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텍사스대 연구진, 극한 환경서의 용접 시뮬레이션 개발…정밀 3D 모델로 구조물 조립 검증
인류가 달이나 화성에 정착하려면, 극한 환경 속에서 구조물을 조립할 수 있는 신뢰성 높은 금속 용접 기술이 필수다. 이에 따라 미국 텍사스대학교 댈러스 캠퍼스(UT Dallas)의 기계공학 조교수 Dr. Wei Li가 NASA로부터 75만 달러의 연구 자금을 받아, 가상 용접 시뮬레이션 플랫폼을 통해 달 표면에서의 구조물 조립 실험에 착수했다.
이번 연구는 NASA의 ‘2024 Early Stage Innovations’ 프로그램의 일환으로 선정됐으며, 미국 내 6개 연구팀만이 선발되는 고위험·고수익형 우주 기술 프로젝트다. UT Dallas 기계공학과 학과장이자 존슨스쿨 의장직을 맡고 있는 Edward White 교수는 “Li 교수의 연구가 우주 탐사 안전성 확보에 핵심적인 역할을 할 것”이라고 밝혔다.
극저온·진공·저중력…달 환경이 금속 용접에 미치는 영향
Li 교수는 달 환경에서 용접 시 가장 큰 세 가지 도전 과제로 ▲섭씨 -233도에서 +127도에 달하는 극심한 온도 변화 ▲진공에 가까운 대기압 ▲지구의 1/6 수준에 불과한 중력을 꼽았다.
이러한 조건에서는 전통적인 용접 방식으로는 결함 없는 조인트 형성이 어렵고, 인장강도와 연성 균열(ductile crack) 문제가 발생할 수 있다. 그러나 장기적으로 달 표면에서 대형 구조물을 조립해야 하는 NASA의 목표를 고려하면, 현지 용접 기술의 확보는 필수 불가결하다.
가상 시뮬레이션 통해 전기 아크·레이저·전자빔 용접 검증
Li 교수 연구팀은 UT Dallas에 구축된 Comprehensive Advanced Manufacturing Lab 내에서 ‘다중물리 모델링’을 기반으로 한 가상 달 용접 플랫폼을 개발 중이다. 이 플랫폼은 전기 아크, 레이저, 전자빔(Electron Beam) 용접이 달 환경에서 어떻게 구현되는지를 정밀하게 시뮬레이션한다. 특히 직접 제작한 Directed Energy Deposition 장비는 금속 적층 제조에 주로 사용되는 장비로, 3D프린팅 기반의 비금속 재료 출력 기술(FDM)에도 활용 가능하다.
연구팀은 시뮬레이션 결과를 NASA 마셜 우주비행센터(Marshall Space Flight Center)의 Dr. Fredrick Michael 박사와 협업해 실제 우주 기반 실험 및 지상 시험, 과거 스카이라브(Skylab) 우주정거장 실험 데이터를 통해 검증할 계획이다.
Li 교수는 “달에서 기계 가공 공장을 세우는 것은 비현실적이지만, 지구에서 금속 부품을 운반해 달에서 조립하는 방식은 충분히 가능하다”며, “이번 연구가 달뿐 아니라 화성, 국제우주정거장(ISS) 등 다양한 우주 환경으로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.
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