타이어 설계 시간을 줄여 주는 우주 기술 이야기

비 오는 날 신호 대기 중에 앞차 브레이크등이 확 켜지면, 발끝에 저절로 힘이 들어가요. 그럴 때 내 차를 길바닥에 붙들어 주는 둥근 고무는 도대체 어떤 과정을 거쳐 만들어졌을까요? 그 궁금증을 따라가다 보니 생각지도 못한 곳까지 가게 됐어요.

이미지 출처: NASA

타이어 회사는 왜 우주 기관의 소프트웨어를 찾았을까요?

자전거 앞바퀴에 바람이 빠졌을 때를 떠올려 보세요. 평소엔 바퀴가 무얼 하는지 의식조차 못 하다가, 일단 흐물거리면 그제야 얼마나 큰 짐을 지고 있었는지 알게 되죠. 자동차 바퀴라면 더 말할 것도 없겠죠.

새 우산을 살 때 살대를 구부려 보며 튼튼한지 가늠해 본 적 있나요? 겉모습만으로는 알 수 없는 속이 궁금해지는 순간이죠. 타이어를 볼 때도 똑같은 궁금증이 드는 건 저만이 아닐 거예요.

굿이어는 더 강하고 안전한 타이어를 설계하기 위해 MAC 소프트웨어를 취득했어요. 이 소프트웨어는 나사의 미시역학 해석 코드(Micromechanics Analysis Code)예요. 이름이 길고 낯설어서 벌써 어렵게 느껴지시나요? 차근차근 풀어 볼 테니 걱정하지 않으셔도 돼요.

굿이어는 나사 글렌 연구센터와 Great Lakes Industrial Technology Center가 구성한 컨소시엄을 통해 이 소프트웨어의 사용 계약을 얻었어요. 컨소시엄이라는 단어가 낯설다면, 같은 반 친구들이 모여 만든 동아리쯤으로 상상해 봐도 좋아요. 그 상상을 안고 다음 이야기로 넘어가 볼까요?

이 해석 소프트웨어 안에는 무엇이 들어 있을까요?

요리 앱을 열면 레시피와 재료 목록이 나란히 떠 있어서, 따로 찾아 헤맬 필요가 없죠. 계산 도구를 열었을 때도 그런 편안함이 있다면 좋겠다고 생각해 본 적 있나요? 이제 소프트웨어의 속을 슬쩍 들여다볼게요.

MAC 소프트웨어에는 내장 재료 데이터베이스와 여러 대표 체적 요소(representative volume elements)가 포함되어 있어요. 이름만 보면 딱딱한 용어가 줄줄이 이어지는 느낌이죠. 서랍마다 이름표를 붙여 두면 양말을 금방 찾는 것처럼, 정리된 자료는 꺼내 쓰기 편한 법이에요.

여기까지 읽고 나니 소프트웨어가 마법 상자처럼 느껴지시나요? 계산기도 처음엔 낯설다가 손에 익으면 당연한 도구가 되잖아요. 칸칸이 양념통이 놓인 주방 선반을 떠올리면, 앞에서 본 낯선 용어들이 한결 편해질 거예요.

이 코드는 Generalized Method of Cells 미시역학 방법론에 기반해요. 방법론이라는 말이 무겁게 들리지만, 요리로 치면 이런 순서로 계산하세요 하는 조리법 같은 거예요. 여기서 말하는 미시역학이 무엇인지는 바로 다음 이야기에서 풀어 볼게요.

복합재는 왜 방향마다 버티는 힘이 다를까요?

복합재는 가늘고 단단한 섬유를 상대적으로 무른 바탕 재료에 넣어 굳힌 소재예요. 섬유는 길이 방향으로 당기는 힘에 아주 잘 버티고, 바탕 재료는 그 가닥들을 붙잡아 모양을 지켜 줘요. 철근을 넣어 굳힌 콘크리트 기둥을 떠올리면 쉬워요.

이런 재료를 얇은 층으로 만들어 여러 겹 쌓아 붙인 것을 적층판이라고 불러요. 합판을 떠올려 보세요. 나뭇결을 엇갈리게 붙이면 결대로 쉽게 쪼개지던 얇은 나무도 훨씬 튼튼해지잖아요. 그래서 복합재는 힘을 받는 방향에 따라 강도가 달라져요.

그렇다면 이런 재료가 전체로서 얼마나 버틸지는 어떻게 알 수 있을까요? 섬유와 바탕 재료 각각의 성질, 그리고 그것들이 어떤 간격과 배열로 놓였는지를 알면 계산으로 어림할 수 있어요. 이렇게 작은 구성 요소에서 출발해 전체의 거동을 예측하는 분야를 미시역학이라고 해요. 나무젓가락은 낱개로는 쉽게 부러져도 묶어 놓으면 좀처럼 꺾이지 않는 것과 비슷한 이치예요.

우주선과 위성의 구조물은 가벼워야 해요. 발사할 때 무게가 늘수록 더 많은 연료가 필요하기 때문이에요. 그러면서도 극심한 온도 변화와 진동을 견뎌야 해서, 무게에 비해 강도가 높은 복합재가 자주 쓰여요. 직접 만들어 부숴 가며 확인하기엔 비용과 시간이 너무 크니, 계산으로 미리 버틸지 따져 보는 일이 중요해요.

이미지 출처: NASA

구조 해석을 단번에 끝내면 무엇이 달라질까요?

굿이어의 과학자와 엔지니어들은 MAC 기술을 통해 타이어용 복합재 적층판의 구조 해석을 한 번에 수행할 수 있게 되었어요. 이전에는 이 구조 해석에 여러 단계가 필요했어요. 지하철을 여러 번 갈아타던 길이 직행 노선으로 바뀐 장면을 떠올려 볼까요?

현재 MAC 코드는 복합재 적층판을 평가하고 최적화하는 데 사용될 수 있어요. 옷장을 정리할 때 먼저 무엇이 들어 있는지 훑어보고, 이어서 자리를 바꿔 가며 가장 잘 맞는 배치를 찾는 순서를 떠올려 보세요. 평가와 최적화라는 딱딱한 말도 그렇게 풀면 훨씬 가까워져요.

표 계산 파일을 여러 장 오가며 숫자를 옮겨 적다가 어딘가에서 실수했던 경험, 누구나 있지 않나요? 단계가 많아질수록 중간 결과를 들고 옮겨 다닐 틈도 늘어나는 건 어떤 작업이든 마찬가지예요. 그러니 이전에 여러 단계가 필요했다는 사실이 새삼 눈에 들어와요.

여행 계획을 짤 때 길 찾기 앱으로 교통편과 시간을 한꺼번에 비교하던 순간이 떠올라요. 그 전에는 지도를 펴 놓고 시간표를 따로 확인하던 때도 있었죠. 여러 단계가 같은 화면에 모이는 순간은 일상에서도 꽤 자주 찾아와요.

코드 간격과 와이어 구조는 어떻게 따져 볼까요?

이 소프트웨어로 코드(cord)의 간격 지침을 설정할 수 있어요. 코드의 지름과 간격은 타이어의 전체 내구성에 영향을 줄 수 있어요. 돗자리를 엮는 끈이 굵은지 가는지, 촘촘한지 성긴지에 따라 손에 닿는 느낌이 달라지는 걸 만져 본 적 있나요?

이 소프트웨어로는 기하학적 구성이 구조에 미치는 영향을 설명할 수 있어요. 타이어를 구성하는 서로 다른 와이어 구조들의 거동을 비교할 수도 있어요. 같은 천이라도 올 방향을 곧게 맞추느냐 비스듬히 틀어 놓느냐에 따라 옷이 늘어나는 정도가 달라지잖아요.

후보가 여럿일 때 나란히 놓고 비교하는 건 새 운동화를 고르는 일과 닮았어요. 매장에서 신어 보고, 걸어 보고, 발에 닿는 느낌을 가늠해 보잖아요. 여러 켤레를 앞에 두고 저울질하던 그 기분을 떠올려 보세요.

누빔 이불의 바늘땀 간격을 넓힐지 좁힐지 고민하는 장면을 상상해 보세요. 땀 간격에 따라 이불을 흔들 때 솜이 쏠리는 정도도 달라질 것 같아요. 집에 있는 누빔 이불의 바늘땀을 오늘 밤에 살펴보세요.

타이어를 만들고 시험하고 조정하는 시간은 어떻게 달라질까요?

이 과정의 최종 결과로 타이어를 만들고, 시험하고, 조정하는 데 드는 시간이 줄어들어요. 케이크를 구울 때마다 오븐 문을 열어 상태를 확인하고 온도를 바꿔 본 사람이라면, 미리 가늠해 두는 편이 마음 편하다는 걸 알 거예요. 막상 구워 봐야 아는 일이 줄어들수록 기다리는 시간도 짧아지니까요.

굿이어가 이 소프트웨어를 취득한 목적은 더 강하고 안전한 타이어를 설계하는 데 있었어요. 수선집에서 바지 기장을 줄일 때, 핀으로 고정해 보고 거울 앞에서 걸어 보는 장면을 떠올려 보세요. 맞는지 알아보려고 옷을 지을 때마다 가위질부터 하면 천이 남아나지 않겠죠.

조별 과제 발표 자료를 만들다 마지막에 방향이 틀렸다는 걸 알고 처음부터 다시 쓰던 밤을 떠올려 보세요. 초안 단계에서 고칠 곳을 미리 발견했다면 그 밤이 훨씬 짧아졌을 거예요. 만들고 시험하고 조정하는 일에서도 마찬가지로, 시간은 되돌아가는 만큼 늘어나는 법이에요.

다음에 주차장에서 차에 오르기 전, 바닥에 닿은 검은 바퀴를 잠깐 내려다보면서 그 안쪽에 어떤 계산이 숨어 있을지 상상해 보세요.

참고 자료: NASA Spinoff 공식 사례 (GRC-SO-136) · spinoff.nasa.gov
이미지는 NASA 공개 자료이며, 이 글은 NASA의 공식 입장이나 보증과 무관합니다.