우주로 나간 금속 3D 프린터…우주 제조업 신호탄 될까? [고든 정의 TECH+]

미 항공우주국(NASA)와 유럽우주국(ESA)은 인류의 우주 진출을 도울 핵심 기술로 3D 프린터에 주목하고 있습니다. 3D 프린터는 복잡한 내부 구조를 지닌 로켓 엔진 부품을 한 번에 출력할 수 있어 전통적인 주물이나 다른 가공 방식보다 더 빠르고 저렴하게 부품을 생산할 수 있습니다. 과거에는 3D 프린터로 플라스틱 소재만 출력 가능했지만, 최근에는 금속 3D 프린팅 기술이 크게 발전해 로켓이나 우주선 제조 부분에서 활용도가 커지고 있습니다.

NASA는 이미 국제우주정거장(이하 ISS)에 3D 프린터를 설치해 필요한 부품을 우주에서 현지 조달할 수 있는지 검증했습니다. 우주 공간에서 필요한 부품 중 상당수는 사실 금속 소재입니다. 하지만 금속 3D 프린터는 폴리머 기반 소재를 출력하는 일반적인 플라스틱 3D 프린터보다 무게와 부피가 크고 에너지를 많이 소모하기 때문에 한정된 공간과 에너지를 지닌 ISS에 설치하기가 어려웠습니다. 일반적인 금속 3D 프린터는 보통 10제곱미터의 설치 공간을 필요로 하는데, 이는 비좁은 ISS 내부에서 감당하기 어려운 크기입니다.

ESA는 에어버스와 함께 ISS에 탑재할 수 있는 크기의 미니 금속 3D 프린터를 개발하는 과제에 도전했습니다. 그리고 마침내 그 첫 번째 시제품을 지난 1월 30일 우주 공간으로 발사했습니다. 우주 금속 3D 프린터는 180kg의 무게에 가정용 식기 세척기와 비슷한 80 x 70 x 40 cm의 크기를 지니고 있습니다. 일단 ISS에 도착하면 ESA의 콜럼버스 모듈에 있는 유러피언 드로우랙 마크 II에 설치될 예정입니다.

이 금속 3D 프린터는 크기를 획기적으로 줄이면서도 섭씨 1200도 이상 가열한 금속 소재를 출력할 수 있도록 일반 레이저 포인터보다 100만 배나 강력한 레이저를 사용합니다. 한 번에 최대 4개의 부품을 출력할 수 있으며 각 출력 부품의 크기는 4x9cm 정도입니다. 출력 소재는 내부식성이 강한 스테인리스 스틸입니다. 우주 금속 3D 프린터가 지상에 있는 일반 3D 프린터보다 만들기 까다로운 이유 중 하나는 뜨거운 연기와 입자에 의한 대기 오염입니다. 섭씨 200도 이상 가열하는 폴리머 소재도 인체에 유해한 연기와 휘발성 물질을 내뿜을 수 있지만, 금속 3D 프린터는 더 고온의 금속 연기와 입자를 배출할 수 있어 ISS에 체류하는 우주 비행사의 건강에 심각한 문제를 만들 수 있습니다. 따라서 우주 금속 3D 프린터는 출력 도중 외부로 물질이 빠져나가는 것을 막고 최종 출력물을 꺼내기 전 공기 필터와 정화기를 이용해 유해한 물질을 모두 흡수해야만 합니다.

지상 테스트에서 우주 금속 3D 프린터는 이 과정을 모두 통과했지만, 무중력에 가까운 ISS에서 안전하게 금속 부품을 출력할 수 있는지를 검증하는 마지막 과정도 통과해야 합니다. ISS 검증 과정을 통과하면 앞으로 지구 중력의 1/6에 불과한 달 기지와 1/3 수준인 화성 기지에서도 금속 3D 프린터가 활약할 가능성이 높아질 것입니다.

NASA와 ESA 과학자들은 금속 3D 프린터가 우주 기지에서 매우 유용한 도구가 될 것으로 기대하고 있습니다. 달과 화성 기지에서 필요한 금속 부품을 마음대로 출력할 수 있고 반대로 수명을 다한 소재를 다시 녹여 금속 3D 프린터의 재료로 사용할 수도 있습니다. 그리고 궁극적으로는 복잡한 금속 제련소와 부품 공장을 만드는 대신 3D 프린터를 이용해서 기본적인 원료에서 한 번에 우주 기지 건설에 필요한 물품을 출력하는 날이 올지도 모릅니다.

물론 그렇게 되기까지 앞으로 많은 과정이 남아 있습니다. ISS에 설치된 작은 금속 3D 프린터가 21세기 우주 제조업의 시작을 알리는 작지만, 큰 발걸음이 되기를 기대합니다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com