[뉴스스페이스=이승원 기자] 중국 다롄이공대 연구진이 달걀껍데기의 곡면 기하학을 모방한 물 충전형 알루미늄 메타구조로 초고속 충돌체의 속도를 약 65% 줄일 수 있다는 실험·해석 결과를 내놨다.

NASA, phys, discovermagazine, nationalacademies, orbitalradar에 따르면, 단순 알루미늄 판의 속도 저감률 약 51%보다 14%포인트 높은 수치로, 저궤도 우주파편 방호재를 ‘두껍고 무거운 장갑’에서 ‘충격을 분산·소산하는 구조 설계’로 전환할 가능성을 보여준다. 다만 실제 우주선 적용을 위한 실물 크기 시험, 진공·열사이클 환경 검증, 질량 대비 방호성능 검증 등은 아직 남아 있다.

달걀 형상에 물을 결합하다

왕위신(Yuxin Wang) 연구진의 논문은 9월 8일 미국물리학협회(AIP) 학술지인 Journal of Applied Physics에 ‘Dynamics analysis on the water-filled aluminum eggshell array metastructure under hypervelocity impact’라는 제목으로 공개됐다. 논문의 DOI는 10.1063/5.0324502다. 연구진은 속이 빈 알루미늄 ‘달걀’ 유닛을 3D 프린팅으로 제작해 배열하고, 이를 두 장의 알루미늄 충격판 사이에 넣는 구조를 설계했다.

핵심은 개별 쉘의 강도 자체보다 배열 전체의 협동 변형(cooperative deformation) 이다. 충격체가 한 지점에 가한 하중이 달걀형 유닛 하나에 집중돼 즉각 파손되는 대신, 인접 유닛을 포함한 전체 배열로 전달된다. 그 과정에서 각 유닛이 순차적으로 찌그러지고 변형되면서 운동에너지를 넓은 영역에서 소산하는 방식이다. 연구진은 이를 “국부 충격 하중을 메타구조 전체의 분산된 에너지 소산으로 변환하는 메커니즘”이라고 설명했다.

알루미늄 쉘 내부에 물을 채운 것이 두 번째 장치다. 고속 충격 때 내부 물이 움직이며 충격파의 전파를 억제하고 에너지를 흡수한다. 즉, 알루미늄 쉘의 소성변형·붕괴와 내부 유체의 운동 및 감쇠가 결합하는 복합 방호 구조다. 이는 단순히 금속판을 두껍게 만드는 방식보다 충격파 관리에 초점을 둔 접근으로 해석할 수 있다.

65% 대 51%의 의미

연구진은 시뮬레이션과 3D 프린팅 기반 시험을 통해 세 가지 구조를 비교했다. 일반 알루미늄 판, 알루미늄 판 사이에 물을 넣은 알루미늄 구형 유닛을 넣은 구조, 그리고 물을 채운 달걀형 알루미늄 쉘 배열 구조다. 가장 높은 성능은 물 충전형 달걀 쉘 배열에서 나왔다.

특히 ‘65%’는 방호막이 충격체를 완전히 무력화했다는 의미가 아니라, 해당 연구가 설정한 시험 및 해석 조건에서 충돌 뒤 발사체 속도가 약 65% 감소했다는 뜻이다. 따라서 이를 곧바로 실제 궤도 환경의 관통 방지율, 우주선 생존 확률 또는 탑재체 손상 감소율로 환산하는 것은 근거가 부족하다. 이 연구의 수치는 구조 콘셉트의 상대적 성능을 보여주는 초기 지표로 보는 것이 타당하다.

배열의 방향도 성능을 좌우했다. 연구진은 달걀 유닛을 세워 배치하고, 좁은 쪽 끝단이 상부 충격판과 접하도록 한 방향에서 가장 높은 성능을 확인했다. 달걀의 비대칭 곡면이 압축하중의 전달 경로와 초기 좌굴·붕괴 양상을 바꾸기 때문이다. 이는 향후 차폐막 설계가 소재 조성뿐 아니라 쉘의 종횡비, 벽 두께, 충전율, 유닛 간 간격, 배치 방향까지 동시에 최적화해야 한다는 점을 시사한다.

왜 우주파편 문제인가

이 기술이 주목받는 배경은 저궤도(LEO)의 파편 밀도와 충돌 속도다. NASA는 직경 10cm 이상 우주파편이 2만1000개 이상 알려져 있고, 직경 1~10cm 파편은 약 50만개, 1cm 미만 입자는 1억개를 넘는 것으로 추산한다. 

NASA에 따르면 저궤도 파편은 통상 초속 7~8km로 지구를 돌고, 우주선과의 평균 충돌속도는 약 초속 10km에 이른다. 크기가 작더라도 속도가 매우 높기 때문에 충돌 에너지가 크며, 그래서 사람이 타는 모듈·고압 탱크·연료계통·태양전지판 등 핵심 부품에는 다층 차폐 설계가 필수적이다. NASA는 국제우주정거장(ISS)의 핵심 구성품이 통상 직경 1cm 수준 파편 충격까지 견디도록 방호돼 있다고 설명한다.

‘와플 차폐막’ 이후의 실용화 과제

이 관점에서 이번 연구의 산업적 의미는 ‘완전히 새로운 우주 방패’의 등장이라기보다, 기존 다층 차폐 기술에 결합할 수 있는 경량 에너지 소산층 후보를 제시했다는 데 있다. NASA 역시 우주파편 방호를 초고속 충돌 시험으로 평가하고, 더 적은 질량 페널티로 방호력을 높일 신소재·신구조를 개발하는 분야로 규정하고 있다.

우주선 파편 방호에는 일반적으로 ‘휘플 실드(Whipple shield)’ 계열의 다층 구조가 널리 쓰인다. 외부 범퍼가 고속 파편을 먼저 파쇄·분산하고, 뒤쪽 벽체가 남은 파편 구름과 에너지를 견디는 개념이다. 알루미늄 달걀 배열은 그 사이 공간 또는 후면 방호층에서 충격 에너지를 더 효과적으로 분산시키는 보완재가 될 수 있다.