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1865년 쥘 베른의 소설 ‘지구에서 달까지’가 발표된 후 1969년 아폴로 11호가 최초로 달 착륙에 성공했다. 올해로 50주년을 맞아 달 착륙을 가능하게 한 첨단 과학기술이 새롭게 주목받고 있다. 아폴로 프로그램은 우주선, 우주복, 동결건조식품, 비행제어장치, 집적회로 등 수많은 과학기술의 집합체로 여기서 얻은 과학기술은 인류의 삶을 혁신적으로 바꿔놓았다. 2012년 미 항공우주국(NASA)이 집계한 자료에 따르면 아폴로 프로그램이 근간이 된 스핀오프(spin-off·파생상품) 제품은 1800여개에 이른다. 이처럼 아폴로 프로그램은 첨단소재 개발을 촉진했다.
초기 미국 우주개발 프로그램은 열과 태양에 견딜 수 있고, 산소와 오존층을 통과할 수 있으며, 미세 운석 충격을 견딜 수 있는 경량재료에 주목했다. 우주선을 위한 재료개발과 관련된 집중 프로그램이 추진되면서 처음에는 지구 대기권에 재진입할 때 발생하는 고온을 고려해 우주선 표면을 니켈 초합금으로 만들자고 제안했다. 하지만 무게를 더 줄여야 했기에 알루미늄 합금이 아폴로 프로그램에 채용됐다. 열 충격을 보완하기 위해 탄소강화섬유로 우주선 앞부분을 감싸고 우주선 외부를 실리카와 세라믹 등으로 만든 단열 타일로 덮었다. 아폴로 프로그램에서 재료의 중요성을 깨달은 NASA는 이후 금속, 합금, 세라믹, 고분자, 복합체 등 추진체에 사용하는 재료와 전자회로에 쓰이는 반도체 소재 등 다양한 재료를 시험했다. 우주재료 핵심기술은 이후 1980년대 우주왕복선 프로그램에 계승돼 오늘날 우주선과 항공기 재료의 기반을 다지고, 최근엔 우주방사선 영향에 대비한 안전한 전자재료와 대기권 산소 영향을 억제한 고분자재료 등이 추가로 개발됐다.
우주선과 항공기 재료는 기본적으로 가볍고 튼튼해야 한다. 대기권을 벗어나 우주를 항해하는 우주선은 우주의 고온·저온·고압의 극한 환경에서 구조와 특성을 유지해야 한다. 대기권을 초고속으로 통과할 때 급격한 물리적·화학적 변화도 견뎌야 한다. 우주선 제작은 성능과 신뢰성은 물론 가공성과 가격 측면도 고려해야 한다. 그런 면에서 알루미늄, 티타늄, 니켈 합금, 탄소 복합재료 등 재료개발은 우주개발에 크게 기여했다. 알루미늄은 강철보다 밀도가 세 배 작고 표면에 얇고 치밀한 산화막을 형성해 잘 부식되지 않는다. 순수한 알루미늄은 가볍지만 연하고 쉽게 변형되는 단점이 있다. 그래서 알루미늄의 가벼운 밀도를 최대한 활용해 합금으로 만든다. 독일의 알프레드 빌름이 개발한 ‘두랄루민’은 알루미늄에 구리와 마그네슘을 섞은 합금이다. 섭씨 500도로 가열한 후 물에 넣어 급히 식히면 서서히 합금의 강도가 증가한다. 이렇게 일정 온도에서 합금의 강도가 증가하는 현상을 ‘시효경화’라 하는데 안전하게 녹을 수 있는 한계를 넘으면 첨가한 금속이 서서히 석출되면서 재료를 강하게 만든다. 두랄루민의 발명은 항공산업 발전을 급속히 촉진했다. 알루미늄보다 가벼운 리튬과 마그네슘도 꾸준히 개발되고 있다.
아폴로 11호에 사용된 우주복은 극한 환경에 견딜 수 있도록 듀폰이 발명한 나일론계 고분자인 노멕스와 캡톤 폴리이미드 필름이 채용됐다. 이로 인해 달 표면에 착륙한 우주비행사는 섭씨 123도에서 영하 233도를 오가는 극한 우주 환경에서 생존할 수 있었다. 현재 국제 우주정거장과 제임스 웹 우주망원경의 몸체에 듀폰의 캡톤과 케블라 섬유가 사용되며, 화성 탐사선에도 탑재될 전망이다. 아폴로 프로그램에 적용된 재료는 현재까지 다양한 초경량·고강도 첨단소재 개발을 촉진하며 자동차, 항공기, 스마트폰 기술 발전을 선도하고 있다.
아폴로 11호의 달 착륙은 인류의 꿈이 실현될 수 있다는 확실한 증거를 보여줬다. 이제 달이나 화성 표면에 인류가 정착한다면 지구에서 모든 자원을 옮길 수 없기에 착륙 후 표면의 재료를 활용해 건축물을 만들어야 한다. 2017년 ‘케미스트리 월드’ 보고에 따르면, 지구에서 공수한 플라스틱 쓰레기를 우주 먼지나 암석과 혼합해 3D 인쇄기술로 벽돌을 만드는 기술이 제안됐다. 지난 50년 동안 재료개발은 우주기술과 함께 발전했으며, 그 덕분에 인류의 꿈은 지금도 계속 나아가고 있다.
원병묵 성균관대 교수 신소재공학
