우주에서도 장비를 직접 고친다, 화성의 공기로 금속을 출력하는 기술의 가능성

 

우주에서도 장비를 직접 고친다, 화성의 공기로 금속을 출력하는 기술의 가능성

장기간 우주 탐사와 행성 거주를 위해 반드시 필요한 기술 중 하나는 현지에서 필요한 물품을 직접 만들어내는 능력입니다. 특히 금속 부품은 우주선과 기지, 생명 유지 장치에 필수적인 요소입니다. 최근 연구에 따르면, 화성 탐사에서 값비싼 보호 가스를 지구에서 가져오지 않고도 화성의 대기를 활용해 금속 3D 프린팅이 가능할 수 있다는 가능성이 제시되었습니다. 이 글에서는 우주에서의 적층 제조 기술, 금속 3D 프린팅의 원리, 그리고 화성 대기를 활용한 새로운 접근법이 미래 우주 임무에 어떤 변화를 가져올 수 있는지를 자세히 살펴봅니다.

우주에서 물건을 직접 만드는 이유

우주 탐사는 극도로 제한된 환경에서 이루어집니다. 필요한 모든 도구와 부품을 지구에서 미리 준비해 가져간다는 것은 비용과 무게, 공간 측면에서 큰 부담이 됩니다. 특히 장기 체류를 전제로 한 달이나 화성 기지에서는 예상치 못한 고장과 마모가 발생할 가능성이 매우 높습니다.

이 때문에 우주 기관들은 오래전부터 ‘현지 자원 활용’이라는 개념에 주목해 왔습니다. 필요한 자원을 현장에서 조달하고, 장비를 직접 제작하거나 수리할 수 있다면 임무의 유연성과 생존 가능성은 크게 높아집니다. 이 개념의 핵심 기술 중 하나가 바로 적층 제조, 즉 3D 프린팅입니다.

3D 프린팅은 원재료를 한 층씩 쌓아 원하는 형태를 만들어내는 방식으로, 단순한 플라스틱 제품부터 복잡한 금속 부품까지 제작할 수 있습니다. 우주 환경에서는 이 기술이 단순한 편의성을 넘어, 임무 성공을 좌우하는 핵심 요소가 됩니다.

금속 3D 프린팅과 보호 가스의 역할

금속 3D 프린팅은 플라스틱 출력보다 훨씬 복잡한 공정을 필요로 합니다. 대표적인 방식 중 하나가 선택적 레이저 용융 방식으로, 미세한 금속 분말 위에 고출력 레이저를 쏘아 순간적으로 녹인 뒤 굳히는 과정을 반복해 부품을 만들어냅니다.

이 과정에서 가장 큰 문제 중 하나는 산화입니다. 지구 대기에는 산소가 풍부하게 존재하기 때문에, 고온 상태의 금속은 쉽게 산화되어 취약해질 수 있습니다. 산화가 발생하면 출력된 금속 부품은 쉽게 부서지거나, 기계적 강도가 크게 저하됩니다.

이를 방지하기 위해 산업용 금속 3D 프린터는 ‘보호 가스’를 사용합니다. 보호 가스는 출력 과정에서 산소를 밀어내고, 금속이 산화되지 않도록 돕는 역할을 합니다. 현재 가장 널리 사용되는 보호 가스는 아르곤으로, 화학적으로 매우 안정적인 기체입니다.

하지만 아르곤은 비용이 비싸고, 화성에는 거의 존재하지 않습니다. 이는 화성 임무에서 금속 3D 프린팅을 활용하려면, 무거운 아르곤 가스를 지구에서 운반해야 한다는 뜻이며, 임무 비용을 크게 증가시키는 요인이 됩니다.

화성의 대기를 보호 가스로 쓸 수 있을까?

최근 연구진은 이 문제에 대해 흥미로운 질문을 던졌습니다. “굳이 아르곤을 가져갈 필요가 있을까? 화성의 대기를 그대로 활용할 수는 없을까?” 화성의 대기는 대부분 이산화탄소로 이루어져 있으며, 표면 압력도 지구보다 훨씬 낮습니다.

처음 이 아이디어는 다소 모순적으로 보입니다. 이산화탄소에는 산소가 포함되어 있기 때문에, 산화를 막아야 하는 보호 가스로는 부적합해 보이기 때문입니다. 하지만 연구진은 실제 실험을 통해 이 가설을 검증했습니다.

연구에서는 동일한 금속 재료를 사용해, 아르곤, 이산화탄소, 그리고 일반 공기 환경에서 각각 금속 3D 프린팅을 진행했습니다. 그 결과, 이산화탄소 환경에서 출력된 금속은 아르곤만큼 완벽하지는 않았지만, 구조적으로 충분히 사용할 수 있는 수준의 품질을 보여주었습니다.

왜 이산화탄소가 어느 정도 효과를 보였을까?

이산화탄소가 완전히 산화를 막지는 못하지만, 예상보다 나은 결과를 보인 이유는 출력 과정의 물리적 조건에 있습니다. 레이저로 금속을 녹이는 극한의 온도에서는 이산화탄소가 부분적으로 분해되며, 산소가 방출됩니다.

그러나 중요한 점은 산소의 ‘압력’입니다. 지구 대기에서는 질소가 대부분을 차지하면서 산소를 금속 표면으로 밀어 넣는 효과가 강하게 작용합니다. 반면 이산화탄소 환경에서는 산소의 부분 압력이 상대적으로 낮아, 산소가 금속 용융부로 침투하는 정도가 줄어듭니다.

이 차이로 인해 이산화탄소 환경에서는 산화가 완전히 제거되지는 않지만, 출력 품질을 치명적으로 떨어뜨릴 정도로 진행되지 않는다는 사실이 확인되었습니다. 결과적으로, 핵심 구조물이 아닌 경첩이나 손잡이 같은 비중요 부품에는 충분히 활용할 수 있는 수준이라는 평가가 나왔습니다.

우주 탐사와 지구 산업에 미치는 영향

이 연구의 가장 큰 의의는 우주 탐사 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 가능성을 제시했다는 점입니다. 보호 가스를 지구에서 운반하지 않아도 된다면, 화성 임무의 물류 부담은 크게 줄어듭니다. 이는 장기 거주 기지 건설과 유지에 있어 매우 중요한 요소입니다.

또한 이 기술은 우주 탐사에만 국한되지 않습니다. 지구에서도 아르곤은 값비싼 가스이기 때문에, 일부 산업 분야에서는 이산화탄소를 대체 보호 가스로 활용하는 방안이 검토될 수 있습니다. 외형적 완성도보다는 기능성이 중요한 부품 제작에서는 비용 절감 효과가 클 수 있습니다.

물론 고정밀 항공우주 부품이나 안전이 최우선인 구조물에는 여전히 아르곤과 같은 고급 보호 가스가 필요할 것입니다. 하지만 모든 부품이 최고 수준의 품질을 요구하는 것은 아니라는 점에서, 선택지는 분명히 넓어집니다.

화성에서 장비를 고친다는 것의 의미

화성은 인간에게 매우 가혹한 환경입니다. 낮은 기압, 강한 방사선, 그리고 생명에 치명적인 화학 조건이 공존합니다. 하지만 그 환경 속에서도, 인간은 주변 조건을 활용해 생존하고 적응하는 방법을 찾고 있습니다.

화성의 대기를 이용해 금속 부품을 직접 출력한다는 발상은, 단순한 기술적 편의를 넘어 ‘현지에서 살아남는 방법’을 보여주는 사례라 할 수 있습니다. 외관이 다소 투박하더라도, 제대로 작동하는 부품 하나는 화성에서 생명을 지키는 결정적인 요소가 될 수 있습니다.

우주에서의 3D 프린팅은 더 이상 미래의 상상이 아닙니다. 얇은 공기, 아니 거의 공기에 가까운 환경 속에서도 장비를 고치고 만들어낼 수 있다면, 인류의 우주 활동 반경은 지금보다 훨씬 넓어질 것입니다. 이 작은 기술적 진보는, 장기적인 우주 거주라는 거대한 목표를 향한 중요한 한 걸음이 될 수 있습니다.