골프채 샤프트에 숨어든 우주 진동 제어 기술
이미지 출처: NASA
손끝을 찌릿하게 울리는 골프채의 떨림, 어떻게 잡을까요?
골프 연습장에서 드라이버를 힘차게 휘두른 뒤 공이 빗맞아 손목과 팔꿈치가 찌릿했던 경험이 다들 한 번쯤 있으실 거예요. 공이 클럽 헤드에 부딪히는 순간 발생하는 엄청난 충격은 긴 막대를 타고 고스란히 골퍼의 몸으로 전해지곤 하거든요. 뻣뻣한 막대기를 잡고 단단한 물체를 힘껏 내리치는 것과 다름없으니 손끝이 저릿저릿 울리는 것도 당연해요.
운동선수나 주말 골퍼 모두에게 이 잔여 진동은 꽤나 골치 아픈 문제를 일으켜요. 손목 관절에 피로를 누적시켜 부상을 부르기도 하고, 불필요한 떨림 때문에 스윙 궤도가 흐트러져 비거리가 줄어들기도 하니까요. 튼튼하면서도 진동을 깔끔하게 흡수해 주는 든든한 골프채를 만들 수는 없는 걸까요?
단단하게 버티는 성질과 부드럽게 충격을 가라앉히는 능력은 원래 서로 반대되는 특성처럼 느껴져요. 딱딱한 쇠막대는 부러지지 않지만 진동이 오래 머물고, 푹신한 고무는 충격을 잘 흡수하지만 형태를 유지하기 어렵잖아요. 그런데 이 모순 같은 고민을 해결한 실마리가 뜻밖에도 저 멀리 우주 기술에서 시작되었어요.
단단한 땅이 없는 우주에서 무기를 어떻게 쏠까요?
1980년대 후반 NASA 제트추진연구소의 벤저민 돌긴(Benjamin Dolgin) 박사는 전략방위구상을 위해 고감쇠 흑연/점탄성 소재 개념을 개발했어요. 당시 미국은 우주 공간에 방어용 플랫폼을 띄우는 계획을 추진하고 있었는데요. 지상과는 전혀 다른 우주 환경 때문에 새로운 형태의 소재가 절실히 필요했던 상황이었어요.
돌긴 박사는 구조물을 단단히 지지해 줄 단단한 지면이 없는 우주 공간에서 무기 발사대를 안정화하려는 목적으로 이 개념을 고안했어요. 지구에서는 튼튼한 콘크리트 바닥이나 대기가 흔들림을 억제해 주지만 우주에는 발을 딛고 설 땅이 전혀 없잖아요. 작은 반동이라도 한번 발생하면 지지해 줄 토대가 없어서 장비 전체가 계속해서 요동치게 돼요.
공기가 전혀 없는 진공 속에서는 마찰에 의해 흔들림이 저절로 잦아드는 현상조차 기대할 수 없어요. 조준 장치가 미세하게 떨리기만 해도 수천 킬로미터 떨어진 목표물 앞에서는 치명적인 오차가 발생하고 말아요. 스스로 진동을 꿀꺽 삼켜 버리는 특수 소재가 반드시 개발되어야만 했던 이유가 바로 여기에 있었어요.
이미지 출처: NASA
진동 에너지를 열로 바꾸는 샌드위치 구조의 원리
단단한 탄소 섬유 사이에 끈적끈적한 젤 같은 점탄성 물질을 끼워 넣으면 마법 같은 일이 일어나요. 점탄성 물질은 엿가락이나 고무처럼 외력이 가해지면 형태가 변했다가 서서히 원래대로 돌아오는 독특한 물리적 성질을 지니고 있거든요. 겉은 빳빳하게 서 있으면서 속은 부드럽게 미끄러지는 샌드위치 빵 같은 결합체라고 상상하시면 쉬워요.
양쪽 흑연 판이 휘어지며 파도처럼 출렁일 때, 그 틈에 끼어 있는 점탄성 층 내부에서는 극심한 엇갈림 현상이 발생해요. 이 엇갈림이 일어나는 과정에서 진동 에너지가 분자 간의 끈끈한 마찰열로 빠르게 전환되어 공중으로 흩어져 버려요. 마치 시끄러운 북 표면에 손바닥을 착 올려놓으면 소리와 떨림이 순식간에 멎는 것처럼요.
게다가 평평한 평면 대신 물결치는 곡면 패턴을 겹치면 흔들림을 분산시키는 성능이 훨씬 커져요. 직선으로 전달되던 파동이 굽이치는 경계면을 통과하면서 방향을 잃고 잘게 쪼개지기 때문이에요. 딱딱함으로 무게를 버텨내면서도 찰랑이는 파동 에너지만 골라서 지워버리는 훌륭한 원리예요.
연구실 서랍에서 5년 동안 잠자던 우주 아이디어
하지만 뛰어난 아이디어라고 해서 늘 곧장 세상의 빛을 보는 것은 아니에요. 고감쇠 흑연/점탄성 소재에 대한 그의 제안은 고안된 후 약 5년 동안 쓰이지 않은 채로 남아 있었어요. 당시에는 이를 실제로 정밀하게 빚어낼 수 있는 생산 공정을 찾기가 쉽지 않았거든요.
먼지 쌓인 채 묻혀 있던 이 구상은 뜻밖의 계기를 맞아 다시 깨어나게 되었어요. 브리검 영 대학교의 학자인 윌리엄 프랫(William Pratt) 박사의 박사 학위 연구 주제가 되면서 이 개념이 다시 다뤄졌어요. 프랫 박사는 우주용으로 잠들어 있던 복합재 아이디어가 지닌 엄청난 잠재력을 단번에 알아본 학자였어요.
프랫 박사는 구조적 진동을 줄이거나 억제하기 위한 '물결 모양(wavy)' 흑연 복합재 기술의 실용적인 제조 방법을 발견했어요. 그리고 프랫 박사는 흑연 복합재 제품의 상업적 제조를 위해 돌긴 박사가 발명한 NASA 개념을 사용하는 독점 라이선스를 취득했어요. 실험실 도면 속에 갇혀 있던 우주 아이디어가 마침내 현실 세계의 공장 기계 위로 올라오게 된 셈이에요.
우주 요격 기술에서 탄생한 골프 샤프트의 반전
상용화 권리를 확보한 프랫 박사가 가장 먼저 주목한 무대는 뜻밖에도 푸른 잔디가 펼쳐진 골프장이었어요. 프랫 박사는 골퍼들이 공을 더 멀리 칠 수 있도록 돕는 진보된 골프 샤프트를 제작했어요. 우주 플랫폼의 충격을 잡으려던 기술이 골퍼의 손맛을 지켜주는 도구로 탈바꿈한 것이지요.
'웨이브 샤프트(Wave Shaft)' 골프 샤프트는 마주 보는 두 개의 물결 모양 흑연 층 사이에 점탄성 층을 끼워 넣어 강성과 감쇠력을 만들어 내요. 서로 맞물린 파도 모양의 흑연 층이 스윙할 때 비틀림을 꽉 잡아주고, 가운데 층이 손목으로 타고 오던 불필요한 떨림을 싹 흡수해 버려요. 손실되는 에너지가 줄어드니 타구에 온전한 힘이 실리게 되는 구조예요.
스타워즈의 영향을 받은 이 샤프트의 구조는 강철만큼 단단하지만 감쇠력은 수천 배에 달해 스윙 중 충격과 진동을 줄여줘요. 단단한 쇠막대기로 공을 후려치는 듯한 지지력을 자랑하면서도 손에 쥐어지는 감각은 비단결처럼 부드러운 이유가 여기에 있었어요. 지구 밖 궤도에서 레이저를 쏘려던 구상이 골퍼의 호쾌한 장타를 돕는 기술로 안착했다니 참 재미있지요.
오늘 주말 스크린 골프를 즐기러 가신다면 손에 쥔 클럽을 가만히 내려다보세요. 허공을 시원하게 가르는 여러분의 스윙 속에도 광활한 우주를 날아오르던 기술의 지혜가 조용히 숨 쉬고 있을지도 몰라요.
===BODY===참고 자료: NASA Spinoff 공식 사례 (JPL-SO-166) · spinoff.nasa.gov
이미지는 NASA 공개 자료이며, 이 글은 NASA의 공식 입장이나 보증과 무관합니다.