작은 비행기 날개의 얼음을 막는 열 기술 이야기

이미지 출처: NASA

겨울 아침 앞유리의 성에, 하늘에서도 생길까요?

겨울 아침에 출근하려고 차에 올랐는데 앞유리가 하얗게 얼어붙어 있어서 당황한 적 있지 않나요? 히터를 켜 놓고 성에가 녹기만을 기다리며 시계를 힐끔거리는 몇 분은 유난히 길게 느껴져요. 그래도 땅 위에서는 얼음이 걷힐 때까지 가만히 서 있으면 그만이에요. 급한 마음에 유리 한 귀퉁이만 쓱 닦고 출발하는 사람도 있죠.

하늘 위에서는 사정이 달라요. 비행기는 멈춰 서서 기다릴 수가 없으니까요. 구름 속을 지나는 날개 표면에 얼음이 울퉁불퉁 달라붙는다면 어떤 일이 생길지 한번 상상해 보세요. 성에가 낀 유리 앞에서 느끼는 답답함과는 비교도 안 될 만큼 긴장되는 순간일 거예요.

비행기 날개는 공기를 가르며 떠오르는 힘을 만들어 내는 부분이에요. 매끈해야 할 그 면이 거칠어지는 건 반죽이 들러붙어 엉망이 된 도마 위를 보는 것과 비슷해요. 그래서 날개에 얼음이 맺히는 일은 조종사에게 큰 걱정거리일 수밖에 없어요. 겉으로는 얇은 막 하나가 낀 정도로 보여도 말이에요.

이 문제를 어떻게 풀어 갔는지 하나씩 따라가 볼게요. 켈리 에어로스페이스 서멀 시스템스 LLC는 글렌 연구센터의 연구자들과 함께 제빙 기술 작업을 했어요. 연구자와 기업이 손을 잡으면 어떤 물건이 나올까요? 이름이 낯설어도 괜찮으니 천천히 읽어 주세요.

전기가 열로 바뀌는 원리는 무엇일까요?

식빵을 넣은 토스터 속에서 빨갛게 달아오르는 선과 전기장판이 따뜻해지는 건 같은 원리예요. 전기가 도체를 지나가다 걸림돌을 만나면 그 저항이 열로 바뀌거든요. 도체가 가늘수록, 흘려보내는 전기가 많을수록 더 뜨겁게 달궈져요. 헤어드라이어에서 뜨끈한 바람이 나오는 것도 이 원리와 가까운 이야기예요.

이 사례의 Thermawing은 열전식 제빙 시스템이에요. 열전이라는 말은 전기와 열이 맞물려 일어나는 현상을 폭넓게 가리켜요. 서로 다른 두 물질의 접합부에 전류를 흘리면 한쪽 면은 뜨거워지고 반대편은 차가워지는 열전 효과도 그중 하나예요. 이 효과를 이용한 작은 냉온 보관함이 시중에 나와 있어요.

노스코스트 테크놀로지스 사는 NASA SBIR 계약 아래 흑연 호일 발열체 연구를 수행한 적이 있어요. 연필심을 이루는 주재료인 흑연은 전기가 통하는 소재로 알려져 있어요. 알루미늄 호일처럼 얇게 편 소재는 가볍다는 장점이 있어요. 다만 소재 하나만으로 모든 것이 정해지지는 않고, 어디에 어떻게 붙이느냐도 중요하죠.

열을 다루는 방법이 전기로 데우는 일만 있는 것은 아니에요. 에어컨은 냉기를 만들어 낸다기보다 실내의 열을 바깥으로 퍼 나르는 장치에 가까워요. 냉매라는 물질을 압축기로 누르면 뜨거워지고, 그 열을 바깥으로 내보낸 뒤 팽창시키면 차가워지는 순환을 되풀이해요. 집에서 쓰는 냉장고도 같은 순환을 이용해 음식 주변의 열을 밖으로 옮겨요.

구름 속으로 들어가는 작은 비행기를 상상해 볼까요?

작은 비행기를 타고 구름 속으로 들어가는 장면을 잠깐 그려 볼까요? 창밖이 뿌옇게 변하고 차가운 수분이 날개에 달라붙기 시작하는 순간, 조종사는 마음이 급해질 거예요. 그때 믿을 만한 장치가 있다면 얼마나 든든할까요? 눈앞의 계기판만 쳐다보며 숨을 고르는 모습이 절로 그려져요.

Thermawing은 조종사가 얼음이 낀 구간을 안전하게 비행할 수 있도록 해요. 이 시스템은 단발 엔진 항공기 조종사에게 보통 대형 제트기에만 적용되던 날개 가열 기술을 제공해요. 단발이라는 말은 엔진이 하나뿐이라는 뜻이에요. Thermawing은 인증과 통합 과정을 거친 열전식 제빙 시스템이에요.

자동차 뒷유리에 가느다랗게 그어진 선을 본 적 있나요? 그 선에 전기가 흐르면 유리가 따뜻해지고 서리가 걷혀요. 표면이 따뜻하면 얼음이 자리 잡기 어렵다는 상식은 일상에서도 통해요. 물론 하늘 위의 장치는 훨씬 엄격한 조건을 견뎌야 하니 똑같다고 말할 수는 없어요.

큰 여객기 이야기가 나오면 나와는 먼 일처럼 느껴지기도 해요. 하지만 같은 하늘을 오가는 이상 구름과 찬 공기는 비행기 크기를 가리지 않고 찾아와요. 그러니 작은 기체의 조종사가 느끼는 부담도 한번쯤 상상해 볼 만하죠. 내가 운전대를 잡은 것도 아닌데 괜히 손바닥에 땀이 차는 기분이에요.

이미지 출처: NASA

엔진을 켜기 전에도 에어컨을 돌릴 수 있을까요?

한여름 낮에 주차장에 세워 둔 차에 올라타면 시트가 뜨끈해서 앉기도 망설여져요. 시동을 걸어야 에어컨이 나오니 한동안 창문을 열고 기다리게 되죠. 바람이 시원해지기까지의 그 어정쩡한 시간은 누구에게나 익숙할 거예요. 핸들을 손끝으로만 살짝 잡아 보던 기억이 떠오르는 분도 있겠네요.

Thermacool은 단발 엔진 항공기용 직류(DC) 전원 에어컨이에요. Thermacool을 사용하면 조종사는 엔진이 시동되기 전에도 에어컨을 작동할 수 있어요. Thermawing과 Thermacool을 함께 구동하기 위해 고출력 교류 발전기가 사용됐어요.

Thermacool은 로터리 펌프 설계를 가진 새로운 압축기를 사용해요. 이 압축기는 에너지 효율이 높은 브러시리스 직류 모터로 구동돼요. 압축기가 어렵게 느껴진다면 자전거 바퀴에 바람을 넣는 펌프를 떠올려 보세요. 펌프질을 하다 보면 몸통이 따끈해지는 걸 느낀 분도 있을 거예요.

스마트폰 배터리가 줄어드는 속도에 마음 졸인 적 있지 않나요? 쓸 수 있는 전기가 정해져 있을 때는 같은 일을 더 적은 양으로 해내는 장치가 반갑기 마련이에요. 그래서 효율이라는 말이 광고 문구보다 훨씬 실감 나게 와닿는 순간이 있죠. 충전 케이블을 챙기지 못한 날이면 더더욱 그렇고요.

서로 다른 회사의 경험은 어떻게 이어졌을까요?

회사에서 다른 팀과 함께 일해 본 적 있나요? 한 팀은 부품을 능숙하게 만들고 상대는 완성품을 매끄럽게 다룰 때, 둘이 손을 잡으면 혼자서는 어려운 일이 가능해지곤 해요. 이제 그 장면을 하나씩 짚어 볼게요. 회의실에서 서로의 자료를 맞춰 보던 순간을 떠올리면 더 쉽게 그려질 거예요.

켈리 에어로스페이스는 노스코스트 테크놀로지스 사를 인수했어요. 이 회사는 NASA SBIR 계약 아래 흑연 호일 발열체 연구를 수행한 적이 있어요. 노스코스트는 가볍고, 설치가 쉽고, 신뢰할 수 있는 날개와 꼬리 부분의 제빙 시스템을 개발했어요.

켈리 에어로스페이스의 엔지니어들은 자신들의 경험을 노스코스트 기술진이 쌓은 노하우와 결합했어요. 이 결합의 결과로 열전식 제빙 시스템인 Thermawing이 인증되고 통합됐어요. 단발 엔진 항공기용 직류 전원 에어컨 Thermacool도 함께 인증되고 통합됐어요.

국물을 잘 내는 식당과 면을 잘 뽑는 식당이 손을 잡고 새 메뉴를 내놓는 모습을 상상해 보세요. 각자 쌓아 온 손맛이 한 그릇에 담기면 따로 있을 때보다 선택지가 넓어지죠. 이런 장면을 떠올리면 협업이라는 말이 한결 가까워져요. 기술 이야기라고 해서 늘 거창한 것만은 아닌 셈이에요.

우주에서는 왜 이런 열 기술이 필요할까요?

우주를 오가는 장비는 햇빛을 받을 때와 그늘에 들어갈 때의 온도 차가 어마어마해요. 사막처럼 펄펄 달아올랐다가 얼음장처럼 꽁꽁 식는 셈이라, 열을 알맞게 다루는 일이 장비의 수명과 직결돼요. 마치 한쪽만 뜨겁게 달궈진 프라이팬 위에서 음식이 고르게 익지 않는 것과 비슷해요. 그래서 열을 옮기고 붙잡아 두는 장치는 우주 장비의 단골 필수품이에요.

게다가 우주로 보내는 물건은 무게 한 조각, 전기 한 줌이 아쉬워요. 그래서 가볍고, 전기를 아껴 쓰고, 고장이 적은 열 제어 장치가 환영받아요. 한번 올려 보내면 고쳐 줄 사람이 곁에 없으니까요. 집에서는 고장 난 가전을 서비스센터에 맡기면 되지만 궤도 위에서는 그럴 수 없죠.

노스코스트 테크놀로지스 사의 흑연 호일 발열체 연구는 NASA SBIR 계약 아래 이뤄졌어요. 켈리 에어로스페이스 서멀 시스템스 LLC는 글렌 연구센터의 연구자들과 함께 제빙 기술 작업을 했어요. 무게와 전기, 고장에 대한 걱정은 지상의 물건에도 똑같이 따라붙는 고민이에요.

이번 겨울 아침에 차 유리를 덮은 성에를 마주치거든, 그 얇은 얼음이 하늘에서는 어떤 숙제였을지 한 번 떠올려 보세요. 뒷유리의 가느다란 선도, 여름날 에어컨 바람도 예전과는 조금 다르게 보일 거예요.

참고 자료: NASA Spinoff 공식 사례 (GRC-SO-150) · spinoff.nasa.gov
이미지는 NASA 공개 자료이며, 이 글은 NASA의 공식 입장이나 보증과 무관합니다.