요약:
미국 아칸소 대학교 연구팀은 최근 미래의 달 정착을 위한 중요한 기술적 혁신을 보여주었습니다. 연구원들은 시뮬레이션된 달 토양을 사용하여 추가 바인더나 기타 재료를 추가하지 않고도 함께 접합할 수 있는 빌딩 블록과 같은 빌딩 모듈을 직접 만드는 데 성공했습니다. 이는 미래에 달에 기지를 건설할 때 우주비행사가 지역 자원을 광범위하게 활용하고 지구에서 건설 자재를 운반할 필요성을 줄일 수 있음을 의미합니다.
연구원들은 이 아이디어를 거대한 레고 모델을 만드는 것에 비유했습니다. 차이점은 건축 자재가 더 이상 플라스틱 빌딩 블록이 아니라 달 표면에 펼쳐져 있는 달 토양으로 만들어진 연동 모듈이라는 점입니다. 이러한 모듈은 더 큰 구조물로 접합 및 결합될 수 있어 향후 영구적인 달 기지 건설을 위한 새로운 가능성을 제공합니다.
이번 연구에서는 아폴로 달 착륙 임무에서 가져온 달 샘플의 특성을 기반으로 개발된 LHS-1이라는 상업용 모의 달 토양 물질을 사용했습니다. 지구의 토양과 달리 달의 토양에는 유기물이 포함되어 있지 않습니다. 대신, 수십억 년 동안 소행성, 미세운석, 다양한 우주 잔해가 달에 충돌하면서 형성된 날카로운 입자로 구성되어 있습니다.
연구 결과는 'NPJ Advanced Manufacturing' 저널에 게재되었습니다. 논문의 제1저자는 아칸소대학교 학부생인 Cole McCallum이고, 교신저자는 기계공학과 조교수인 Wan Shou입니다.
실험에서 연구팀은 '레이저 파우더 베드 융합'이라는 3D 프린팅 기술을 사용했습니다. 이 공정은 플랫폼 위에 얇은 분말 층을 놓은 다음 고에너지 광원을 사용하여 특정 영역을 가열하고 소결을 통해 입자를 서로 결합시키는 것으로 시작됩니다. 그런 다음 플랫폼을 낮추고 새로운 분말 층을 깔고 프로세스를 반복하여 궁극적으로 3차원 물체를 층별로 쌓아 올립니다.
연구팀은 이전에 달 토양의 3D 프린팅을 달성했지만 일반적으로 구조적 강도를 높이기 위해 추가 바인더를 추가해야 했습니다. 그러나 이러한 자재가 미래에 달 건설에 사용된다면 여전히 지구에서 운송해야 하므로 비용이 증가하고 임무가 복잡해집니다.
이번에 아칸소 대학교 팀은 상대적으로 저전력 광원에만 의존하여 바인더를 사용하지 않고 시뮬레이션된 달 토양을 재구성 가능한 건물 모듈로 직접 소결할 수 있음을 처음으로 시연했습니다. 연구원들이 설명했듯이, 달 토양 입자는 연결을 완료하기 위해 외부 물질에 의존하기보다는 자체 결합됩니다.
실험에서 제작된 모듈의 크기는 수cm 정도이며, 형태로는 십자형과 'H'형 구조가 있다. 이러한 모듈은 레고 블록처럼 서로 결합되어 더 큰 빌딩 시스템을 형성할 수 있습니다.
그러나 연구자들은 이 기술이 실제로 달 공학에 사용되기에는 아직 거리가 멀다고 지적했습니다. 테스트 결과에 따르면 순수 모의 달 토양으로 만든 모듈의 내부 다공성은 높고 구조적 강도는 바인더로 만든 유사한 제품보다 여전히 약한 것으로 나타났습니다.
McCallum은 현재 제조된 구조물은 이미 자립형이지만 현 단계에서는 더 높은 하중을 견딜 수 있다는 보장이 없기 때문에 아직 하중을 지탱하는 건축 자재로 직접 사용하기에는 적합하지 않다고 말했습니다.
또한 팀은 실제 달 환경에서 이 기술의 성능을 추가로 검증해야 합니다. 연구진은 달의 낮은 중력과 진공 상태가 인쇄 과정에 영향을 미칠 수 있어 실제 달 표면 환경에서 기술의 타당성을 이해하기 위해서는 더 많은 실험이 필요하다고 지적했다. 동시에 연구팀은 기계적 강도와 내구성을 높이기 위해 소재 특성도 개선할 계획이다.
이에도 불구하고 Shouwan 교수는 기술의 미래에 대해 여전히 낙관적입니다. 그는 추가적인 자재가 필요하지 않은 이러한 제조 방식이 향후 달의 장기 정착지 건설을 위한 중요한 기초 기술이 되어 달의 건축 자재 및 인프라 생산에 효율적인 솔루션을 제공할 것으로 기대하고 있다.
제1저자인 McCallum에게도 이 연구는 그의 과학 연구 경력에 있어 중요한 출발점이 되었습니다. 미국 아칸소 주 리틀록 출신인 그는 학부생으로서 과학 연구에 참여하기 위해 연구소에 합류했으며, 교수진의 격려를 받아 적층 제조에 대한 심층적인 연구를 수행했습니다.
올해 5월 맥칼럼은 기계공학과 물리학을 복수전공하여 졸업하고 최초의 '라파예트 장학금'을 받았습니다. 이 프로그램은 미국 건국 250주년을 기념하기 위해 만들어졌습니다. 3,400명이 넘는 지원자 중 프랑스에서 석사 학위를 취득하기 위해 단 30명의 학생만이 선발되었습니다.
현재 그는 프랑스 툴루즈에 있는 Ecole Supérieure de l'Aerospace에서 항공우주공학을 공부하고 있습니다. 비록 그의 연구 방향이 적층 제조에서 항공우주 분야로 바뀌었지만, 달 토양 구축 모듈 프로젝트에 참여한 경험이 과학 연구 경험을 미리 축적하는 데 도움이 되었고, 실험 실패와 연구 과제에 직면했을 때에도 더 침착하게 됐다고 말했습니다.
연구팀은 제조 공정과 재료 성능이 더욱 향상됨에 따라 달의 현지 자원을 활용하여 건축 자재를 직접 생산한다는 아이디어가 실험실에서 현실로 옮겨져 미래에는 인류가 영구적인 달 기지를 건설할 수 있는 길을 열 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
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