생각신문 24.05.08.

 

스페이스 파운드리

중국 우주 정거장 텐궁

우주에 국가 명운 건 룩셈부르크

야마카와 히로시 "도요타·미쓰비시와 영하 170도 견디는 달 오프로드車 개발"

'우주 방사선' 견디는 반도체 뜬다

구리 이어 아연·니켈값 상승세

 

온통 우주이야기이다. 미국, 중국, 일본, 룩셈부르크는 앞서가고 있다. 한국도 우주청을 설립하니 이제부터 달려보자. 삼성, SK하이닉스는 우주방사선을 이겨낼 수 있는 반도체도 만들어야 한다. 

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스페이스 파운드리

올해 미국 항공우주국(NASA)에서 가장 뜨거운 연구 주제는 ‘우주 제조’다. 인류를 달에 보내는 데 초점이 맞춰진 아르테미스 프로젝트의 다음을 준비하겠다는 취지다. 7일 과학계에 따르면 NASA는 최근 달 대장간(lunar forge), 이른바 ‘스페이스 파운드리’를 주제로 아이디어 대회를 열었다. 우주 공간에서 스스로 자원을 조달해 우주 탐사의 지속 가능성을 확보하기 위해서다.

미국 매사추세츠공대(MIT) 등 7개 대학이 참가한 가운데 다양한 아이디어가 쏟아졌다. 대상인 아르테미스상은 ‘카르보닐 철 정제’ 솔루션을 제시한 유타대가 차지했다. 달 표토에서 철을 추출한 다음 고순도 분말로 정제해 공장 건설에 쓸 3차원(3D) 프린팅 재료를 조달하겠다는 구상이다. 지구에서의 조달을 최소화하겠다는 NASA의 ISRU(현지 자원 활용) 프로젝트 목표와 일치했다.

니키 베르크하이저 NASA 우주기술임무국 리더는 “인류가 달에서 직접 금속을 가공, 처리하는 시스템을 구축해야 미래로 나아갈 수 있다”고 말했다.

스페이스 파운드리의 또 다른 축은 국제우주정거장(ISS)이다. 지구에서 반도체 웨이퍼를 생산할 때는 중력 때문에 최대 크기가 300㎜(약 12인치)로 제한된다. 크게 제작하면 웨이퍼 표면의 평탄성 유지가 어려워지고 수율 저하로 이어진다. 우주 미세중력 상태에선 반도체 웨이퍼를 500㎜로 키울 수 있다. 웨이퍼는 커질수록 수율이 높아진다. 질화갈륨(GaN) 등 차세대 반도체를 시험할 때도 유리하다.

2030년 퇴역하는 ISS를 대체할 민간 우주기지 개발에 속도가 붙은 배경이다. 여러 민간 ISS 후보 중 보이저스페이스와 에어버스, 미쓰비시, 나노랙스가 연합한 ‘스타랩’이 가장 주목받고 있다. 스타랩은 팽창식 모듈을 적용해 발사 시 부피를 줄였다가 우주에선 340㎥ 부피로 커진다. 기존 우주정거장은 궤도에 모듈을 쏘아 올려 우주 상공에서 일일이 조립했다.

스타랩은 태양광 패널과 에어 로크(압력이 다른 공간을 이동하기 위해 설치하는 구조물)도 지상에서 조립을 마친 상태로 발사한다. 우주에서 모듈을 조립할 때 드는 시간과 비용을 획기적으로 줄였다.

궤도 모듈인 루프는 길이 8m, 지름 8m의 원통 형태로 총 세 부분으로 구성됐다. 우주인이 생활할 거주 덱(deck), 연구 공간인 과학 덱, 중력이 존재하는 것과 비슷한 환경을 조성하는 원심기다. 루프에는 네 명의 우주비행사가 상주한다. 스타랩은 2028년 궤도에 안착할 예정이다. 이후 400개 이상의 실험을 수행하게 된다.

우주 식품 연구도 우주 산업계의 화두다. 우주인 한 명이 하루 섭취하는 보존식 무게는 약 1.7㎏이다. 현재 기술로는 화성으로 가는 데만 7개월 이상 걸린다. 이를 위해 실어야 할 식량은 최소 100t에 달한다. 지구로부터의 보급은 불가능해 식량을 현지에서 조달하는 기술이 절실하다. NASA는 ISS에서 ‘베지(veggie)’라는 수경재배 시스템을 구축하고 적상추, 고추 등을 기르고 있다.

글로벌 투자은행(IB)인 미국 뱅크오브아메리카는 2030년 글로벌 우주산업 규모가 1조4000억달러에 달할 것으로 내다봤다. 앞서 모건스탠리가 예상한 2040년 글로벌 우주산업 시장 규모 1조달러에 이르는 시간이 10년 더 빨라질 것으로 예상했다.

전문가들은 한국도 우주 제조 시대를 대비해야 한다고 입을 모으고 있다. 임영택 한국금형공업협동조합 전무는 “우주 부품들은 초소형 베어링조차 공차(허용된 오차)를 조금이라도 벗어나면 치명적”이라며 “우주 제조 시대엔 금형의 중요성이 더 커지는 만큼 한국도 우주 특수 금형 개발에 나서야 한다”고 말했다.
 
 

중국 우주정거장 텐궁

시진핑 중국 국가주석은 2013년 임기 초부터 중국을 우주 최강국으로 만들겠다는 ‘우주 굴기’를 천명했다. 서방은 이를 공산국가의 내부 통치용 언어로 평가했다. 그로부터 10년이 지난 올해 우주 굴기는 그대로 현실화했다. 중국은 지난 1월과 4월 화물우주선 톈저우 7호와 선저우 18호를 우주정거장 톈궁 3호에 도킹시켰다. 세계 최초로 달 뒷면 토양 샘플을 채취해 지구로 가져올 무인 달 탐사선 창어 6호도 지난 3일 발사했다.

7일 과학계에 따르면 중국 우주업계는 그 어느 때보다 사기가 높다. 중국은 우주 과학자를 ‘쥔런(군인)’으로 대우하며 전례 없는 보수와 연구의 자유를 보장하고 있다. 중국은 올해 과학기술 예산 3710억위안(약 70조원) 가운데 상당액을 우주 부문에 투자하고 있다. 중국의 독자 우주정거장 톈궁 3호는 막대한 투자의 결과다. T자형 구조인 톈궁 3호는 지구 저궤도인 고도 390㎞ 상공에 떠 있다. 길이는 37m다. 중심 모듈인 톈허와 실험 및 거주 겸용 모듈 원톈, 실험 전용 모듈 멍톈으로 이뤄졌다. 세 개 모듈의 총무게는 66t이다.

톈궁의 경쟁력은 국제우주정거장(ISS)의 5분의 1가량인 사이즈다. 16개의 모듈로 구성된 ISS 무게는 400t에 달한다. 매년 운영비 40억달러가 투입된다. 초거대 구조물이 시속 2만7000㎞로 지구를 매일 16회 공전하면서 크고 작은 장애가 계속 발생해 유지·보수 비용이 늘고 있다. 2030년 ISS 퇴역이 결정된 이유다. NASA조차 톈궁 크기를 대폭 줄여 설계한 중국의 결정이 현명한 선택이었다고 평가한 바 있다. 중국은 미국이 제재하는 첨단 반도체 개발을 위해서도 우주정거장을 활용하는 것으로 알려졌다.
 
 

우주에 국가 명운 건 룩셈부르크

지난해 1인당 국내총생산(GDP) 13만2370달러를 기록하며 이 분야 세계 1위를 수성한 룩셈부르크. 19세기 끼니를 걱정할 정도로 가난한 국가이던 룩셈부르크는 20세기 초 프랑스 국경을 따라 매장된 철을 발견한 뒤 이를 바탕으로 국부를 일궜다. 이 강소국은 21세기 이후 국가의 명운을 우주에 걸었다. 철강업으로 부를 축적한 경험을 발판 삼아 후대를 위해 우주 자원을 확보해야 한다는 국민적 합의가 자리 잡았다.

룩셈부르크는 2018년 경제부 산하에 룩셈부르크우주국(LSA)을 출범시켰다. LSA는 유럽연합(EU)의 우주 개발 거점을 자처하고 있다. 마르크 세레스 LSA 국장(사진)은 7일 한국경제신문과의 이메일 인터뷰에서 “기업 간 협력에 초점을 맞춰 우주 생태계를 조성하고 있다”고 밝혔다.

▷LSA가 주목하는 우주 연구는.
“위성 유지·보수, 우주 공간 급유, 우주정거장 수리 등 ‘궤도 내 서비스’에 주목하고 있다. 스페이스X가 재사용 로켓으로 우주산업 혁명을 일으켰기 때문에 궤도 내 서비스 수요가 급증할 것으로 예상한다. 미세 중력 공간을 이용한 우주 저궤도 제조산업은 상업용 민간 우주정거장 건설과 함께 발전 가능성이 무궁무진하다.”

▷국가적 아젠다인 ‘우주 자원 이니셔티브’는 무엇인가.
“LSA가 2016년 2월 시작한 프로젝트다. 우주 자원을 평화적으로, 국제법에 부합하게 개발해 전 인류가 이익을 누리도록 힘쓰자는 것이다. 룩셈부르크가 우주 자원 탐사의 선구자로 자리매김하는 데 큰 역할을 했다.”

▷룩셈부르크는 2017년 유럽 최초로 ‘우주 자원의 개발 및 이용에 관한 법률’을 제정했는데.
“궤도 혼잡과 우주 쓰레기 방치를 막기 위한 법이 필요했다. 효율적이면서 지속 가능한 우주 공간을 조성하기 위해서다. 위치정보시스템(GPS) 등 우주 개발은 오랫동안 인류의 일상에 큰 영향을 끼쳤지만 무책임한 부분도 있었다. 규제와 경제적 가치 사이에서 균형을 유지하는 것이 중요하다. 각국이 좀 더 책임감 있는 모습을 보여야 한다.”

▷LSA는 정부와 얼마나 자주 소통하는가.
“우주산업을 국가가 지속적으로 지원한다는 신호를 대외적으로 줘야 한다. 그래야 민간 참여가 활발해진다. LSA는 총리는 물론 부총리, 경제부 장관과 긴밀히 협력하고 있다.”

▷한국 대기업들은 우주산업 투자에 소극적인데.
“우주산업은 장기적인 투자가 필수인 데다 많은 리스크를 수반한다. 정부가 우주 기업의 연구개발(R&D) 자금 지원을 꾸준히 확대해야 한다. 그래야 자본이 유입될 수 있다.”

▷인류가 우주로 가야만 하는 이유는 무엇인가.
“개척지 조성 등과 같은 실용적인 이유 말고도 우주에서 인류의 위치가 어디인지 후대에 설명할 필요가 있다. 우주는 매혹적인 공간이다. 반드시 우주로 가야 한다.”

▷5월 27일 한국 우주항공청이 개청하는데 조언을 한다면.
“모든 우주 프로젝트의 핵심은 ‘국제 협력’이다. 다른 국가들과 함께 우주 탐사를 위한 공동 비전을 마련해야 한다.”
 
 

야마카와 히로시 "도요타·미쓰비시와 영하 170도 견디는 달 오프로드車 개발"

지난달 9일 미국 워싱턴DC. 빌 넬슨 미 항공우주국(NASA) 국장과 모리야마 마사히토 일본 문부과학상이 한 문서에 서명했다. 문서에는 미국이 주도하는 유인 달 탐사 프로젝트 아르테미스의 일환으로 일본인 두 명이 2028년 달에 착륙한다는 내용이 담겼다. 넬슨 국장이 문서에 서명한 다음날 기시다 후미오 일본 총리는 조 바이든 미국 대통령과 정상회담을 했다. 이 자리에서 바이든 대통령은 “일본인의 달 착륙은 미국인 외에 사상 처음”이라고 치켜세웠다. 우주 분야가 과학을 넘어 미·일 간 군사·경제·외교를 아우르는 정치 영역에 진입했음을 상징적으로 보여줬다는 평가다.

야마카와 히로시 일본우주항공연구개발기구(JAXA) 이사장은 이번 미·일 정상회담에서 우주 관련 실무를 지휘했다. 그는 태양과 가장 가까운 행성인 수성을 근접 비행하는 탐사선 베피콜롬보 개발을 주도한 과학자다. 일본이 세계에서 독보적인 경쟁력을 갖춘 소행성 탐사선 하야부사 개발에도 깊이 관여했지만 좀처럼 외부에 모습을 드러내지 않는 은둔형 과학자로 알려져 있다.

야마카와 이사장은 일본인 가운데 누가 달에 처음 발자국을 찍을 것 같냐는 질문에 “NASA와 협의해 최종 결정할 것”이라며 구체적인 언급을 피했다. 일본에선 JAXA가 지난해 2월 달 유인 탐사를 염두에 두고 우주비행사 후보로 뽑은 세계은행 방재전문관 스와 마코토와 적십자 소속 의사 요네다 아유를 주목하고 있다. 이들은 오는 11월 우주비행사 인증을 받을 예정이라 달에 착륙할 유력 후보로 꼽힌다.

지난 1월 JAXA는 소형 탐사선 슬림을 달에 착륙시켰다. 소련과 미국, 중국, 인도에 이어 세계 다섯 번째로 달 착륙에 성공한 국가가 됐다. 야마카와 이사장은 “슬림의 착륙 성과는 JAXA 단독으로 올린 것이 아니다”며 “탐사선 시스템 개발을 총괄한 미쓰비시전기를 비롯해 일본 기업들이 합심해 이룬 결과”라고 민간 기업에 공을 돌렸다.

슬림은 탐사선에 동력을 공급하는 태양전지가 정상 작동하지 않아 절반의 성공이라는 평가를 받았다. 현재 슬림의 상태에 대해 묻자 그는 “지난달 23일 기준 세 번째 월야(2주마다 낮과 밤이 바뀌는 시기)를 견뎌낸 슬림이 항법 카메라로 월면을 촬영해 사진을 보내왔다”고 했다.

일본이 개발 중인 달 탐사 차량 루나크루저 상상도. 도요타 제공

JAXA는 도요타, 미쓰비시중공업과 손잡고 월면 탐사차인 루나크루저를 개발 중이다. 도요타의 사륜구동 스포츠유틸리티차량(SUV) 랜드크루저에서 이름을 따 왔다. 2031년 발사 예정인 루나크루저는 우주비행사를 태우고 하루 20㎞를 주행할 수 있는 달 오프로드 차량이다. 차체는 길이 6m, 폭 5.2m, 높이 3.8m로 버스 두 대를 합친 정도의 크기다. 지구 중력 6분의 1, 낮 기온 120도, 밤 기온 영하 170도 등 극한의 환경인 달에서 차내 기압 조정을 할 수 있다. 불편한 우주복을 착용하지 않아도 되기 때문에 우주비행사들의 탐사 활동을 극대화할 것으로 기대된다. 루나크루저를 위해 도요타는 태양광에서 수소를 생성하는 배터리 기술과 달 표면을 달리는 데 적합한 특수 타이어를 개발하고 있다.

JAXA는 우주 수송 분야에도 심혈을 기울이고 있다. 야마카와 이사장은 “국제우주정거장(ISS) 보급기인 HTV는 우주에 물자를 운반하기 위한 수송 수단으로 일본이 독자 개발했다”며 “HTV는 2009년부터 2020년까지 아홉 번의 보급 미션을 완수해 풍부한 수송 경험을 쌓았다”고 말했다.
 
 

'우주 방사선' 견디는 반도체 뜬다

지구 저궤도 상공에 떠 있는 국제우주정거장(ISS)의 1년 운영비는 40억달러 안팎이다. 1년 내내 각종 고장이 끊이지 않는 ISS의 유지·보수에 쓰인다. ISS의 내구성을 떨어뜨리는 가장 큰 위협은 우주 방사선이다. 우주 기기에 장착된 반도체에 방사선이 침투해 오류를 일으키면서 통신과 데이터 처리 등에 악영향을 준다.

과학계는 방사선의 영향을 받지 않는 내(耐)방사선 반도체의 경쟁력을 높여야 심우주로 갈 수 있다고 입을 모은다. 내방사선 반도체는 방사선의 영향으로 인한 회로 손상과 오류에 내성이 있는 반도체를 뜻한다. 우주 반도체의 고장 원인 중 30% 이상이 방사선 때문인 것으로 알려졌다.

방사선으로 인한 대표적인 오류는 ‘비트 플립’이다. 반도체 회로를 구성하는 소자가 방사선 고준위 입자에 노출돼 비트값이 바뀌는 현상이다. 회로가 0을 1로, 1을 0으로 인식해 소프트웨어가 먹통이 된다. 비트 플립이 반복되면 소자에 과도한 전류가 흘러 회로가 파괴된다.

내방사선 반도체는 설계 단계부터 이런 오류를 최소화할 수 있게 개발한다. 또 다른 특징은 특수 패키징이다. 우주 방사선은 자외선보다 1조 배 이상 강한 투과력을 지녔다. 일반 패키징으로는 우주 환경을 견딜 수 없다. 이 분야 선진국은 일본이다. 일본은 납처럼 무거운 재료가 아니라 고분자 복합필름으로 우주 방사선을 차폐하는 연구를 하고 있다. 일본우주항공연구개발기구(JAXA)가 도레이와 함께 고밀도 직물, 특수 필름을 배치한 복합소재를 특수 패키징에 적용했다.

한국은 내방사선 반도체 연구가 아직 자리잡지 못했다. 선진국 기술을 따라잡기 위해선 내방사선 반도체 연구개발(R&D) 인력과 지원 체계 수립을 서둘러야 한다는 지적이다. 김용석 성균관대 반도체융합공학과 교수는 “한국도 미국과 일본처럼 우주 반도체 부품과 소재의 안정적인 개발을 위해 우주 환경 시험 조건을 규격화해 보급해야 한다”고 강조했다. 

 

구리 이어 아연·니켈값 상승세

글로벌 원자재 시장이 들썩이고 있다. 지난달 미국과 영국이 러시아산 금속 거래를 제재하면서다. 구리 가격이 급등한 데 이어 아연과 니켈, 알루미늄 등의 가격도 뚜렷한 상승세다. 전문가들은 러시아·우크라이나 전쟁으로 원자재 시장이 재편되고 수급 불안정 우려가 커지며 금속 가격이 더 오를 것으로 보고 있다.

런던금속거래소(LME)에 따르면 지난 3일 기준 아연 현물 가격은 t당 2872달러를 기록했다. 지난달 초부터 이날까지 19.97% 오르며 52주 신고가를 기록했다. 같은 기간 니켈과 알루미늄 가격도 각각 14.96%, 9.33% 뛰었다.

러시아산 금속에 대한 제재가 원자재 가격 상승을 이끌었다. 지난달 12일 미국과 영국은 러시아의 전쟁 수입원을 차단하기 위해 러시아산 알루미늄, 구리, 니켈 등의 수입과 거래를 금지하기로 했다. 공급 감소 우려가 확산하며 주요 비철금속의 변동폭이 커졌다.

원자재 가격 상승에 따라 관련주도 반등 조짐을 보인다. 주요 비철금속 가격이 2022년 하반기부터 장기간 하락하며 아연·알루미늄 관련주의 주가는 바닥권에 머물렀으나 최근 반등 움직임이 나타나고 있다. 국내 최대 비철금속 제련 기업인 고려아연 주가는 지난달 초부터 7일까지 4.65% 올랐다. 또 다른 아연 관련주인 한국선재 주가도 3월 중순 저점(3400원)을 찍고 상승세다. 조일알미늄 등 알루미늄 관련주도 러시아 금속 제재가 발표된 지난달 12일부터 이날까지 13.40%, 6.38% 올랐다. 백재승 삼성증권 연구원은 “1분기 금속 가격이 예상보다 빠르게 올라 관련주의 호실적이 기대된다”고 말했다.

철광석 최대 소비 국가인 중국 경기가 본격적으로 개선될 조짐을 보이자 철광석 가격도 오름세다. 중국 제조업 경기를 나타내는 구매관리자지수(PMI)는 지난달 50.4를 기록하며 두 달 연속 경기 확장 국면을 이어갔다. 이달 초 t당 100달러 선에 형성된 글로벌 철광석 가격은 최근 119.56달러까지 올랐다.