우주 탐사선, 쓰러져도 일어선다…자립 사면체 구조 첫 구현

• 60년 수학 난제 해결…달 탐사선 전복 문제에 실질적 해법 제시

달 표면처럼 울퉁불퉁한 지형에 착륙한 탐사선이 옆으로 쓰러지는 사고는 우주 탐사에서 반복돼온 고질적 문제다. 그런데 이 문제를 해결할 실마리가 60년간 풀리지 않았던 기하학 난제를 통해 나왔다. 어떤 방향에서 떨어져도 항상 같은 면으로 착지하는 구조체, ‘단안정 사면체(monostable tetrahedron)’가 세계 최초로 물리적으로 구현된 것이다.

이 구조는 1966년, 영국 수학자 존 호턴 콘웨이와 리처드 가이가 처음 제안한 개념에서 출발했다. 이들은 균일한 재료로 만든 사면체 중 단 하나의 안정된 면만을 가지는 구조가 이론적으로 가능한지를 놓고 수십 년 동안 수학계에서 논의됐지만, 끝내 증명되지 못한 채 남아 있었다.

이 난제를 해결한 주인공은 헝가리 부다페스트 기술경제대학교(BME)의 가보르 도모코스 교수와 건축학도 게르게 알마디다. 이들은 3년에 걸친 이론 연구와 시뮬레이션 끝에 ‘빌레(Bille)’라는 이름의 단안정 사면체 구조를 완성했다.

한쪽 면만 수천 배 무겁게…비대칭 설계의 결정판

연구진은 이 구조체가 항상 같은 면으로 착지하도록 만들기 위해, 전체를 속이 빈 프레임 구조로 설계하고 네 면 중 하나에만 고밀도 물질을 집중 배치했다. 외형은 탄소섬유 튜브로 구성했고, 무게 중심이 되는 한 면에는 고밀도의 텅스텐-카바이드 합금을 삽입했다. 나머지 면은 상대적으로 훨씬 가볍게 유지됐다.

이처럼 극단적으로 비대칭적인 질량 분포가 구조의 착지 방향을 물리적으로 고정시켰다. 실제 실험 결과, 빌레는 어느 방향에서 떨어뜨리든 항상 ‘D면’으로 착지했다. 전체 길이는 약 50cm, 무게는 120g. 이름은 헝가리어 ‘기울다’를 뜻하는 ‘billen’에서 따왔다.

이 설계와 수치 분석 자료는 현재 오픈 과학 플랫폼 아카이브(arXiv)에 게재돼 있으며, 실물 구조물은 BME 캠퍼스에 전시 중이다.

우주 착륙선 전복 방지에 실질적 적용 기대

이 단안정 사면체의 가장 유력한 응용 분야는 우주 탐사선 설계다. 예컨대 올해 초, 미국의 민간 탐사선 ‘아테나(Athena)’는 무인 달 임무(IM-2) 중 분화구 안에서 측면으로 넘어지며 임무가 중단된 바 있다. 실제 임무에서는 거친 지형이 탐사선의 착지 안정성을 크게 위협한다.

도모코스 교수는 “완전히 불규칙한 지형에서도 자율적으로 일어나는 구조를 만드는 건 어렵지만, 수평 기반에서는 스스로 일어설 수 있는 설계는 충분히 가능하다”며 “우리의 구조가 향후 착륙선 설계에 통찰을 줄 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.

로봇·드론·재난 구조까지…응용 가능성 확대

단안정 사면체는 우주뿐 아니라 다양한 분야로의 확장이 가능하다. 예를 들어 극지방 탐사 로봇, 해저 탐사 장비, 자율 복원 드론처럼 불안정한 지형을 자율적으로 이동해야 하는 장비들은 넘어짐을 방지하거나 다시 일어서는 능력이 핵심 기술이다.

또한 이 구조는 구조 로봇이나 재난 지역 탐사 장비에도 유용하게 활용될 수 있다. 제한된 공간에서 스스로 균형을 회복하거나, 외부 개입 없이 안정된 자세를 유지해야 하는 장비 설계에 실질적인 기반 기술이 될 수 있기 때문이다.

김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr

참고 논문: Gergő Almádi et al, Building a monostable tetrahedron, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2506.19244

자료: arXiv