성능·내구성 한계 극복 가능…성능 우수
화성·소행성 등 먼 우주 탐사에도 활용
포스텍 연구팀이 금속 3D 프린팅 기술로 초정밀 소형 우주 추진기를 개발하는 데 성공했다.
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| ▲ 포스텍 신소재공학과 김형섭 교수(왼쪽부터), 기계공학과 김동식 교수, 기계공학과 이안나 교수. [포스텍 제공] |
3일 포스텍에 따르면 이 대학 신소재공학과 김형섭 교수, 기계공학과 김동식·이안나 교수 연구팀이 금속 3D 프린팅 기술을 활용해 기존 방식의 한계를 뛰어넘는 우주 탐사용 고정밀 마이크로추력기를 개발하는 데 성공했다.
이번 연구는 엔지니어링 분야 국제 학술지인 'Virtual and Physical Prototyping'에 게재됐다.
최근 우주에 더 많은 소형 위성이 올라가고 있다. 위성들은 지구의 날씨를 관측하고 전 세계 통신을 연결하며, 기후 변화를 감시하는 역할을 한다.
우주에서 위성이 제대로 움직이려면 자동차 엔진처럼 '추진 장치'가 필요한데, 문제는 소형 위성에 들어갈 추진 장치는 손가락 크기만큼 작으면서도 우주의 극한 환경을 견뎌야 한다.
지금까지는 실리콘을 깎아 만들거나, 초소형 기계 부품들을 조립하는 'MEMS' 기술을 사용했지만, 성능과 내구성에 한계가 있었다.
연구팀은 '금속 3D 프린팅(LPBF)' 기술을 활용했다. '금속 3D 프린팅'은 레이저로 금속 가루를 녹이며 층층이 쌓아 원하는 모양을 만드는 기술이다.
이 기술을 이용하면 기존 방식으로는 불가능했던 매우 얇고 복잡한 구조도 정밀하게 제작할 수 있다.
연구팀이 만든 마이크로추력기는 아주 작지만 놀라운 성능을 보였다. 연소가 일어나는 챔버 벽 두께는 0.5㎜에 불과하다.
이는 동전 두께보다도 얇은 수준이며, 연료가 분사되는 구멍은 180 마이크로미터(µm) 수준인데, 이렇게 정교하게 제작된 추력기는 실제 우주 환경과 비슷한 700도의 고온에서 1분 동안 진행된 연소 실험에서도 구조적 손상 없이 안정적으로 작동했다.
추진 효율도 매우 높았다. 특성 속도 효율은 84.3%, 비추력 효율은 91.7%를 기록했다.
이번 연구는 우주 탐사에 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대된다. 훨씬 작고 가벼우면서 성능이 뛰어난 추력기를 저렴하게 만들면, 더 많은 소형 위성을 우주에 보낼 수 있고 화성이나 소행성 같은 먼 우주 탐사에도 활용할 수 있다.
김형섭 교수는 "이번 연구는 금속 3D 프린팅을 활용해 소형 우주 추진기를 가볍고 정밀하게 만든 최초 사례"라고 밝혔다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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