우주
최신 항공우주 혁신이 차세대 비행의 길을 열다
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빠르게 진화하는 항공우주 산업은 효율성, 성능 및 안전성을 향상시키면서 탄소 배출을 줄이고 지속 가능성을 유지하는 방법을 지속적으로 모색하고 있습니다.
최근 몇 년 동안 여러 기술 혁신이 지구 대기권 내외의 항공 여행 능력을 확대했습니다. 여기에는 통신을 위한 첨단 위성 기술, 경량 부품을 위한 적층 제조, 배출량 및 비용 절감을 위한 전기 추진, 더 빠른 이동을 위한 초음속 비행, 그리고 인공지능 및 머신러닝이 운영 효율성을 향상시키는 데 활용됩니다.
항공우주는 매우 특정한 특성을 가진 첨단 소재에 집중합니다. 시스템은 일반적으로 세라믹 열재료부터 탄소 섬유 및 티타늄에 이르는 다양한 소재를 포함하며, 이러한 소재는 성능 최적화를 위해 다양한 용도로 사용됩니다.
이 분야의 연구는 다기능 소재를 개발하는 것을 목표로 하며, 이는 구조적 기능뿐만 아니라 능동 냉각과 같은 추가 기능을 제공하는 소재를 의미합니다. 첨단 항공우주 개념을 실현하려면 소재가 그 어느 때보다 내구성이 높고 경량이며 비용 효율적이어야 합니다.
항공우주 산업이 계속 발전함에 따라, 이를 더욱 앞당길 최신 혁신적인 기술들을 살펴보겠습니다.
‘재료 유전체’ 해제로 설계 진보
지난달, 시드니 대학교 항공·기계·메카트로닉 공학부 연구원들은 고급 강철 및 맞춤형 실리콘과 같은 결정성 소재 내 원자 관계를 해석하는 현미경 방법을 발견했습니다.
이는 연구자들이 이러한 소재의 원자 수준 구조에서 아주 미세한 변화를 감지할 수 있게 하여, 그 특성과 거동의 근본적인 원인에 대한 이해를 높입니다. 이러한 지식은 전자용 첨단 반도체와 항공우주 분야를 위한 더 가볍고 강한 합금 개발을 가능하게 할 것입니다.
이를 위해 연구자들은 원자를 3차원(3D)으로 시각화하는 원자 탐침 단층촬영(APT) 기술을 사용하여 단거리 질서(SRO)의 복잡성을 해석했습니다. SRO는 소재 구성 원소가 무작위 분포에서 벗어나는 상대적 경향을 정량적으로 측정한 것입니다. 국부적인 원자 환경을 이해하는 것은 혁신적인 소재를 만드는 데 필수적입니다.
결정 내 원자 규모에서 이웃 관계의 비무작위성을 정밀하게 정량화함으로써, SRO는 “강도와 같은 원하는 특성을 달성하기 위해 특정 이웃 배열을 가진 원자 단위 맞춤 설계 소재에 대한 방대한 가능성을 열어준다”고 시드니 대학교 연구 인프라 담당 부총장 겸 연구 책임자인 사이먼 링거 교수는 말했습니다.
때때로 ‘재료 유전체’라고도 불리는 SRO는 측정 및 정량화가 어려운 과제였습니다.
이는 원자 배열이 매우 작은 규모에서 발생하기 때문에 기존 현미경 기술로는 관찰할 수 없기 때문입니다.
그래서 연구팀은 APT를 활용한 새로운 방법을 개발하여 이러한 도전을 극복했으며, 이를 “재료 과학의 중요한 돌파구”라고 링거 재료 엔지니어는 말했습니다.
이 연구는 고온 강도가 요구되는 제트 엔진 및 발전소 등 상황에서 활용 가능성이 높아 많은 연구가 진행되는 고엔트로피 합금(HEA)에 초점을 맞추었습니다.
첨단 데이터 과학 기법과 APT 데이터를 활용하여 연구자들은 SRO를 관찰하고 측정했으며, 이를 통해 코발트, 크롬, 니켈로 구성된 고엔트로피 합금이 다양한 열처리 조건에서 어떻게 SRO가 변하는지 비교할 수 있었습니다.
“(이 연구는) 이러한 측정이 유효한 정확한 상황 범위를 제한하는 민감도 분석을 제공했습니다.”
SRO를 측정하고 이해함으로써, 이 연구는 소재 설계 접근 방식을 혁신하고 “원자 수준 구조의 작은 변화가 소재 성능에 큰 도약을 가져올 수 있다”는 것을 보여줄 수 있다고 사이드먼트 공학부 박사후 연구원 멍웨이 허 박사는 말했습니다.
게다가 미세 수준의 청사진을 제공함으로써, 이 연구는 연구자가 소재 거동을 계산적으로 시뮬레이션하고 모델링하며 예측하는 능력을 강화합니다. 또한 SRO가 중요한 소재 특성을 제어하는 향후 연구의 템플릿 역할도 할 수 있습니다.
극초음속 비행을 가능하게 하는 새로운 소재
극초음속 속도로 지속적인 비행을 달성하려는 관심이 많지만, 기술적 과제가 남아 있습니다. 여기에는 극한 열 관리, 스트레스와 극한 온도 및 산화를 견디면서 성능을 유지할 수 있는 소재 개발, 그리고 고속·고고도에서 효율적으로 작동할 수 있는 추진 시스템 구축이 포함됩니다.
연구자들이 이러한 문제에 대한 해결책을 모색하는 가운데, 광저우 대학 재료과학공학부 과학자들은 올해 초 극초음속 열 보호막에 대한 돌파구를 발표했습니다.
극초음속 비행에 게임 체인저가 될 수 있는 이 연구에서 과학자들은 “뛰어난 열 안정성”과 “초고압 압축 강도”를 제공하는 새로운 다공성 세라믹 소재를 개발했습니다.
이는 다중 스케일 구조 설계를 사용해 달성되었으며, 과학자들은 이것이 최초라고 말합니다. 또한 이 고엔트로피 세라믹의 빠른 제조는 항공우주, 화학공학, 에너지 생산 및 전송 분야에서 보다 폭넓은 탐색의 문을 열어줍니다.
연구진은 세라믹이 “뛰어난 기계적 하중 지지 능력과 높은 열 절연 성능을 제공하는 초고속 고온 합성 기술”을 통해 제작되었다고 밝혔습니다.
강도와 경량성을 갖추면서 열전도율이 낮은 소재의 과제를 해결하기 위해, 과학자들은 불연성·내식성·고융점·저열전도성을 가진 세라믹 소재를 사용했습니다. 물론 기존 세라믹은 극한 온도와 압력을 처리하는 데 여전히 부족합니다.
경량이면서 다공성인 소재는 열 전달 능력이 낮지만, 그 대가로 더 큰 취약성을 갖습니다.
따라서 연구진은 “다공성 세라믹의 기계적 강도와 열 절연 능력을 동시에 향상”시키는 작업을 시작했으며, 이는 여러 원소를 동등하게 배합해 더 강하고 안정적이며 내열성이 높은 부품을 만드는 고엔트로피 개념으로 이어졌습니다.
과학자들은 새로 만든 세라믹 소재인 9-양이온 다공성 고엔트로피 디보라이드(9PHEB)가 일반적인 제한 없이 열 저항성과 강도 사이의 균형을 성공적으로 맞추었으며, 이 새로운 소재는 항공우주 비행에 필요한 무게와 절연 기준도 충족했습니다.
“결함이나 비정질 상이 없는 강한 결합으로 특징지어지는 고품질 인터페이스는 하중 시 빌딩 블록과 다른 블록 간의 연결을 통해 빠른 힘 전달을 촉진하여 기계적 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다.”
연구는 또한 새로운 소재 9PHEB가 강도와 열 안정성 모두에서 뛰어나다는 점을 언급했습니다.
항공우주 구조를 위한 자가 치유 소재
자가 치유 폴리머와 나노복합재는 항공우주 산업을 크게 발전시킨 혁신적인 소재이며, 전자, 배터리, 바이오메디컬 및 기타 기술 분야에서의 적용을 위해 많은 연구가 진행되고 있습니다.
자가 치유 소재는 수세기 동안 존재했지만, 지난 수십 년간 이 분야의 혁신이 크게 증가하여 합성 자가 치유 소재가 개발되었습니다.
이러한 소재는 고유한 화학적 특성에 따라 열가소성 폴리머, 열경화성 폴리머, 엘라스토머, 형상 기억 폴리머, 폴리머 복합재, 나노복합재 등 다양한 형태로 존재합니다.
능력에 따라 이러한 소재는 자체 내부의 화학 결합이나 분자 이동성에 의존하는 내재형 자가 치유 소재 또는 손상 시 외부 치유제가 활성화되는 외재형 자가 치유 소재로 구분됩니다.
폴리머는 구조적 손상을 복구하는 놀라운 능력 때문에 구조용으로 특히 중요하게 여겨집니다. 이는 폴리머 사슬의 이동성과 교차 결합을 통해 달성됩니다.
항공우주 산업에서 자가 치유 나노복합재는 엔지니어링 구조물, 접착제, 엔진, 동체 및 코팅에 특히 유용합니다. 자가 치유 나노복합재는 폴리머에 나노입자를 포함시켜 제작됩니다. 손상을 가역적으로 복구하는 능력을 위해 열경화성 및 열가소성 폴리머는 나노탄소 입자로 강화됩니다.
나노필러는 나노복합재의 자가 치유 효과를 더욱 증진시킵니다. 나노필러의 종류와 함량은 자가 치유 효과를 시작하는 데 필수적인 요소입니다.
전통적으로 엔진 개발에는 세라믹 및 금속 소재가 사용되었습니다. 그러나 최근에는 고온 저항성 제트 엔진에 폴리머 소재와 복합재가 점점 더 많이 활용되고 있습니다. 이는 복합재가 충격이나 파손으로 인한 구조적 손상에 더 잘 견디기 때문입니다.
극히 높은 온도를 견딜 수 있는 세라믹 섬유를 활용하여, 자가 치유 나노복합재는 고정형 및 이동형 제트 엔진 부품 생산에 사용되었습니다. 이러한 나노소재는 압력, 손상 및 부식에 저항성이 있어 엔진 효율 향상에 기여합니다.
자가 치유 폴리머에 대한 지속적인 연구는 고압·고온·충격 상황을 견디는 소재의 잠재력을 보여주며, 이는 우주 구조물의 내구성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 향후 항공우주 구조물의 손상을 감지하는 나노탄소 나노복합재 개발도 기대되지만, 이를 위해서는 뛰어난 자가 치유 효율을 가진 새로운 치유제가 필요합니다.
흥미롭게도, 자가 치유 소재 분야에서 네덜란드 Delft 공과대학 항공우주 구조 및 소재 부교수인 Kunal Masania 박사는 항공우주 분야에 사용할 “생체 소재”를 개발했습니다. 이러한 생체 소재는 박테리아와 곰팡이와 같은 미생물을 포함하여 자가 치유 능력을 부여합니다.
팀은 곰팡이가 가혹한 환경을 견디는 능력과 비교적 쉬운 배양성을 이유로 선택했습니다. 곰팡이 세포는 연결될 수 있어, 소재 전반에 소수의 세포만 분포시켜도 재연결되어 감지 네트워크를 형성합니다. 이러한 생체 소재는 특수 3D 프린팅 방식과 새로운 3D 프린팅 잉크를 통해 실제로 제작됩니다.
이 개발은 유럽 연합으로부터 지원금을 받은 5년 프로젝트 AM-IMATE의 일환으로 이루어졌습니다. Masania에 따르면:
“(프로젝트의 목표는) 살아있는 유기체처럼 행동하고 기계적 스트레스를 감지하고 적응할 수 있는 엔지니어링 구조물을 만드는 것입니다.”
생물학적 자가 치유 소재를 사용함으로써 항공우주에 사용되는 핵심 구조물의 내구성과 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 지속 가능하게 만들 수 있습니다. AM-IMATE 팀은 실제로 복합재를 항공기 내부의 핵심 소재로 활용하는 방안을 탐구하고 있습니다.
“우리 소재는 현재 사용되는 소재보다 훨씬 가볍고 지속 가능합니다.”라고 Masania는 말했으며, 플라스틱과 금속을 대체하면 화석 연료에 의존하지 않아도 된다고 덧붙였습니다. 또한 “항공기 부품을 해체하여 자연으로 되돌릴 수 있다”고 그는 말했습니다.
하지만 이것이 전부는 아닙니다. 팀은 현지 소재를 사용하고 곰팡이로 결합하여 “다른 행성”에 새로운 서식지를 만드는 기반으로 이 생체 소재를 활용하는 방안도 구상하고 있습니다.
항공우주 기술을 선도하는 기업들
항공우주 산업에 진출한 기업들을 살펴보면, General Dynamics Corporation (GD ) (GD), SpaceX (SPCX ), Virgin Galactic (SPCE ), Sierra Nevada Corporation 등 여러 주요 기업이 기술을 발전시키고 있습니다.
Lockheed Martin Corporation (LMT ) (LMT)은 세계 최대 방위 계약업체 중 하나로, 이 분야에서도 유명합니다. 전투기, 미사일 시스템, 우주 탐사 기술로 알려진 Lockheed Martin은 효율성과 우주선 내 상황 인식을 향상시키기 위해 Amazon (AMZN ) 및 Cisco와 협력해 Callisto라는 AI 기반 통신 소프트웨어를 개발했습니다. 최근에는 위성 솔루션 제공업체 Terran Orbital을 4억 5천만 달러에 인수했습니다.
Airbus는 주로 상업용 항공기의 설계 및 제조에 관여합니다. 제품의 CO2 배출량을 줄이기 위해, 항공기 생산을 위한 바이오 기반 소재를 개발하고 있습니다. 이를 위해 회사는 날개나 동체 껍질과 같은 부품에 사용되는 화석 연료 기반 탄소 섬유의 대안을 모색하고 있습니다.
이제 몇몇 주요 기업을 더 자세히 살펴보겠습니다:
#1. Raytheon Technologies
항공 전자, 방위 전자 및 미사일 시스템에 집중하는 Raytheon은 2020년에 United Technologies와 합병을 완료하여 세계에서 가장 진보된 항공우주 및 방위 시스템 제공업체를 설립했습니다.
회사가 전 세계에 제품과 전문성을 제공함에 따라, 올해 주목할 만한 발전 사항은 다음과 같습니다:
- 이미징 응용 분야에 사용되는 양자 광학 센서를 위해 DARPA에 선정되었습니다.
- 프리미엄 항공 여행의 미래로 MAYA를 공개했습니다.
- 제조 성장 촉진을 위해 스포캔에 2억 달러를 투자했습니다.
- 국제우주정거장을 위한 차세대 우주복의 승무원 능력 평가 테스트를 완료했습니다.
- 미사일 개발 프로그램을 위한 전자 유닛 현대화 계약 3억 4천4백만 달러를 수주했습니다.
작성 시점 기준으로 Raytheon(RTX:NYSE) 주가는 $118.35이며 연초 대비 40.66% 상승했습니다. 회사의 시가총액은 1,574.3억 달러이고 배당 수익률은 2.13%입니다.
RTX 가격 차트
2024년 2분기에 회사는 매출 197억 달러를 보고했으며, 이는 전년 대비 8% 증가한 수치이고 영업 현금 흐름은 27억 달러였습니다. Raytheon은 상업 부문 1,290억 달러와 방위 부문 770억 달러를 포함한 2,060억 달러의 주문 잔량을 기록했습니다. 조정 주당순이익(EPS)은 $1.41로 전년 대비 9% 상승했습니다.
“RTX는 2분기에 10%의 유기적 매출 성장, 세 부문 전반에 걸친 조정 마진 확대, 그리고 22억 달러의 자유 현금을 창출하며 강력한 운영 성과를 달성했습니다.”
– RTX 사장 겸 CEO Chris Calio
그는 또한 주문 잔량과 “포트폴리오 전반에 걸친 전례 없는 수요”를 감안해 혁신적인 기술 및 역량에 투자하는 데 집중하고 있다고 언급했습니다.
#2. Northrop Grumman
방위 및 항공우주를 전문으로 하는 Northrop Grumman (NOC ) 은 무인 시스템, 사이버 보안 및 제임스 웹 우주망원경을 포함한 첨단 우주 시스템 분야에서 유명합니다. 또한 B-12 폭격기와 Sentinel 프로그램을 개발 중이며, Elon Musk의 SpaceX와 미국 정찰 위성 시스템을 협력하고, EpiSci와 첨단 자율성 능력을 파트너십하며, Andøya Space와의 협력을 통해 노르웨이의 장기 방위 계획을 지원하고 있습니다.
NOC 가격 차트
작성 시점 기준으로 Northman 주가는 $504.87이며 연초 대비 7.85% 상승했고, 회사의 시가총액은 738.3억 달러입니다. 배당 수익률은 1.63%입니다. 2024년 2분기에 매출은 6.7% 증가한 102.2억 달러를 기록했습니다. 이 분기에는 11.1억 달러 이상의 자유 현금 흐름이 발생했으며, 비용에는 약 30억 달러의 연구개발비와 18억 달러의 자본 지출이 포함되었습니다. Northrop의 EPS는 $6.36으로 예상치를 7.6% 초과했습니다.
회사는 특히 항공, 무기 시스템 및 첨단 전자 분야에서 부문별 견고한 성장을 예상하고 있습니다. 취소된 프로그램으로 인해 내년 우주 부문은 약간 감소할 것으로 보이지만, 이후 성장세가 회복될 것으로 기대됩니다. 고체 로켓 모터용 과산화암모늄 공급망 제약을 인정하면서, CEO Kathy Warden은 비용 절감을 위해 공군과 협력하고 있다고 언급했습니다.
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결론
항공우주 시장은 현재 약 3천억 달러 규모이며, COVID-19 팬데믹 동안 일시적으로 감소했지만 2028년까지 4,600억 달러를 초과할 것으로 예상됩니다. 한편, 항공우주 부품 제조 시장의 매출은 이번 십년 말에 1조 2,300억 달러를 넘어설 것으로 전망됩니다.
산업이 겪고 있는 성장에 비추어 볼 때, 기술 혁신은 빠른 속도로 진행되고 있습니다. 전기 추진 시스템을 통한 보다 효율적인 항공기, 첨단 복합 소재의 개발, 완전 자율 항공기 구현을 위한 AI 및 센서 기술의 진보, 그리고 재생 가능한 원료에서 추출된 지속 가능한 항공 연료(SAFs)의 연구 및 채택 등 다양한 혁신이 동시에 일어나며, 이들 혁신은 항공우주의 미래를 형성하는 데 큰 변화를 가져올 수 있습니다.
