따뜻한 겨울부터 안전한 우주 비행 만드는 '열 차폐'[아무Tech]

(서울=뉴스1) 김승준 기자 = "열은 항상 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐른다"

거스를 수 없는 열역학 법칙이다.

인류는 추위를 이기려 이 법칙에 저항해 왔다. 열의 흐름을 막는 차폐는 엄밀히 말하면 불가능하지만 줄이는 것은 가능하다.

열은 전도, 대류, 복사라는 방식으로 흐르게 된다. 전도는 물질이 정지된 상태에서 고온 부위에서 저온으로 열이 흐르는 것이다. 대류는 물과 공기 같은 흐르는 물질의 흐름에 따라 열이 이동하는 현상이다.

복사는 전달 물체가 없어도 전자기파의 형태로 열에너지가 전달되는 현상이다. 태양에서 오는 열은 복사의 형태로 지구에 전달된다.

열 차폐는 전도, 대류, 복사를 줄이는 기술이다.

공기는 일반적인 고체보다 전도율이 매우 작다. 단열재로 쓰이는 폴리우레탄 폼에는 미세한 구멍이 많아 공기가 채워져 있다. 소위 뽁뽁이라고 부르는 에어캡이라도 같은 원리로 열의 흐름을 막는다. 패딩 점퍼도 마찬가지다.

진공 보온병은 진공으로 열전도와 대류를 최소화한다. 반사 코팅도 적용돼 복사에 의한 열 손실을 줄여 맹추위에도 음료를 따뜻하게 지켜준다.

열 차폐 기술은 이처럼 일상의 의식주 모두에 녹아들어 있다. 일상을 넘어 우주로 진출하려는 인류의 도전에서도 열 차폐는 중요한 과제다.

지구 중력을 이겨내고 대기권을 탈출하는 과정에서 대기 마찰로 엄청난 열이 발생한다. 또 대기권을 빠져나가면 절대영도에 가까운 우주공간을 만나게 된다. 다시 지구로 돌아오려 해도 대기권에서 마찰열을 막아야 한다.

2003년 우주 왕복선 컬럼비아호는 지구에서 발사되며 외부 연료 탱크에서 떨어져 나온 단열재 조각이 왼쪽 날개의 열 차폐 시스템을 손상했다. 16일 후 지구로 복귀 중 손상 부위를 통해 대기 마찰로 발생한 열이 내부에 유입됐다. 약 1300도 이상의 열은 비행선 구조물을 녹여 승무원 7명이 모두 사망하는 비극으로 이어졌다.

우주 분야에서는 열의 흐름을 막으려고 다층 구조 설계, 신소재 개발이 활발하게 이뤄지고 있다.

다층 구조 설계는 복사를 줄이는 반사막과 전도를 최소화하는 단열재를 층층이 쌓아 열 차폐를 달성한다.

또 우주왕복선 맨 앞과 같이 고온을 견뎌야 하는 부위는 강화탄소-탄소 복합재로 만든다. 더 가볍고 열을 잘 버티는 소재를 찾고자 나노 복합재, 세라믹 복합재도 시도되고 있다.

우주선, 인공위성 표면에는 다양한 재질을 활용한 열제어 코팅이 되어있는 경우가 있는데 필요에 따라 태양에서 오는 복사선을 반사하거나 흡수해 태양에 의한 온도 변화를 막는다.

이런 열제어 코팅 기술은 우주뿐 아니라 건물이나 유통용 컨테이너 등으로 확산해 지구에서의 에너지 사용을 줄이는 데 기여하고 있다.

seungjun241@news1.kr