안녕하세요 3D시스템즈입니다.
인류의 우주 탐사 임무는 점점 더 야심차게 발전하고 있습니다.
100kW급 핵분열 시스템이나 메가와트급 추진 시스템 같은 고전력 시스템이 도입되면서, 열 관리(Thermal Management) 문제가 우주 기술 발전의 새로운 병목 현상으로 떠올랐습니다. 우주 공간에서는 지구처럼 공기나 물로 열을 식힐 수 없기 때문에, 방사(Radiation)를 통해 열을 배출하는 것이 유일한 방법입니다. 하지만 일반적인 우주선 작동 온도(50-80℃)에서는 이 방사 효율이 매우 낮습니다.
국제우주정거장(ISS)이 70kW의 열을 식히기 위해 900kg이 넘는 거대한 라디에이터 패널을 사용하는 것을 보면, 가볍고 효율적인 냉각 솔루션이 우주 기술 분야에서 얼마나 중요한 역할을 하는지 알 수 있습니다.
이 냉각 시스템의 핵심에서 열을 전달하는 혈관 역할을 하는 것이 바로 히트파이프입니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 NASA는 3D시스템즈, 펜실베니아 주립대, 애리조나 스테이트와 협력하여 적층 제조(Additive Manufacturing, AM) 기술을 핵심 솔루션으로 채택하고 있습니다.
오늘은 항공우주 적층제조 분야의 글로벌 리더 3D시스템즈가 어떻게 우주 탐사의 새로운 병목 현상을 해결할 수 있는지 알아보겠습니다.
적층 제조로 히트 파이프의 한계를 돌파하다
히트 파이프는 우주선 내부에서 발생한 열을 액체의 증발과 응축을 이용하여 밖으로 빠르게 전달하는 장치입니다.
하지만 지금까지는 기존 제조 방식의 한계로 인해 직선형 튜브 형태로만 제작할 수밖에 없었고, 이는 결국 설계의 자유도를 떨어뜨리는 제약 요인이 되었습니다.
그러나 적층 제조 방식을 활용하면, 히트 파이프를 별도로 만들어 조립할 필요 없이, 부품 내부에 처음부터 직접 내장시키는 '일체형 설계'가 가능합니다. 마치 심혈관과 유사하게 분지형(Branching) 히트 파이프를 설계하여 복잡한 표면 전반에 열을 효율적으로 전달할 수 있습니다.
단순한 직선형 파이프를 여러 개 나열하던 방식보다 구조가 효율적이기에 전체 무게를 약 50%나 절감할 수 있으며, 넓은 면적에 걸쳐 열을 고르게 분산시킬 수 있어 부품 사이의 경계면에서 발생할 수 있는 열 손실을 근본적으로 제거할 수 있기 때문입니다.
a. 일체형 히트 파이프가 포함된 프로토타입 티타늄 라디에이터 패널(75 x 125mm)의 CAD 랜더링. 다공성 심지 층은 녹색으로 강조되어 있으며, 증발기 영역의 단면도가 표시됨 b. 제작된 티타늄 패널의 사진 c. 음영 처리된 영역에 대한 CT 스캔 슬라이스로 히프파이프 내부의 심지 층을 보여줌 (이미지 제공: Penn State)
3D시스템즈는 이 기술을 활용해 분지형 히트 파이프가 내장된 티타늄 라디에이터 패널을 제작했습니다. 기존 대비 무게는 절반 수준인 반면, 더 높은 작동 온도를 견딜 수 있어 고출력 시스템에서 탁월한 열 방출 성능을 발휘합니다.
이처럼 외형적인 설계의 자유도가 열 분산의 효율을 결정한다면, 히트 파이프가 실제로 열을 실어나르는 내부 작동 성능의 핵심은 바로 '심지(Wick) 구조'에 달려 있습니다.
3D시스템즈는 기존 가공 방식으로는 구현이 불가능했던 복잡한 내부 다공성 심지 구조를 PBF-LB(Laser Beam Powder Bed Fusion) 공정으로 정교하게 제작하는 데 성공하였습니다. 독자적인 심지 디자인 개발을 통해 AlSi10Mg 소재 기준, 열 저항을 최대 70%까지 감소시키는 획기적인 성과입니다.
(좌측 이미지) PBL-LB 방식으로 제작된 나뭇가지 모양의 히트 파이프 부품 모습 (중앙 이미지) 윅 구조가 채널 내부에 형성된 모습이며, 금속 분말이 소결된 형태 (좌측 이미지) PBF-LB 방식을 사용하여 윅 내부의 상호 연결된 다공성을 만들기 위한 세 가지 전략을 1mm 스케일로 확대한 모습 (이미지 제공: Penn Sate)
이러한 정밀한 열 제어 기술은 온도 변화에 스스로 반응하는 형상 기억 합금(SMA, NiTi) 부품을 라디에이터 시스템에 통합하는 결정적인 계기가 되었습니다.
적층 제조 기술로 제작된 형상 기억 합금 소재의 8 x 16 x 38 mm 마이크로파 도파관 (이미지 제공: Penn State, NASA)
적층 제조 기술로 제작된 SMA 소재의 마이크로파 도파관은 가열 시 원래 모양으로 돌아가는 성질을 이용해, 별도의 기계적 장치 없이도 스스로 펼쳐지는 자가 전개형 기능을 수행하는 것이 특징입니다. 이 기술이 적용된 확장형 라디에이터 패널은 기존 고정형보다 약 3배 더 많은 열을 제거할 수 있어, 민감한 부품의 열응력을 줄이고 고전력 우주 임무를 수행하는 데 필수적인 핵심 부품입니다.
일체형 히트 파이프, 정밀 심지 구조, 그리고 자가 전개형 SMA 시스템은 적층 제조 기술이기에 가능한 유기적인 결합입니다. 이러한 솔루션은 우주선의 질량과 부피를 획기적으로 줄여, 더 많은 화물을 싣고 더 먼 우주를 탐사할 수 있는 물리적 기반입니다.
현재 NASA와 연구진은 고진공 및 극한 온도의 우주 환경 시뮬레이션 테스트를 통해 이 프로토타입들의 실용화를 가속화하는 단계입니다.
설계의 자유도를 극대화하고 열 관리의 한계를 극복하며, 지속 가능한 우주 탐사 시대를 여는 적층 제조 기술은 이제 항공우주 산업의 핵심입니다.
3D시스템즈는 수십 년간 축적된 전문성을 바탕으로 항공우주 분야의 엄격한 요구 사항을 충족하며, 고객의 우주 탐사 여정을 지원하는 든든한 파트너가 될 것입니다.
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