3D 프린터(7) : 건축 분야 및 우주 개발

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④ 건축 분야

사람들을 놀라게 하는 것은 딱딱하기 그지없는 건물도 3D 프린터로 만들 수 있다는 것이다. 기본적으로 3D 프린터는 평면을 의미하는 2D를 입체화시켰다고 이야기하지만 건물까지 3D프린터로 만든다는 것은 그야말로 상상을 초래한다. 그러나 3D 프린터로 형태가 있는 것이라면 어떤 대상도 만들 수 있으므로 이상스럽게 생각할 것은 아니다.

2014년 4월 놀라운 내용이 발표되었다. 중국 상하이의 양주양신소재주식회사가 3D프린터 4대를 사용하여 단 하루 동안 200제곱미터의 집 10채를 건설했고 이후 수 백 채씩 건설하고 있다는 것이다.

구조물 재료도 일반 건축물과 마찬가지인데 빨리 마르는 시멘트와 유리섬유를 사용하여 이를 조립했다. 또한 집안의 모든 가구나 필요한 물건도 프린트 가능하다. 즉 최종 목적지에 인쇄된 주택을 운반하고 조립하여 고객에게 제공한다. 특히 내 집의 구조, 색상, 내부 인테리어를 지정하여 3D프린트사에 연락만 하면 내 집 터에 와서 프린트해주거나, 공장에서 프린트해서 싣고와 조립해주기만 하면 된다.

 

5미터높이대형프린터로 만드는 네덜란드건축물

프린터로 건축자재를 만들어 조립한 것을 건축물이라 할 수 있느냐는 비아냥도 받았지만 사용된 '잉크' 즉 건축자재는 재활용이 가능하며, 산업폐기물이나 쓰레기로 만든 건축자재도 재활용한다. 건설비용은 한 채당 4,000달러 약 500만원에 불과했다.

황량함과 추위를 대변하는 러시아에서도 3D 프린터로 만든 주택이 발표되었다.

러시아의 Apis Cor3D 인쇄하우스는 영하35도의 날씨인데도 단 하루 만에 38제곱미터의 소형 주택을 건축했다고 발표했다. 이 역시 재료가 콘크리트이므로 구조적인 문제도 없다. 내장과 외장은 석고로 만들어 쉽게 도장 가능하며 폴리우레탄폼으로 단열처리하여 혹독한 시베리아 기후에 대처토록 했다. 재료를 복합수지로 만들면 혹독한 기후에 영향을 받지 않고 년중 건설할 수 있다. 3D 프린터로 만들었음에도 실내는 쾌적한 공간을 만들 수 있는데 건축비는 10,134달러에 불과했다. 일반적으로 현재의 기술로도 기존 건축비보다 70% 이상 절감할 수 있다고 평가된다.

 

러시아 3D프린터로 건설한 주택

하루 만에 프린트되는 집들은 약간의 엔지니어링 작업, 설비, 캐비닛, 배관, 전기공사, 난방 및 에어컨등은 모듈화로 해결한다. 즉 덕트, 배관, 배선 채널구조는 인쇄 할 수있고, 물, 전력, 히터만 추가하면 금방 들어가서 살 수 있는 집이 된다. 또한 홍수, 화재, 흰개미 등의 공격에서 건물이 손상되었을 때 집을 새로 짓는 것이 아니라 손쉽게 프린트하여 집을 마련한다. 집을 다시 프린트할 수 있다면 수십 년 동안 도시를 유령화로 인해 비어있는 주택들을 제거하고 새로운 주택을 프린트해서 도시를 재건할 수도 있다.

이때 심각한 타격을 받는 분야는 보험과 부동산 시장이다.

건축물의 희소성이 대부분 사라지고 누구나 다 프린트한 집을 보험에 들 필요가 없다. 주택을 불연성 재료로 인쇄하면 더 이상 화재보험도 들 필요가 사라진다. 한마디로 수백만 원 짜리 집에 화재보험을 넣을 사람이 거의 없어진다. 보험에 대한 필요성이 제거되는 시대가 올 수 있다는 것이다.

3D프린터 기술의 발전은 싼값으로 아파트나 콘도 등 고층 건물에도 건설할 수 있다.

실제로 네덜란드 건축사들은 ‘방제조기’라는 뜻의 6미터짜리 카머르메이커(KamerMaker)라는 건축용 프린터를 자체개발했다. 이 프린터는 커다란 빌딩이라도 조각내어 레고처럼 조립하는 형식으로 건설할 수 있다.

3D 프린터는 궁극적으로 DIY(Do It Youself) 스타일로 원하는 형태의 건물을 자유롭게 짓게 만들 수 있다. 학자들은 현재 3년의 공사기간이 걸리는 건축물이라면 3주일로 단축시킬 수 있다고 예상한다. 이들의 장점은 건설폐기물이 사라지고 운송비가 절감되며 건물을 해체하여 녹인 후 재활용할 수 있다는 점이다. 한마디로 건축/건설업의 판도가 바뀌는 것이다.

전문가들이 3D 프린터로 만든 집이 폭발적인 인기를 끌 것으로 추정하는 것은 자신이 프린터하여 만든 집에 살다가 마음에 들지 않으면 비용이 저렴하므로 다른 구조로 또다시 손쉽게 프린트하여 완전히 새로운 집으로 이사할 수 있다는 점이다. 일부 학자들은 미래 세대의 유목생활에 가장 적합한 주택 즉 프린트된 주택이 종래 집짓는 건설업체를 파괴할 수 있는 무기로 등장할 것으로 예상한다.

네덜란드에서 3D 프린팅 기술로 만든 자전거 전용 콘크리트 다리가 등장했다.

길이 8미터의 이 다리는 자전거 전용 도로로 일반 차량이 다닐 수 있는 것은 아니지만 다리 전체를 3D 프린터로 만들었다. 3D 프린터로 콘크리트 구조물을 만든 뒤 현장에서 이를 조립해 다리를 완성한 것으로 3D 프린팅 기술이 건설업에 새로운 가능성을 열어줄 뿐만 아니라 환경친화적이라는 점에서 큰 주목을 받았다. 특히 건축에 필요한 만큼만 프린트하기 때문에 사용하고 남는 원자재가 적고, 건축 쓰레기도 그만큼 줄어들게 되며, 가격이 싸고 공사 기간이 전통적 방식에 의한 건설보다 짧은 장점이 있다.

대형 건축물을 설계할 때 모형을 만드는 것은 매우 중요하다.

모형을 만들어보면 실제 건축할 때 발생할 수 있는 문제점들을 사전에 체크할 수 있기 때문이다. 그런데 3D프린터는 제작하기 어려운 모형을 간단하게 해결한다. 건축 모델링 서비스 업체 중의 하나인 <모델지움>은 용산지구 전체 개발 지역을 3D프린터를 사용하여 축적 모형으로 제작했다. 새롭게 개발되는 용산지구는 620m 높이의 랜드마크 타워를 비롯해 20동에 이르는 상징적인 신축 건물들로 구성되었는데 이를 간단하게 3D 프린터로 해결한 것이다. 3D 프린터가 모형업자들이 4차 산업혁명시대에 살아남는 방법을 간명하게 보여주었다고 볼 수 있다.

 

⑤ 우주 개발

3D 프린터의 활약은 우주로도 이어진다.

중국의 우주에 대한 포부는 대단하다. 미국에 이어 세계 2위 규모의 우주 개발 예산을 투자하고 있는 중국은 달 탐사와 화성 탐사, 달 기지 계획까지 추진하고 있다.

중국의 창어 4호가 2018년 1월 달 착륙에 성공했다. 이것은 미국, 러시아에 이은 세 번째 달 착륙으로, 인류 최초의 달 뒷면 착륙이다. 여기에 그치지 않고 중국은 창어 5호를 달에 착륙시켜 월면 샘플을 채취해서 지구로 귀환한 후 그 샘플을 사용해서 3D 프린팅 기술로 달에서 직접 구조물을 제작하는 실험을 하겠다고 발표했다.

지구에서 달까지 물자를 운반해서 구조물을 건축하는 것은 여러모로 불리하다는 잘 알려진 사실이다. 반면에 현지에서 흔하게 구할 수 있는 달 모래를 활용하면 콘크리트를 만들 수가 있고, 산소와 물까지 추출할 수 있을 것으로 기대되는데 이를 3D 프린터가 담당한다는 것이다.

중국이 달에 기지를 건설하겠다는 것은 달 남극에 소중한 물이 있기 때문이다. 여러 탐사선의 조사 결과, 주로 달 극지방에 물이 존재하는데 지구의 사막보다 더 적게 분포하지만, 외계 환경에서 의미 있는 분량이라고 설명된다.

미국도 달 남극점 근처의 섀클턴 크레이터(Shackleton crater) 달 기지를 건설하겠다고 발표했다. 이곳 크레이터 내부의 영구 음영 지대에 얼어붙은 물이 존재하며 일조량이 많아서 전력 생산에 유리한 곳이다. 이런 프로젝트를 위해 3D 프린터가 결정적인 역할을 할 수 있다는 것이다.

우주 프로젝트에 3D 프린팅 기술을 채택하는 이유는 합리적 비용과 유연성 때문이다. 대량 생산에 맞춰진 사출 방식은 많은 비용이 들어가지만 3D 프린팅 방식은 소량 생산이 가능하다. 부품 모양이나 소재도 쉽게 변경할 수 있어 원하는 부품을 신속하게 제작할 수 있다.

그러나 우주에서 3D프린터의 장점은 3D 프린터로 우주에서 직접 필요한 물건들을 만들 수 있기 때문이다. 현재 지구에서 우주선에 물건을 쏘아 보내는 데 1kg 당 약 5,000만 원의 비용이 들지만 3D 프린터로는 이들 물건들을 우주에서 직접 만들어 절대 경비를 줄일 수 있다. 실제로 미국의 NASA는 2014년 국제우주정거장에서 3D 프린터로 물건을 제작하는데 성공했다고 발표했다.

화성을 향한 인류의 관심이 그 어느 때보다도 높아지고 있는 상황에서, NASA는 화성 유인기지 주택 설계 공모전을 개최했다. 2015년부터 시작되었는데 화성에 기지를 건설하는 것은 생각보다 어려운 작업이다. 특히 기지 건설에 필요한 모든 자재를 지구에서 수송할 수 없으므로 최대한 현지에서 조달해야 한다는 것이 관건이다.

NASA가 내세운 조건은 단 하나로 건축 면적 93㎡ 정도 크기의 거주 공간에서 4명의 탐사대원들이 12개월 정도 거주할 수 있는 기지를 3D 프린터를 이용해 건설하되, 화성 현지에 있는 무기질과 같은 소재를 이용해야 한다는 것이다. 그러므로 공모전의 정식 명칭도 ‘3D Printed Habitat Challenge’이다.

 

공모전 응모작 Mars X

총 77개 팀이 응모하여 2단계를 통과한 팀은 불과 5개에 불과했는데 한국건설기술연구원과 한양대학교가 팀을 이룬 ‘문엑스컨스트럭션(MoonX Construction)’이 월등한 기술과 아이디어로 1등을 차지했고 3단계에서 3위를 차지했다. 우주에서 3D 프린팅의 역할이 얼마나 중요한지 보여준다.

또한 3D 프린터는 장거리 우주여행, 화성유인탐사는 물론 화성의 지구화 즉 텔레포밍에도 큰 도움을 줄 것으로 전망된다. 화성까지 현재의 우주선 능력으로는 단행으로 8개월 정도 걸리지만 이를 절반으로 단축하더라도 왕복에 1년 정도가 걸린다. 문제는 그동안 맛없기로 유명한 우주식량으로 배를 채워야 한다.

이런 문제 해결에 3D프린터가 나섰다. 장거리 우주여행에서 먹는 일은 아주 중요한데 우주선은 공간이 제한적이라서 적재량에 문제가 있고 요리할 수 있는 환경을 갖추는 것도 불가능에 가깝다. 원리는 간단하다. 우선 우주여행용 음식에 필요한 재료를 모두 가루 형태로 만들고 이를 3D푸드 프린터로 음식을 만드는 것이다. 초콜릿을 입힌 쿠키는 물론 피자도 만들 수 있다. 피자 인쇄 방법은 매우 간단하다.

 

‘뜨겁게 달군 쟁반 위에 도우를 인쇄한다. 쟁반이 달궈져 있어 인쇄와 동시에 도우가 구워진다. 이 위에 가루 형태로 저장해둔 토마토소스를 물과 기름을 섞어서 인쇄한다. 마지막으로 맛있는 단백질 층을 쌓아 토핑을 하면 완성된다.’

 

모든 재료를 가루로 만들어 합성하기 때문에 단백질 층 재료는 동물이나 우유, 식물을 포함해 어떤 것을 사용해도 문제가 없다. 3D푸드 프린터는 재료도 모두 가루 형태로 만들어 쓰기 때문에 원재료를 다양하게 바꿀 수 있다는 큰 장점이 있다. 단백질 성분으로 고기류 대신 벌레나 콩과 같이 자연에 널려 있지만 직접 먹기에 거부감이 있거나 잘 먹지 않는 수많은 동식물도 음식 재료로 사용할 수 있다는 얘기다. 해조류나 풀, 각종 씨앗, 벌레 같은 다양한 요소를 음식으로 활용한다면 지구 환경 보호에도 크게 기여할 수 있다.

 

화성탐사로봇 Rover

3D프린터로 달 또는 화성에서 지구에서처럼 맛있고 다양한 음식을 먹을 수도 있다는 것은 달이나 화성에서 장기간 머무는 지루한 우주여행을 보다 유쾌한 환경으로 바꿀 수 있다는 뜻이다.

그동안 NASA가 3D 프린팅기술을 우주 기술에 적용하고 있었던 것은 잘 알려진 사실이다. NASA는 탐사로봇인 로버(Rover)를 화성에 착륙시켰는데 이 로버 속에 들어 있는 통풍구, 유선형 공간, 카메라 장착대 등 중요한 장치 70여 가지를 3D 프린터로 제작했다.