[과학을 읽다]'kg당 단가'를 낮춰라…우주 개발 3D 도입 경쟁 치열

[아시아경제 김봉수 기자] 민간이 우주 개발을 주도하는 뉴스페이스(New Space) 시대의 가장 큰 걸림돌은 '돈'이다. 최대한 싼 값에 우주선을 만들고 위성을 쏘아 올려야 시장이 만들어져 손님이 유입되고 수익을 낼 수 있다. 이에 따라 전세계 각국에선 로켓 재활용과 모듈화된 위성 생산 등 비용을 낮추려는 노력이 계속되고 있다. 한국도 마찬가지다.

한국생산기술연구원은 3D프린팅제조혁신센터 손용 박사 연구팀이 금속 3D프린팅 기술로 우주 발사체용 추진제 탱크의 시제품 제작에 성공했다고 24일 밝혔다. 이 제품은 한국항공우주연구원의 성능평가에 합격한 것으로 알려져 기대감을 높였다. 연구팀은 금속 3D프린팅 기술을 적용해 두 개의 탱크를 한데 합친 공통격벽(두 개의 구가 위아래로 겹쳐진 형상)형태로 구현해 냈다. 기존의 발사체용 추진제 탱크는 '산화제'와 '연료' 탱크를 별도로 제작해 이어붙인 '숫자 8'의 형태로, 불필요한 여백이 생기고 부피도 커서 공간 효율성이 떨어졌다. 연구팀은 하나의 탱크 벽면 위에 또 다른 탱크를 바로 겹쳐 쌓아 올리는 제작 기법을 고안했다. 이는 소형발사체 상단 설계 시 공간 효율성은 12% 높이고, 부품무게는 27% 낮춰 경량화에 크게 기여했다.

생기원 측은 "3D프린팅 기술이 시제품 제작 수준을 넘어서 실제 현장에 적용하는 상용화 단계까지 도달했음이 검증된 것"이라며 "앞으로 3D프린팅 기술이 성형, 용접 및 절삭 등의 전통적 우주발사체 탱크 생산방식을 대체하고, 구조 설계의 자유도 향상, 공정 자동화, 제작 기간 단축 등의 효과를 이끌어 낼 것으로 기대된다"고 밝혔다.

이처럼 우주 로켓ㆍ위성 제작의 비용을 낮추기 위한 노력은 이미 전세계적으로 활발하다. 3D프린팅을 통한 우주 로켓 제작의 선두 주자로 꼽히는 렐러티비티 스페이스라는 미국의 우주 개발 스타트업은 3D 프린터로 로켓 대부분의 부품과 자재를 만들고 있다. 부품 수를 기존의 100분의1로 줄이고 제작기간도 두 달로 단축한다는 게 이 회사의 목표다. 자체적으로 세계에서 가장 큰 금속 3D 프린터인 스타게이트(stargate)를 개발해 우주로켓을 제작 중이며, 이미 액체연료 엔진인 '이온(Aeon)'을 3D 프린팅으로 만들어 300회 이상 연소시험을 완료하는 등 상당한 성과를 거둔 상태다.

전통적으로 우주 로켓을 제조할 경우 일일이 수천개에 달하는 부품을 하나 하나를 금형이나 주조의 과정을 거쳐야 막대한 비용과 시간, 인력이 필요하다. 그러나 3D 프린팅으로 제작할 경우 이를 획기적으로 줄일 수 있다. 이에 미국 항공우주국(NASA)나 민간 우주업체 스페이스X 등도 3D 프린팅을 통해 부품을 제작하고 있다.

그만큼 현재 우주 로켓ㆍ위성을 제작해 발사하는 데에는 막대한 비용이 들고 있다. 항우연에 따르면 현재 여러 개의 위성을 한꺼번에 수송할 수 있는 중대형 로켓의 경우 보통 1kg당 2000만원 안팎이 든다. 미국의 아틀라스V를 예로 들어 살펴 보면, 1회 발사 비용은 2015년 기준 1억6000만달러에 달하는 데 이 로켓의 최대 탑재 중량은 8.1t에 불과하다. 1kg 당 약 1만9700달러가 들어가는 셈이다. 그러다 최근 민간 우주 개발 붐을 선도하고 있는 스페이스X가 파격적인 비용 절감에 나서면서 전세계적으로 우주산업 가격 경쟁에 불이 붙은 상태다.

스페이스X는 3D 프린팅 도입과 로켓 재활용 등을 통해 회당 발사 비용을 6100만달러까지 줄였고, 앞으로 이를 600만달러대까지 낮춘다는 계획을 밝힌 상태다. 이에 프랑스의 아리안스페이스는 차세대 발사체 아리안6의 발사 비용을 현재 1억6000만달러에서 7000만달러대로 낮출 예정이며, 일본의 미쓰비시중공업도 차세대 로켓 H3의 발사 비용을 기존의 절반인 50억엔 대로 낮출 계획이다. 일론 머스크의 스페이스X와 경쟁을 벌이고 있는 제프 베조스 아마존 CEO의 블루오리진도 재활용 로켓 개발을 통해 경쟁에 뛰어든 상태다.

한편 한국이 오는 10월 발사할 예정인 첫 한국형 우주 발사체 '누리호'는 약 1조9570억원을 들여 개발했지만 페이로드(탑재 가능 화물 중량)은 1.5t이다. 1kg당 약 13억원 가량의 비용을 들였다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr