글: Jeremy Cook
성능이 강화된 신소재가 항공우주 엔지니어링 분야에 혁신을 일으키고 있습니다. 이 문서에서는 화성과 그 너머에 도달할 수 있게 해주는 몇 가지 새로운 복합 소재에 대해 살펴봅니다.
항공우주 복합소재: 탄소섬유, 나노튜브, 그래핀
탄소섬유는 1800년대에 전구 필라멘트에 사용하기 위한 목적으로 처음 생산되었으며, 대나무나 면화 같은 재료를 사용하여 만들었습니다. 연구원들이 이 재료를 구조재로 활용하는 방안을 연구한 것은 20세기 중반이었습니다.
오늘날, 대부분의 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴에서 만들어집니다. 이 작은 섬유 가닥 하나 하나가 플라스틱 바인더를 통해 한 데 묶여서 매우 튼튼하고 가벼운 소재가 됩니다. 탄소섬유 소재를 통해 실현된 무게 절감 효과는 로켓이 우주로 발사되고 비행기가 하늘을 날 때, 그리고 심지어 여러분이 다음 번에 오토바이를 탈 때 연료 소비가 감소한다는 뜻입니다.
탄소 소재 기술의 다음 번 혁신으로는 그 외의 항공우주 복합소재와 탄소 나노튜브, 그래핀, 그리고 버크민스터풀러렌을 들 수 있습니다. 이들 소재는 모두 탄소 원자가 그 주변에 3개의 이웃 탄소 원자하고만 결합된 형태로 되어 있습니다.
- 탄소 나노튜브: 탄소 원자들이 분자 튜브 형태로 말려서, 결합됐을 때 아주 작은 철사나 모구처럼 되어서 매우 강한 소재를 형성합니다.
- 그래핀: 탄소 분자들이 결합되어 얇은 판 모양으로 배열된 것입니다(튜브 형태로 말린 것이 아님). 그래핀은 인류가 지금까지 실험한 소재 중 가장 강력한 소재로, 에너지 저장에 적합할 수 있는 여러 가지 흥미로운 특징을 갖고 있습니다.
- 버크민스터풀러렌: 탄소 원자들이 공 모양으로 말려 있는 것입니다(탄소 원자 60개, 또는 C60). 어쩌면 여기서 소개한 다른 탄소 기반의 분자들에 비해 항공우주 분야를 위한 연구가 덜 진행됐을지는 모르지만, 앞으로 연구원들이 이것의 중요한 사용 분야를 찾게 될 것입니다.
항공 우주 및 방위산업용 에어로겔
1931년, Samuel Stephens Kistler는 젤리에서 액체를 제거하여 에어로겔을 만들었습니다. 그 고체 결과물의 성분은 대부분 공기입니다. 오늘날의 에어로겔은 주로 실리콘을 통해 만들어지는데, 액체 분자를 제거하여 부피 기준으로 99% 이상을 공기가 차지할 수 있는 극도의 다공성 물질을 만듭니다.
에어로겔은 "정지 상태의" 공기와 같은 구조로 되어 있어서 최고의 절연체입니다. 에어로겔은 구멍이 많고, 분자의 이동이 억제되어 열 에너지 전달이 차단되는 크누센 효과가 있어서 그 안에 있는 기체보다 열 도전율이 더 낮을 수 있습니다. 또, 이러한 다공성 때문에 에어로겔은 친수성을 띄어서 다량의 습기를 흡수할 수 있습니다. 하지만 첨가제를 통해 방수성을 부여할 수 있습니다.
이 같은 특징들을 지닌 에어로겔은 NASA 등 그 활용 분야가 매우 다양한 꿈의 소재입니다. 원시 형태의 에어로겔은 아주 약할 수 있으며 당연히 생소하겠지만 극히 작은 부피에서 극도의 절연성이 요구되는, 지구와 연관성이 더 많은 분야들에 사용되어왔습니다.
금속 3D 프린팅, 고급 열처리, 항공우주 복합소재 등
역사적으로 볼 때, 금속 세공의 발전은 사회를 발전시켰습니다. 금속이 그 자체로는 신소재가 아니지만 금속 3D 프린팅 기술로 인해 그 전에는 불가능했을 형태를 만들 수 있게 되었습니다. 3D 프린팅이 로켓의 제조에 광범위하게 사용되는 것을 생각해 보십시오.
3D 프린팅에 부수적으로, 금속을 가열하고 식혀서 그 특징을 개선하는 방법도 분명 우주 및 항공 엔지니어링 분야에 계속해서 사용될 것입니다. 금속, 실리콘, 그리고 탄소로 된 여러 가지 새로운 항공우주 부품들이 우리를 미래로 나아가게 해줄 거라고 기대해볼 수 있습니다.
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