플로리다 대학교 학생들은 레이저로 금속을 구부려 궤도에 거대한 구조물을 건설하고 있습니다.

NOM4D 프로젝트는 레이저를 사용하여 무중력 상태에서 금속을 구부려 우주선을 부유 공장으로 탈바꿈시켜, 더 가벼운 발사체와 지구 상공에 조립되는 거대한 구조물을 구현할 수 있을 것으로 기대됩니다. 출처: Shutterstock

광활한 우주의 진공 속에서는 지구에 국한된 제약이 더 이상 적용되지 않습니다. 바로 그곳에서 플로리다 대학교 공학부 부교수 빅토리아 밀러 박사와 그녀의 학생들은 가능성의 한계를 넓히고 있습니다.

플로리다 대학의 엔지니어링 팀은 DARPA(국방 고등 연구 계획국)와 NASA의 마셜 우주 비행 센터와 협력하여 레이저 기술을 사용하여 궤도에서 정밀 금속 구조물을 제조하는 방법을 연구하고 있습니다.

"우리는 우주에서 거대한 것들을 만들고 싶습니다. 우주에서 거대한 것들을 만들려면 우주에서 물건을 제조해야 합니다. 이것은 흥미로운 새로운 영역입니다."라고 밀러는 말했습니다.

플로리다대 허버트 워타임 공과대학 재료과학공학과 부교수인 밀러는 NOM4D(신규 궤도 및 달 제조, 재료 및 대량 효율 설계)라는 프로젝트가 우주 인프라 개발에 대한 사람들의 생각을 변화시키고자 한다고 말했습니다. 첨단 레이저 기술을 사용하여 제작된 100미터 태양 전지판처럼 궤도에 거대한 구조물을 건설하는 모습을 상상해 보세요.

"위성 안테나, 태양 전지판, 우주 망원경, 심지어 우주 정거장의 일부와 같은 대규모 구조물이 궤도에 직접 건설되는 것을 보고 싶습니다. 이는 지속 가능한 우주 운영과 장기 임무 수행을 향한 중요한 진전이 될 것입니다."라고 재료 과학 및 공학 박사 과정 3학년생이자 팀원인 티안첸 웨이가 말했습니다.

플로리다 대학교는 이 선구적인 연구를 3단계에 걸쳐 수행하기 위해 110만 달러 규모의 DARPA 계약을 체결했습니다. 밀러는 다른 대학들이 우주 제조의 다양한 측면을 탐구하는 반면, 플로리다 대학교는 우주 응용 분야를 위한 레이저 성형에 특화된 유일한 대학이라고 말했습니다.

NOM4D 프로젝트의 주요 과제는 로켓 화물의 크기와 무게 제한을 극복하는 것입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 밀러의 팀은 금속에 정밀한 패턴을 새겨 모양을 만드는 레이저 성형 기술을 개발하고 있습니다. 제대로 구현되면 레이저에서 발생하는 열이 사람의 손길 없이 금속을 구부릴 수 있으며, 이는 궤도 제조를 현실화하는 데 중요한 단계입니다.

"이 기술을 사용하면 지구에서 완전히 조립된 구조물을 발사하는 것보다 훨씬 효율적으로 우주에 구조물을 건설할 수 있습니다."라고 재료 과학 및 공학을 전공하는 박사 과정 3학년생인 팀원 네이선 프립은 말했습니다. "이 기술은 우주 탐사, 위성 시스템, 심지어 미래 거주지까지 다양한 새로운 가능성을 열어줍니다."

밀러는 레이저 굽힘은 복잡하지만 금속에서 올바른 모양을 얻는 것은 방정식의 일부일 뿐이라고 말했습니다.

"가장 어려운 점은 레이저 성형 공정 중에 재료의 물성이 양호하게 유지되거나 향상되도록 하는 것입니다."라고 그녀는 말했습니다. "이 판금을 구부릴 때 구부러진 부분이 여전히 매우 우수한 물성을 유지하고 적절한 유연성을 유지하면서도 강하고 질기게 만들 수 있을까요?"

밀러의 학생들은 재료를 분석하기 위해 알루미늄, 세라믹, 스테인리스 스틸에 대한 통제된 테스트를 실시하여 레이저 입력, 열, 중력과 같은 변수가 재료의 구부러짐과 거동에 어떤 영향을 미치는지 평가하고 있습니다.

"저희는 다양한 금속이 레이저 에너지에 어떻게 반응하는지에 대한 자세한 데이터를 수집하기 위해 여러 가지 통제된 실험을 진행하고 있습니다. 금속이 얼마나 휘어지고, 얼마나 가열되고, 열이 금속에 어떤 영향을 미치는지 등을 측정합니다. 또한 재료 특성과 레이저 에너지 입력을 기반으로 온도와 휘어짐 정도를 예측하는 모델도 개발했습니다."라고 웨이는 말했습니다. "저희는 모델링과 실험을 통해 끊임없이 학습하며 공정에 대한 이해를 심화하고 있습니다."

이 연구는 2021년에 시작되어 상당한 진전을 이루었지만, 우주에서 사용하기 위해서는 기술이 더욱 발전해야 합니다. 바로 이러한 이유로 NASA 마셜 우주 센터와의 협력이 매우 중요합니다. 플로리다 대학교 연구원들은 NASA가 제공한 열 진공 챔버 내에서 우주와 유사한 환경에서 레이저 성형을 시험함으로써 기술 준비 수준(TRL)을 획기적으로 높일 수 있습니다. 프립은 이 챔버를 활용하여 재료가 우주의 혹독한 환경에서 어떻게 반응하는지 관찰하는 시험을 주도합니다.

"레이저 매개변수, 재료 특성, 대기 조건 등 여러 요인이 최종 결과를 크게 좌우할 수 있다는 것을 확인했습니다. 우주에서는 극한의 온도, 미소 중력, 진공과 같은 조건이 재료의 거동을 더욱 변화시킵니다. 따라서 우주에서 안정적이고 일관되게 작동하도록 성형 기술을 조정하는 것은 복잡성을 한층 더 가중시킵니다."라고 프리프는 말했습니다.

또 다른 중요한 단계는 제조 공정에 피드백 루프를 구축하는 것입니다. 센서가 굽힘 각도를 실시간으로 감지하여 레이저 경로에 대한 피드백 및 재보정을 가능하게 합니다.

프로젝트가 마지막 해인 2026년 6월에 마무리됨에 따라, 레이저 성형 공정에서 재료의 무결성을 유지하는 것과 관련된 의문점들이 여전히 남아 있습니다. 그럼에도 불구하고 밀러의 팀은 낙관적인 전망을 유지하고 있습니다. 플로리다 대학교는 시뮬레이션과 레이저 시험을 통해 새로운 건설 시대로 한 걸음 더 다가가고 있습니다.

웨이는 "지구상뿐 아니라 그 너머의 제조업에서 가능성의 경계를 넓혀가는 팀의 일원이 된다는 건 정말 멋진 일이에요."라고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250701020719.htm