하늘과 해양에서 소음 없앤 게임 체인저 '토로이달 프로펠러'

이상한 모양으로 뒤틀려 있는 토로이달 프로펠러는 항공과 해양 분야에서 혁신적인 진보를 실현했다. 하늘과 해양 두 방향에서 토로이달 프로펠러는 기존의 전통적인 프로펠러보다 훨씬 조용하고 엄청난 효율성 향상을 보여준다.

캐나다 과학전문지 뉴아틀라스가 최근 보도한 내용에 따르면 토로이달 프로펠러는 좀처럼 바뀌지 않는 디자인에서 혁신적이고 흥미로운 디자인으로 변모되어 소음과 에너지 소비를 크게 줄였다고 밝혔다.
원래의 프로펠러 기능은 일반적으로 공기와 물과 같은 유체를 통과시키기 위해 회전운동을 이용하는데, 이 운동은 아르키메데스의 나사로부터 진화한 것이다. 기원전 234년 아르키메데스가 기술하기 수천 년 전부터 고대 이집트에서 사용되었을 것이라는 학설도 있다.

그러나 이 프로펠러 장치는 오랫동안 디자인 변화가 거의 없었다. 소품으로 구동되는 항공기는 여전히 2400년 전 중국 아이들이 즐기던 대나무 헬리콥터와 유사한 뒤틀린 디자인 형태의 항공기 이륙을 돕는 날개 소품을 그대로 사용하고 있다.
멀티콥터 소품의 주요 문제 중 하나는 성가신 소음이다. 대부분 아기의 울음소리와 같은 주파수 범위에 있기 때문에 종종 ‘우는 소리’라고 설명된다. 인간은 약 100HZ에서 5HZ 사이의 소리에 가장 민감한 경향이 있다. 이것은 진화론적으로 언어 소통의 핵심인 모음 소리를 들을 수 있는 곳이다.

그러나 멀티콥터가 빠르고 저렴하며, 깨끗한 항공 배송 서비스를 하기 위해서는 소음이 중요하다. 이 점을 감안한 연구팀은 토로이달 프로펠러를 개발했다. 이 프로펠러는 전통적인 디자인보다 훨씬 더 조용하고 해양과 하늘 공간에서 획기적인 발전을 이뤘다.

MIT의 링컨연구소에서 이온 추진 소음이 없는 비행기를 연구하고 있는 한 연구팀은 멀티콥터의 소품 소음이 다른 모양의 프로펠러로 완화될 수 있을지 연구를 통해 해결했다고 설명한다.

연구팀은 더 조용한 프로펠러를 만들기 위해 고리 모양의 날개 개념을 생각해냈다. 이 개념을 3D 프린터로 여러 번 반복 작업을 수행한 끝에 전체 소음 수준뿐만 아니라 1~5kHz 범위에서 소음을 줄이는 설계를 실제로 발전시켰다.

소음은 돌진하는 산들바람처럼 들렸다는데, 이는 프로펠러에서 발생하는 소용돌이를 전체 모양으로 분산시켜 대기 중에서 효과적으로 더 빨리 소멸시키는 방법으로 소음을 크게 줄인 것이다. 또 안전 관점에서 프로펠러 가드 역할을 할 수 있는 프로펠러 경로 주변에 음향 처리 링을 배치함으로써 어느 정도 해결될 수 있었다고 보고서는 설명한다.

이 같은 설계가 고정익 항공기의 기존 프로펠러를 대체하거나 실제로 전기 VTOL 에어 택시에서 더 큰 규모로 관련성이 있는지 여부는 불분명하다. 후자는 이미 헬리콥터보다 훨씬 조용한 것처럼 보이지만 빠르고 저렴한 친환경 항공 운송으로 도시 영공을 범람하게 되면 공공 및 규제 저항과 관련하여 모든 소음이 계산되기 때문에 구체적인 실험 결과가 나와야 한다.

문제는 실제로 더 큰 소품이 오디오 스펙트럼에서 어떤 종류의 주파수를 차지할 것인지, 그리고 토로이드 소품이 사운드를 인간 친화적인 방향으로 이동시키는지 여부이다.

이 소음을 줄인 MIT연구팀은 디자인에 대한 특허를 받고, 상용화 계획이 있는지 여부는 분명하지 않지만 관심 있는 제조업체에 라이선스를 부여할 준비가 되었다고 밝혔다.

드론과 항공은 한 가지이지만 공기 역학과 유체 역학은 밀접한 관련이 있다. 그리고 해양 공간에서 이미 매우 유사한 접근 방식을 취하면서 생산이 임박한 제품이 있음이 밝혀졌다.

샤로우 마린社는 표준 블레이드 대신 토로이달 루프를 사용하는 보트 프로펠러에서 놀라운 결과를 얻었다고 밝혔다. 샤로우 마린은 수년간 개발을 통해 수백 개의 표준 프로펠러 소품을 실험했다.

이 과정에서 샤로우의 소품은 엄청난 양의 에너지를 절약할 수 있었다. 샤로우의 토로이달 소품은 추진력이 밀려나지 않고 프로펠러의 측면 밖으로 미끄러지는 유체의 양을 크게 줄여 더 많은 물을 빨아들이고 턴당 보트를 더 멀리 전진시키는 장점을 지닐 수 있었다. 이 프로펠러는 정기적으로 보트가 중저 RPM에서 달성할 수 있는 속도를 두 배로 늘려 모터의 유효 회전 범위를 근본적으로 넓혀주고, 연료 소비를 약 20% 줄인다고 샤로우 측은 설명했다.

샤로우社는 이미 주요 제조업체의 광범위한 일반 선외 모터에 맞게 가공된 토로이달 소품 CNC를 판매하고 있다. 일반 프로펠러는 500달러(약 61만원) 수준이다.


김진영 글로벌이코노믹 기자