZwickRoell이 매우 중요한 데이터베이스를 제공해 주었기 때문에 이번 임무의 핵심을 전방위적으로 이해할 수 있었다”고 밝혔습니다. 이어서 “ZwickRoell의 도움 덕분에 상당한 진전을 이룰 수 있었다”며 “우리는 진정한 의미에서 별에 도달하고 우리의 전문 지식을 이용하여 상상을 우주에서 실현시킬 것”이라고 덧붙였습니다.
