항공우주 산업에서도 3D 프린팅이 사용된다?

 

 

NASA와 SpaceX 사례

 

우주라는 극한의 환경에서 작동할 수 있는 부품을 필요로 하는 항공산업. 때분에 가볍고 강하면서도 정밀한 제작 기술이 필수적이다. 기존의 제조 방식 또한 고도의 정밀함을 요구하지만, 제작 과정이 복잡하고 비용이 많이 든다는 한계가 있었다.

그러나 최근 3D 프린팅(적층 제조, Additive Manufacturing) 기술이 발전하면서 항공우주 산업에 혁신적인 변화를 가져오고 있다. 특히, NASA와 SpaceX를 비롯한 주요 기업들은 로켓 엔진, 위성 부품, 우주 거주지 건설 등에 3D 프린팅을 적극적으로 활용하며 차세대 우주 개발을 선도하고 있다. 이번 글에서는 항공우주 산업에서 3D 프린팅이 어떻게 활용되는지, 그리고 NASA와 SpaceX가 이를 통해 어떤 혁신을 이루고 있는지 살펴보자.

 

 

 

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1.  3D 프린팅이 항공우주 산업에서 중요한 이유

3D 프린팅 기술이 항공우주 산업에서 각광받는 이유는 경량화, 비용 절감, 설계 자유도 향상 등 여러 가지 장점 때문이다.

 

 ① 경량화가 가능하다

• 우주선과 로켓은 무게가 매우 중요한 요소 중 하나이다. 
• 1kg의 중량을 지구 저궤도로 올리는 데 '약 2만 달러(한화 약 2,600만 원)'가 필요하므로, 무게를 줄이면 발사 비용을 크게 절감할 수 있다.
• 3D 프린팅을 이용하면 기존 방식으로 제작할 수 없는 내부가 비어 있는 경량 구조를 만들 수 있어 무게를 대폭 줄일 수 있다.

② 제조 비용과 시간이 절감된다

• 기존의 항공우주 부품은 수많은 작은 부품을 조립해야 하지만, 3D 프린팅을 사용하면 일체형으로 제작 가능하여 생산 시간을 줄일 수 있다.
• 예를 들어, 로켓 엔진의 연소기(combustion chamber)는 기존 제조 방식으로 6개월이 걸리지만, 3D 프린팅을 사용하면 2~3주 만에 제작 가능하다.
• 부품 생산 비용 역시 30~50% 절감할 수 있어, 로켓 발사 비용 절감에 큰 기여를 한다.

③ 복잡한 설계를 구현할 수 있다

• 기존 방식으로는 금형을 먼저 제작해야 하므로, 너무 복잡한 구조의 부품은 만들기 어렵거나 비용이 매우 높다.
• 3D 프린팅을 이용하면 기존 방식으로는 제작이 불가능한 복잡한 냉각 채널이 포함된 로켓 엔진 부품도 쉽게 만들 수 있다.

이러한 이유로 NASA, SpaceX, 블루 오리진(Blue Origin), 롤스로이스(Rolls-Royce) 등 항공우주 기업들이 3D 프린팅을 적극적으로 도입하고 있다.

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2.  NASA의 3D 프린팅 활용 사례

미국 항공우주국(NASA)은 로켓 엔진 개발, 우주 정거장 부품 제작, 우주 거주지 건설 등 다양한 분야에서 3D 프린팅을 활용하고 있다.

 

 3D 프린팅 로켓 엔진 부품 개발

• NASA는 기존 방식보다 비용을 50% 절감하고, 생산 기간을 80% 단축할 수 있는 3D 프린팅 엔진 부품을 개발했다.
• 2015년, NASA는 75% 이상의 부품이 3D 프린팅된 로켓 엔진을 성공적으로 테스트했으며, 이 기술을 통해 더 가볍고 저렴한 엔진을 제작하고 있다.

② 국제우주정거장(ISS)에서의 3D 프린팅 실험

• 2014년, NASA는 국제우주정거장(ISS)에 세계 최초의 우주용 3D 프린터를 설치했다.
• 이 프린터를 이용하면 우주에서 필요한 부품을 직접 제작할 수 있어, 지구에서 부품을 보내는 비용과 시간을 줄일 수 있다.
• 현재 ISS에서는 도구, 부품, 심지어 음식까지 3D 프린팅으로 제작하는 실험을 진행 중이다.

 ③ 달과 화성에서 3D 프린팅을 이용한 건축 실험

• NASA는 달과 화성에서 현지 재료를 이용해 3D 프린팅으로 거주지를 만드는 연구를 진행 중이다.
• 2019년, NASA는 ‘3D-Printed Habitat Challenge’라는 대회를 열어, 3D 프린팅으로 화성 기지를 건설하는 기술을 개발하고 있다.
• 이 프로젝트가 성공하면, 우주 식민지 건설 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

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3. SpaceX의 3D 프린팅 활용 사례

일론 머스크(Elon Musk)가 설립한 SpaceX는 재사용 가능한 로켓 개발과 발사 비용 절감을 목표로 하며, 3D 프린팅 기술을 적극 활용하고 있다.

 

① 슈퍼 드라코(SuperDraco) 엔진의 3D 프린팅 제작

• SpaceX의 ‘드래곤 캡슐(Dragon Capsule)’에는 SuperDraco 엔진이 장착되어 있다.
• 이 엔진은 100% 3D 프린팅으로 제작된 최초의 로켓 엔진으로, 기존 방식보다 더 가볍고 강한 구조를 갖추고 있다.
• 기존 엔진보다 부품 수가 줄어들어 고장 확률이 낮아지고, 제조 비용도 크게 절감되었다. 

② 스타십(Starship) 프로젝트에서 3D 프린팅 활용

• SpaceX는 현재 지구 저궤도, 달, 화성 탐사를 위한 ‘스타십(Starship)’ 개발을 진행 중이다.
• 스타십의 일부 부품은 3D 프린팅을 이용해 경량화와 내구성 강화를 동시에 이루고 있다.
• 이 기술을 통해 대형 로켓의 제조 비용을 기존보다 30% 이상 절감할 것으로 기대된다.

③ 로켓 부품의 신속한 수리 및 교체

• 로켓 발사 후, 부품의 손상이 발견되면 기존에는 새로운 부품을 제작하는 데 몇 달이 걸렸다.
• 하지만 SpaceX는 3D 프린팅을 이용해 필요한 부품을 단 며칠 만에 제작할 수 있어, 로켓 발사 간격을 단축하는 데 성공했다.

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4️. 3D 프린팅이 항공우주 산업의 미래를 바꾸다

3D 프린팅 기술은 항공우주 산업에서 경량화, 비용 절감, 설계 자유도 증가, 신속한 부품 교체 등 다양한 혁신을 가져왔다. NASA와 SpaceX뿐만 아니라, 블루 오리진, 보잉, 에어버스, 록히드 마틴 같은 기업들도 3D 프린팅을 도입하고 있다.

 

 

앞으로는 3D 프린팅을 활용해 화성에서 자급자족하는 거주지를 개발하거나, 인공지능과 3D 프린팅을 결합하여 무인 공장에서 로켓을 제작하고, 기존보다 더욱 가볍고 강한 탐사선을 제작하는 등 이제 3D 프린팅은 항공우주 산업에서 필수적인 기술이 되었으며, 향후 우주 탐사와 인류의 우주 정착을 가능하게 할 핵심 기술로 자리 잡을 것이라 생각된다.