2019 SAM $1,000 대학 장학금 콘테스트 우승자

2019 스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈 $1,000 대학 장학금 콘테스트는 기록적인 수의 학생들이 지원한 가운데 지난달에 종료되었습니다. 우승자에게 축하의 인사를 전합니다:

찰스 보일
텍사스 대학교 오스틴

참가자들은 에세이를 작성하여 첨단 소재에 대한 자신의 경험을 공유하고 미래에 어떤 영향을 미칠지에 대해 이야기해야 했습니다.

미국 내 학생들로부터 200편 이상의 에세이를 제출받았고 찰스 보일이 1등을 차지했습니다. 그는 내화 금속에 대한 멋진 경험과 사려 깊은 아이디어를 에세이에 담아 1,000달러의 상금을 받았으며, 이 에세이를 허락을 받아 여기에 게시했습니다:

찰스 보일

2018년 초, 저는 곧 제 인생에서 가장 멋진 경험이 될 NASA 마샬 우주 비행 센터의 녹색 추진 연구소에서 봄 인턴십을 시작했습니다. 이 인턴십에서 저는 우주선 연료 공급을 위한 NASA 최초의 저독성 '친환경' 단일 추진제 로딩 시스템의 설계 및 제작과 친환경 추진제 인터페이스에 최적화된 CubeSat 가압 모듈의 설계라는 두 가지 주요 프로젝트에 참여했습니다. 이 두 가지 경험을 통해 저는 현재의 히드라진 단일 추진제 시스템에 비해 친환경 추진 시스템이 갖는 장점과 우주선 임무에서 친환경 추진제의 광범위한 사용을 방해하는 문제점에 대해 심도 있게 이해할 수 있었습니다.

NASA에서의 경험을 통해 저는 친환경 추진제와 관련된 주요 문제 중 하나는 아니더라도 적절한 연소를 위해 필요한 온도라는 사실을 발견했습니다. 연소실 어셈블리에 널리 사용되는 일반적인 재료는 친환경 추진제의 열분해와 관련된 지나치게 높은 온도를 견디지 못합니다. 친환경 추진제는 기존 단일 추진제에 비해 독성이 낮고, 임펄스 밀도가 높으며, 취급이 용이하다는 등 다양한 이점이 있지만, 일반 재료가 친환경 추진제와 관련된 고온 및/또는 산화 연소 환경을 견딜 수 없다면 이러한 추진 시스템은 불가능해집니다.

바로 이때 내화 금속이 등장합니다. 친환경 추진의 미래는 내화 금속(RM) 제조 기술의 발전에 달려 있습니다. 이리듐과 레늄과 같은 내화 금속은 지속적인 녹색 추진제 열분해와 관련된 온도를 견딜 수 있는 몇 안 되는 재료이기 때문에 녹색 추진제 추진기 설계에 가장 중요합니다. 그러나 제작 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 드는 제작 방법 때문에 친환경 추진 시스템의 사용은 일부 임무로 제한되었습니다. 또한 현재 친환경 추진 시스템에서 내화 금속을 사용하는 방법은 대부분 감산 제조로 제한되어 있습니다. DMLS 프린트 베드에 레늄 노즐을 인쇄하는 것과 같이 내화 금속과 관련된 적층 제조 기술은 상대적으로 미개척 분야입니다. 따라서 더 저렴한 RM 감산 제조 기술과 신뢰할 수 있는 RM 적층 제조 기술의 개발은 위성 추진 시스템 분야를 완전히 바꿀 수 있습니다. 이러한 RM 제조 역량을 통해 친환경 단추진 시스템은 히드라진 추진기와 같은 현재의 단추진 시스템을 완전히 대체할 수 있으며, 이를 통해 단추진 시스템의 평균 독성을 획기적으로 낮추고 임펄스 밀도를 크게 높일 수 있습니다.

이것이 왜 중요한가요? 내화 금속은 추진 과학 분야에서 매우 구체적인 기술적 문제임에도 불구하고 관련 제조 기술이 더 효율적으로 발전하면 항공우주 분야에 큰 영향을 미칠 것입니다. 친환경 추진제가 제공하는 주요 이점은 더 높은 임펄스 밀도, 즉 추진제의 단위 부피당 우주선에 제공할 수 있는 더 높은 임펄스입니다. 이것은 작은 기술적 세부 사항이 아닙니다. 임펄스 밀도가 높을수록 임무 설계 단계에서 획기적인 임무의 승인 여부가 달라질 수 있습니다. 다시 말해, 임펄스 밀도가 높다는 것은 공상 과학 소설에 불과했던 임무를 현실화할 수 있는 최종적인 요소가 될 수 있습니다.

예를 들어, 향후 10년간 가장 중요한 우주 비행 사업이 될 것으로 생각되는 임무는 화성 샘플 귀환(MSR) 임무입니다. 이 임무에서 가장 최첨단 엔지니어링이 필요한 분야는 화성 탐사선(MAV)입니다. MAV는 화성 표면 샘플을 화성 궤도로 끌어올리는 우주선입니다. 이러한 유형의 발사는 분명히 이전에는 한 번도 수행된 적이 없습니다. 대부분의 MAV 설계 시도는 고체, 하이브리드 또는 단일 추진제 추진 시스템을 사용하여 페이로드를 궤도로 운반하며, 제안된 MAV 추진 아키텍처는 일반적으로 페이로드를 화성 궤도로 가져오는 데 필요한 추진력을 제공하지 못합니다. 내화 금속을 사용하면 인류가 지금까지 수행한 가장 중요한 임무 중 하나를 성공으로 이끌 수 있습니다. RM 제조 기술을 '친환경' 고성능 MAV 추진 시스템 설계에 사용할 수 있는 수준까지 발전시키면 MSR 임무의 성공을 통해 인류가 화성 표면에 발을 딛는 데 한 걸음 더 가까워질 수 있습니다.

저보다 앞서간 뛰어난 항공우주 엔지니어들처럼, 저는 제 인생의 결과물이 인간과 로봇을 지구 궤도를 넘어 사람의 손길이 닿지 않은 천체로 쏘아 올리기를 원합니다. 이 꿈을 실현하려면 인류는 먼저 저렴하고 신뢰할 수 있는 차세대 추진 시스템을 만들어야 합니다. 내화 금속은 현재의 히드라진 단일 추진 시스템을 보다 효율적이고 신뢰할 수 있는 친환경 추진 시스템으로 전환할 수 있는 핵심 요소입니다. 이러한 친환경 추진 시스템은 결국 소형 위성 추진 분야에 혁명을 일으키고 인류가 우주 탐사의 미래를 위해 품고 있는 원대한 목표를 실현할 수 있게 해줄 것입니다.

참조: Cavender, D. P., Marshall, W. M., & Maynard, A. P. (n.d.). 2018 NASA 녹색 추진 기술 개발 로드맵.

잘 했어, 찰스! 대학 생활 내내 그리고 그 이후에도 행운이 함께하길 기원합니다.