해외과학 기술 동향
2013-05-15
세계 최대 제트엔진 제조사이자 GE사와 Snecma사의 합작사인 CFM은 차세대 엔진을 개발하였다. 이 엔진을 통해 비행 연료의 약 15%를 절감할 수 있어 연간 비행기 한 대당 약 1백만 달러의 비용을 절약하면서 탄소 배출은 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
LEAP라고 불리는 이 새로운 엔진은 과거 대규모 제트엔진 생산에 적용된 적이 없었던 기술을 특징으로 한다. 즉, 세라믹 복합재료를 이용하여 금속 합금보다 훨씬 가벼우면서 높은 온도에서 견딜 수 있는 내구성을 갖고 있다. 또한 이 엔진은 3-D 프린팅을 통해 생산된 부품을 이용한다. 이는 일반 제조기술을 이용하기 어렵거나 생산이 불가능한 아주 복잡한 형태를 생산할 수 있는 기술이다. LEAP 프로그램의 담당자인 Gareth Richards는 이들 기술들을 활용하여 보다 많은 엔진 부품을 만들 수 있을 것이라 말한다.
첫 번째 엔진에 대한 제작이 2주 전부터 시작되었지만 이미 4,500건의 주문을 받았다. 새로운 엔진은 Airbus A320neo, Boeing 737 Max, 그리고 중국에서 제작한 Comac C919 항공기에 사용될 예정이다. 비용을 절감하는 것 이외에도 이 엔진은 스모그(Smog)를 형성하는 NOx와 같은 공해물질 및 이산화탄소의 배출을 줄일 수 있어 현재 및 향후의 배출규정을 충족시키는데 도움을 줄 것이다.
이번 기술의 주요 혁신 중 하나는 GE사가 개발한 세라믹 복합재료를 이용한다는 점이다. 세라믹은 높은 온도에서 견딜 수 있는 내구성이 있다. 그러나 이들을 엔진에 사용하기에는 너무 취성이 약하다는 단점이 있었다. 이에 GE의 연구원들은 금속에 탄성력이 있는 실리콘 카바이드 섬유(Silicon Carbide Fibers)를 세라믹 보강재료로 활용하였다. 세라믹은 엔진을 냉각시키는데 사용되는 에너지양을 저감하는 효과가 있다. 현재 엔진은 재료로 사용되는 니켈 금속 합금의 녹는점보다 훨씬 높은 온도에서 가동되고 있다. 따라서 엔진을 보호하기 위해 엔진 내 작은 구멍을 통해 공기를 엔진으로 흐르게 하여 일종의 보호 냉각층(Protective Cooling Layer)을 만든다. 세라믹 복합재는 이러한 냉각 과정이 필요없기 때문에 추가적인 공기를 추진력 발생에 활용할 수 있다.
현재 LEAP 엔진에서 있어 세라믹 복합재료는 니켈 합금 부품만을 대체할 계획이다. 그러나 미래에는 이들이 보다 많은 엔진 부품에 활용될 수 있을 것이며, 냉각과정으로 인해 손실되는 부분도 줄어들 것이다. 또한 이러한 변화는 엔진이 더 높은 온도에서 가동할 수 있게 하여 더 높은 추진력을 가질 수 있다. 그리고 이들 복합재료는 니켈 합금 대비 1/3의 무게이기 때문에 엔진 경량화에도 도움이 된다.
또한 이 엔진은 3-D 프린트 기술을 적용하여 엔진의 효율을 높이고 배출을 저감할 수 있다. 이 시스템은 최근 주목을 받고 있는 데스크탑용 3-D 프린터보다 훨씬 정교하고 강력하다. 이 장치는 물질을 증착하는 대신 레이저를 이용하여 금속 분말을 한층 한층씩 쌓아 고체 모양을 만들어 낸다. 이러한 방법은 고온에서 엔진을 가동하게 하여 질소 산화물을 생산하지 않도록 도와주는 연료 노즐 형태를 정확하게 만드는데 도움을 준다.
다른 엔진 회사인 Pratt & Whitney는 연료 소비를 약 15%까지 절감할 수 있는 자신들만의 차세대 엔진을 개발하고 있다. 그러나 Pratt & Whitney의 기술은 접근 방법에 있어 차이를 보이고 있다. 이들은 복합재료를 사용하는 것보다는 최적화된 속도로 엔진의 각 부품들이 작동할 수 있도록 도와주는 기어(Gear)를 활용하고 있다.
키워드 : 제트엔진, 세라믹, 연료 소비
