달걀 껍질 본뜬 ‘우주 갑옷’…충돌 속도 65% 줄였다

우주선이 우주 쓰레기와 충돌하는 것을 막는 데 달걀 껍질 모양을 본뜬 갑옷이 큰 역할을 할 전망이다.

중국 다롄이공대학 연구진이 우주쓰레기 충돌로부터 우주선을 보호하기 위해 달걀 껍질을 본뜬 생체모방형 경량 메타구조를 개발했다고 과학매체 인터레스팅엔지니어링이 최근 보도했다. 해당 연구 결과는 국제 학술지 ‘응용물리학 저널(Journal of Applied Physics)’에 이번 주 게재됐다.

우주선 발사 횟수가 증가하면서 지구 궤도에는 우주쓰레기가 빠르게 늘어나고 있다. 현재 지구 궤도에는 1cm 이상 크기의 금속 파편과 페인트 조각, 로켓 잔해 등 약 100만 개의 물체가 존재하는 것으로 추정된다. 이들은 시속 수만㎞에 달하는 속도로 이동하기 때문에 작은 파편 하나만으로도 위성이나 우주망원경, 유인 우주정거장 등에 심각한 피해를 줄 수 있다.

과학자들은 우주쓰레기 충돌을 견디면서도 무게를 줄일 수 있는 새로운 우주선 보호재를 개발하기 위해 연구를 이어오고 있다.

달걀 껍데기 모양 구조물에 액체를 채워 격자구조로 배열하면 외부 충격을 상당 부분 완화할 수 있다. (사진=중국 다롄이공대학)

중국 연구진은 달걀 껍질 구조에 주목했다. 연구팀은 속이 빈 알루미늄 달걀 껍질을 3D 프린팅으로 제작해 격자 형태로 배열한 뒤, 이를 두 개의 금속 충격판 사이에 넣어 경량 메타구조를 만들었다. 이 구조는 강한 충격이 가해졌을 때 발생하는 에너지를 효과적으로 흡수하고 분산시키도록 설계됐다.

논문 저자 왕위신(Yuxin Wang)은 “자연계의 생물학적 구조는 오랜 적응 과정을 거치면서 뛰어난 에너지 흡수 능력을 갖도록 진화해 왔다”고 설명했다.

달걀 껍질 구조에 물을 더하다

연구진은 달걀 껍질 하나는 국소적인 충격에 쉽게 깨지지만, 여러 개를 격자 형태로 배열하면 충격에 훨씬 강한 구조를 만들 수 있다는 점에 착안했다.

왕 교수는 “달걀 껍질 하나는 국소적인 힘을 받으면 쉽게 깨지지만, 달걀 껍질을 배열한 구조의 보호 메커니즘은 완전히 다르다”며 “각 달걀 껍질 구조가 서로 협력해 변형되면서 국소적인 충격 하중을 메타구조 전체로 분산하고 에너지를 소산시켜 보호판의 내충격성을 크게 높일 수 있다”고 설명했다.

연구진은 알루미늄으로 만든 달걀 껍질 내부에 물을 채우면 충격 흡수 성능이 더욱 향상된다는 점도 확인했다. 고속 충돌이 발생하면 내부의 물이 움직이면서 충격 에너지를 분산, 감쇠해 충격이 구조물 전체로 전달되는 것을 줄여준다.

연구진은 3D 프린팅 실험과 시뮬레이션을 통해 단단한 알루미늄 판, 물로 채운 알루미늄 구체, 달걀 껍질 형태의 메타구조를 비교했다. 그 결과 물을 채운 격자형 달걀 껍질 구조가 다른 설계보다 우수한 성능을 보였다. 충돌체의 속도를 최대 약 65%까지 감소시켰으며, 단단한 알루미늄 판의 경우 감속률이 약 51%에 그쳤다.

달걀 껍질을 배치하는 방향에 따라서도 성능에 차이가 나타났다. 여러 형태를 시험한 결과, 달걀을 세운 상태에서 뾰족한 부분이 위쪽 충격판을 향하도록 배치한 구조가 가장 효과적인 것으로 나타났다.

왕 교수는 “이번 연구는 생체모방형 경량 메타구조가 초고속 충격으로부터 구조물을 보호하는 데 유망한 접근법이 될 수 있음을 보여준다”며 “이번 연구를 계기로 생체모방형 보호 구조에 대한 관심이 더욱 높아지기를 기대한다”고 말했다.