우주 산업을 위한 경량 소재 생산을 위한 새로운 파트너십 구축
룩셈부르크 과학기술연구소(LIST)는 항공 및 우주 산업을 위한 초경량 구조물을 연구하고 생산하기 위해 룩셈부르크 기업 Gradel과 새로운 파트너십 벤처를 설립한다고 발표했습니다. 위성 제작에 있어 유럽의 거대 기업인 탈레스 알레니아 스페이스(프랑스), 에어버스 디펜스 앤 스페이스(프랑스), OHB(독일)를 위해 부품을 생산할 예정입니다.
우주와 인공위성의 영역에서 무게는 비용이 많이 듭니다. 우주로 운반하는 제품의 무게가 무거울수록 비용이 더 많이 듭니다. 실제로 현재 추정되는 비용은 킬로그램당 약 5,000~10,000유로이며, 이는 위성을 우주로 보내는 회사에서 무게를 줄이면 재정적으로 이득이 된다는 것을 의미합니다.
새로운 파트너십은 초경량 3D 구조물을 만드는 필라멘트 와인딩 공정에서 연속 탄소섬유 강화 폴리머(CFRP)를 사용하여 매우 견고하면서도 초경량 구조물을 생산하는 것을 목표로 하고 있습니다.
탄소 섬유는 폴리머로 코팅되어 물체 전체를 고체화하여 매우 견고하고 탄력적입니다. 함침된 탄소 섬유를 감아 최적화된 3D 메시 디자인을 형성하여 부품에 특별한 기계적 특성을 부여합니다.
리스트-그라델 연구소에서는 두 가지 프로젝트가 진행될 예정인데, 첫 번째 프로젝트는 필라멘트를 수작업으로 직조하여 부품을 제작하는 'xFKin3D'입니다. 이 프로젝트는 xFKin3D 기술로 생산된 구조 부품의 실증 공간 사용 표준을 목표로 합니다.
두 번째 프로젝트인 '로봇화된 xFKin3D'는 첫 번째 프로젝트와 동일한 부품을 생산하되, 최근 리스트에 설치된 새로운 로봇 팔을 사용하여 완전 자동화된 제조 공정을 통해 동일한 강도와 품질로 뛰어난 반복성을 보장하면서도 더 큰 규모로 생산해야 하는 과제에 도전하게 됩니다.
생산된 부품은 안테나 지지대, 위성의 장비용 브래킷 등 모든 부품에 사용됩니다. 현재 이러한 부품의 대부분은 금속으로 되어 있어 상대적으로 무겁습니다. 룩셈부르크에서 생산되는 리스트와 그라델의 이 새로운 기술을 통해 금속 부품에서 벗어나 최대 75%의 무게를 줄일 수 있어 기업은 상당한 비용을 절감할 수 있습니다.
두 프로젝트는 룩셈부르크에 설립된 기업이 혁신적인 아이디어를 시장에 출시할 수 있도록 자금을 지원하는 것을 목표로 하는 룩셈부르크 국가 우주 프로그램 LuxIMPULSE의 지원을 받습니다. 이 프로그램은 룩셈부르크 우주국(LSA)이 유럽우주국(ESA)과 함께 관리합니다.
풍력 터빈 블레이드용 새로운 탄소 섬유, 비용 및 성능 이점을 가져올 수 있습니다.
샌디아 국립연구소의 연구진이 주도한 연구에 따르면 새로운 탄소 섬유 소재가 상업적으로 개발되면 풍력 산업에 비용과 성능 면에서 이점을 가져올 수 있다고 합니다.
탄소 섬유를 함유한 바람 날개는 기존 섬유 유리 소재로 만든 날개보다 무게가 25% 더 가볍습니다. 즉, 탄소섬유 블레이드가 섬유유리 블레이드보다 길어 바람이 약한 지역에서 더 많은 에너지를 포집할 수 있습니다. 샌디아 연구소의 풍력 에너지 연구원이자 이 프로젝트의 수석 연구원인 브랜든 에니스는 탄소 섬유 소재는 피로 저항성이 높기 때문에 탄소 섬유로 전환하면 블레이드 수명을 연장할 수 있다고 말합니다.
이 프로젝트는 DOE의 에너지 효율 및 재생 에너지 부서의 풍력 에너지 기술 사무소에서 자금을 지원합니다. 이 프로젝트의 파트너로는 오크리지 국립연구소와 몬태나 주립대학교가 있습니다.
풍력 터빈을 생산하는 모든 회사 중 블레이드 설계에 탄소섬유 소재를 광범위하게 사용하는 회사는 단 한 곳뿐입니다. 풍력 터빈 블레이드는 세계에서 가장 큰 단일 부품 복합 구조물이며, 유리섬유 강화 복합재와 비용 면에서 경쟁할 수 있는 소재가 상용화된다면 풍력 산업은 무게 기준으로 탄소섬유 소재의 가장 큰 시장이 될 수 있다고 에니스는 말합니다.
풍력 산업에서는 부품 설계 시 비용이 주요 고려 사항이지만 터빈 제조업체는 블레이드가 최대 30년 동안 회전하면서 발생하는 압축 및 피로 하중을 견딜 수 있는 블레이드를 제작해야 합니다.
에니스와 그의 동료들은 오크리지 국립연구소에서 개발한 새로운 저비용 탄소 섬유가 풍력 산업에 비용 이점을 제공하면서 성능 요구를 충족시킬 수 있는지 궁금해했습니다. 이 소재는 두꺼운 아크릴 섬유 다발을 포함하는 섬유 산업에서 널리 사용되는 전구체에서 시작됩니다. 섬유를 가열하여 탄소로 전환하는 제조 공정에 이어 탄소 섬유를 판자로 만드는 중간 단계가 이어집니다. 판자를 만드는 인발 공정은 블레이드 제조에 필요한 높은 성능과 신뢰성을 갖춘 탄소 섬유를 만들고 높은 생산 능력을 가능하게 합니다.
연구팀은 이 저비용 탄소 섬유를 연구한 결과, 풍력 산업에서 가장 관심 있는 비용별 특성 측면에서 현재 상용 소재보다 우수한 성능을 보인다는 사실을 발견했습니다.
ORNL은 탄소 섬유 기술 시설에서 탄소 섬유 개발 샘플과 이 소재로 만든 복합재, 상용 탄소 섬유로 만든 유사한 복합재를 비교하기 위해 제공했습니다.
몬태나 주립대학의 동료들은 새로운 탄소 섬유의 기계적 특성을 시판되는 탄소 섬유 및 표준 섬유 유리 복합재와 비교하여 측정했습니다. 그런 다음 Ennis는 이러한 측정값을 ORNL의 비용 모델링 결과와 결합했습니다. 그는 이러한 데이터를 블레이드 설계 분석에 사용하여 표준 탄소 섬유나 유리 섬유 대신 새로운 탄소 섬유를 풍력 블레이드의 주요 구조 지지대로 사용하는 것이 시스템에 미치는 영향을 평가했습니다. 이 연구는 미국 에너지부 풍력 에너지 기술 사무소의 지원을 받았습니다.
에니스와 그의 동료들은 새로운 탄소 섬유 소재가 업계 기준인 상용 탄소 섬유보다 달러당 압축 강도가 56% 더 높다는 사실을 발견했습니다. 일반적으로 제조업체는 부품을 만드는 데 더 많은 재료를 사용하여 압축 강도를 낮추기 때문에 비용이 증가합니다. 새로운 탄소 섬유의 비용당 압축 강도가 더 높다는 점을 고려할 때, 에니스의 계산에 따르면 풍력 터빈 블레이드의 주요 구조 부품인 스파 캡의 경우 새로운 탄소 섬유로 만들면 상용 탄소 섬유에 비해 재료비가 약 40% 절감될 것으로 예상됩니다.