계란 껍데기 모양의 알루미늄 배열, 우주선 충돌 속도 65% 감소시켜

Journal of Applied Physics가 발표한 이번 연구 관련 자료에 따르면, 지구 근접 궤도에는 1센티미터보다 큰 파편이 거의 100만 개나 있습니다. Ars Technica가 인용한 NASA의 별도 추정치에 따르면 1~10센티미터 크기의 파편은 약 90만 개, 10센티미터보다 큰 파편은 약 3만 4천 개, 1센티미터보다 작은 파편은 약 1억 2천 8백만 개에 달합니다. 아주 작은 파편조차도 매우 빠른 속도로 이동하기 때문에 우주선에 손상을 입힐 수 있습니다. Ars Technica는 2007년 우주 파편 한 조각이 우주왕복선 Endeavour의 방열판에 총알 같은 구멍을 뚫었던 사례를 언급하며, 이것이 이러한 파편 지대가 일으킬 수 있는 손상의 한 예라고 설명합니다.

중국 Dalian University of Technology의 연구자들은 이러한 충돌에 더 잘 대응할 수 있는 방어막을 설계하고자 했습니다. Journal of Applied Physics에 실린 논문에서 설명된 이들의 접근법은 익숙한 대상, 즉 계란 껍데기에서 그 형태를 빌려왔습니다.

계란 껍데기는 강도의 모델로는 이상해 보일 수 있습니다. 계란 하나는 국소적으로 작은 힘만 가해도 쉽게 깨지기 때문입니다. 연구 저자 Yuxin Wang은 계란 껍데기들을 무리로 배열하면 그 작동 원리가 달라진다고 말했습니다. "이 계란 껍데기 유닛들의 협동적 변형은 국소적 충돌 하중을 메타구조 전체에 걸친 분산된 에너지 소산으로 변환합니다"라고 Wang은 말했습니다. 이는 하나의 껍데기가 충격 전체를 감당하는 대신, 충돌 에너지가 퍼져나가면서 각 껍데기가 한꺼번에 부서지지 않고 순차적으로 무너진다는 의미입니다.

연구팀은 방어막을 샌드위치 형태로 만들었습니다. 작은 알루미늄 계란 껍데기들의 배열에 물을 채우고, 이를 두 개의 평평한 알루미늄 판 사이에 배치한 것입니다. 계란 껍데기들은 뭉툭한 쪽이 아래를 향하도록 놓였고, 각 껍데기는 속이 빈 상태로 두지 않고 물로 채워졌습니다. 고속 충돌이 일어나면 껍데기 내부의 물이 흔들리면서 껍데기를 통과하려는 충격파를 방해하고, 이로써 충돌 에너지가 더욱 줄어들고 흩어집니다.

최적의 설계를 찾기 위해 연구진은 세 가지 구성을 3D 프린팅하고 시뮬레이션하여 비교했습니다. 아무것도 사이에 넣지 않은 평범한 알루미늄 판, 물을 채운 알루미늄 구를 사이에 넣은 알루미늄 판, 그리고 물을 채운 계란 껍데기 배열을 사이에 넣은 알루미늄 판입니다. 이들은 또한 배열 내 계란들의 방향도 다르게 테스트했습니다. 가장 효과적이었던 구성은 계란이 세워진 채로 좁은 끝부분이 위쪽 판에 닿는 방향이었는데, Ars Technica에 따르면 이는 사람들이 계란 상자를 밟고 지나가면서도 계란을 깨뜨리지 않을 때 쓰는 것과 같은 방향입니다. 무게를 분산시켜 어느 하나의 계란도 전체 하중을 떠안지 않도록 하기 때문입니다.

실험에서 물을 채운 계란 껍데기 배열은 다른 대안들보다 더 우수한 성능을 보였습니다. 이는 충돌 발사체의 속도를 거의 65% 줄였는데, 이는 평범한 알루미늄 판만 사용했을 때의 51% 감소와 비교됩니다. 연구진은 이 결과를 얻기 위해 3D 프린팅된 배열에 대해 시뮬레이션과 경가스건(light-gas gun) 실험, 즉 발사체를 매우 빠른 속도로 발사하는 실험실 방법을 모두 수행했습니다.

이러한 종류의 다층 방어막은 이른바 Whipple 차폐(Whipple shield)라는 이미 우주선 보호에 쓰이고 있는 설계의 변형입니다. 이 설계는 우주선 외벽 앞쪽에 얇은 외층을 일정 거리를 두고 배치하여, 날아오는 파편이 선체에 도달하기 전에 부서지도록 합니다. 이 설계의 기존 변형들 중 일부는 "채워진(stuffed)" Whipple 차폐라 불리며, 이미 단단한 층들 사이에 채움재를 포함하고 있습니다. 계란 껍데기 배열은 생물학에서 가져온 형태를 이용해 이 다층 개념을 개선하려는 새로운 시도입니다.

연구진은 이번 결과를 완성된 방어막이 아니라 초기 단계로 설명합니다. 연구에 따르면, 이 소재가 우주선의 경량 방어막으로 쓰이기 전에 그 형태와 물 채움 방식에 대한 추가적인 최적화와 추가적인 충돌 테스트가 필요합니다. 연구팀은 현재 알루미늄 계란 껍데기의 두께, 가로세로 비율, 배열 내 배치 방식을 개선하여 소재가 흡수할 수 있는 에너지 양을 늘리는 작업을 진행하고 있다고 밝혔습니다.

Wang은 이번 연구가 생물학에서 영감을 받은 경량 구조물이 매우 빠른 충돌로부터 우주선을 보호하는 데 유망한 방향임을 보여주는 증거라고 설명했으며, 연구팀은 이 연구가 생물학에서 영감을 받은 보호 구조물 전반에 더 많은 관심을 이끌어내기를 바란다고 말했습니다. 이 주장은 현재까지의 테스트가 보여준 것에 한정되는데, 이는 이 설계가 현재의 3D 프린팅 및 시뮬레이션 구성을 넘어서는 최적화나 테스트를 아직 거치지 않았기 때문입니다.