레골리스 고엔트로피 벌크금속유리(RE-BMG): 무용기 심과냉을 이용한 달 현지 유리화

Regolith High-Entropy Bulk Metallic Glass (RE-BMG): In-Situ Lunar Vitrification via Containerless Deep Undercooling

초록

달 표면에서 방사선내성·저마모 구조부품(기어 등)을 지구 정제 원료 없이 현지 제조하는 능력은 부재한다. 용융레골리스전해(MRE)는 산소와 함께 Fe-Si-Al-Ti-Mg-Ca 다성분 '잡합금'을 부산물로 생성하나 이는 정제 곤란한 폐기물로 취급되어 왔다. 본고는 현지자원활용 야금, 무용기 과냉 응고, 고엔트로피 벌크금속유리의 세 분야를 실질 종합의 축으로 삼고(비정질 방사선내성·트라이볼로지는 응용 동기 맥락으로 제한), 조성의 '지저분함'을 결함이 아니라 혼란 원리에 따른 자연적 유리형성능으로 전용하는 레골리스 고엔트로피 벌크금속유리(RE-BMG) 공정을 명세한다. 핵심 물리 기제는 두 단계다. 첫째, 무용기 진공 과열 과정에서 저비점 성분(Mg 비점 1363 K, Ca 비점 1757 K)이 선택적으로 증발하여, 철과 양의 혼합엔탈피를 갖는 비혼화 원소가 제거되고 준금속(Si·잔류 C·P)을 함유한 잔류 Fe-Si-Al-Ti 조성이 형성된다. 둘째, 이 잔류 조성을 무용기 심과냉으로 이질핵생성을 억제해 결정화 없이 벌크금속유리로 유리화한다. 무용기 부양 용융체의 지배 대류는 로렌츠력 강제 교반이며 부력대류(중력 의존항)는 부차적이므로, 본 공정의 인에이블러는 무용기·진공 심과냉이고 저중력은 부차적 조력에 그친다(지상 정전/전자기 부양으로도 구현 가능). RE-BMG는 2035년 6월까지 단일 연구그룹에 의해, 정제하지 않은 레골리스 시뮬런트 유래 MRE 잡합금을 무용기 심과냉으로 유리화하여 비정질 분율 90% 이상, 벌크 최소치수 1 mm 이상의 시편으로 제조하는 실험실 시연으로 실증된다(신뢰도 50%). 대표 반증 조건: 2032년 12월까지 유리화 대상 잔류 조성의 임계냉각속도가 10^4 K/s를 초과함이 동료심사 문헌으로 확정되면 본 예측은 기각된다.

주제어: 레골리스 야금, 벌크금속유리, 무용기 심과냉, 혼란 원리, 고엔트로피 합금, 현지자원활용, 선택적 증발, 방사선내성 구조재

Abstract

The Moon presently lacks any means to manufacture radiation-tolerant, low-wear structural components (e.g., gears) in situ without Earth-refined feedstock. Molten regolith electrolysis (MRE) co-produces oxygen and a multicomponent Fe-Si-Al-Ti-Mg-Ca "dirty alloy" byproduct that has been treated as unrefinable waste. This paper takes ISRU metallurgy, containerless undercooled solidification, and high-entropy bulk metallic glasses as the three axes of substantive synthesis (with amorphous radiation tolerance and tribology retained as application-motivating context), and reframes the compositional "dirtiness" not as a defect but, per the confusion principle, as an intrinsic glass-forming asset. The governing physics has two stages. First, during containerless vacuum superheating, low-boiling constituents (Mg, boiling point 1363 K; Ca, 1757 K) evaporate selectively, removing the elements that have positive mixing enthalpy with iron (and are prone to de-mixing) and leaving a residual Fe-Si-Al-Ti composition bearing metalloids (Si and native C, P). Second, this residual composition is vitrified into a bulk metallic glass without crystallization by suppressing heterogeneous nucleation via containerless deep undercooling. Because forced Lorentz-force stirring dominates convection in levitated melts while buoyancy (the gravity-dependent term) is secondary, the enabler of the process is containerless vacuum deep undercooling, with low gravity a secondary aid (also realizable in ground-based electrostatic/electromagnetic levitation). The proposed RE-BMG process predicts that by June 2035 a single research group will demonstrate, at laboratory scale, the vitrification of an unrefined regolith-simulant-derived MRE dirty alloy via containerless deep undercooling into a specimen with amorphous fraction ≥90% and minimum bulk dimension ≥1 mm (confidence 50%). Representative falsification: if a peer-reviewed measurement establishes by December 2032 that the critical cooling rate of the vitrification-target residual composition exceeds 10^4 K/s, the prediction is rejected.

Keywords: regolith metallurgy, bulk metallic glass, containerless deep undercooling, confusion principle, high-entropy alloy, in-situ resource utilization, selective evaporation, radiation-tolerant structural material

1. 서론: 왜 이 기술은 아직 존재하지 않는가

1.1 문제 정의

지속 가능한 달 표면 활동은 구동 기구(기어·베어링·조인트)를 요구한다. 이 부품은 두 가지 극한 요건을 동시에 충족해야 한다. 첫째, 진공·극저온(음영부 약 100 K)에서 액상 윤활이 불가능하므로 무윤활 저마모여야 한다. 둘째, 자기권 밖 우주 방사선(고에너지 양성자·중성자·우주선)에 장기간 노출되어도 결정립계 편석·전위 축적·조사 취화가 진행되지 않아야 한다. 정량적으로, 마찰계수 0.1 이하·낮은 마모율에서 무윤활 작동하고[15], 결정립계·전위가 없어 조사 손상이 자유부피 재배열로 소멸되는[34] 구조부품을, 지구에서 정제·설계한 원료를 공급받지 않고 레골리스에서 직접 제조하는 능력이 현재 부재하다. 본장은 이 부재가 수요의 문제가 아니라 원료·공정·분야 단절의 구조적 문제임을 해명한다.

분야 역할의 명시. 위 두 요건 중 방사선내성·저마모(트라이볼로지)는 왜 비정질 부품이 바람직한가라는 응용 동기를 제공한다. 그러나 본 논문의 반증 가능한 핵심 예측(P1, 5장)은 유리화 자체의 물리(임계냉각속도·조성창·무용기 심과냉)에만 걸린다. 따라서 실질 종합의 축은 (i) 현지자원활용 야금, (ii) 무용기 과냉 응고, (iii) 고엔트로피 벌크금속유리 유리형성능의 3개 분야이며, 방사선내성·트라이볼로지 분야는 동기부여 맥락이자 산물 물성의 근거로 인용하되 P1의 정량 조건에는 진입시키지 않는다(§2.2.4·§5.1에서 재확인).

1.2 기존 기술의 한계 지도

문제에 접근해 온 기술 계열은 다음과 같다. 각 계열이 어디서 왜 멈추는지를 표 1에 정리한다.

표 1. 기존 기술 한계 지도

표 1의 마지막 두 행이 핵심이다. 지구 BMG 주조와 우주 EML BMG는 각각 '유리화 물리'와 '무용기 처리'를 확립했으나, 원료가 지구 정제 합금이라는 공통 전제에 묶여 있다. 반면 ISRU 야금은 레골리스에서 금속을 뽑아내지만 그 산물을 결정질 폐기물로만 다룬다. 어느 접근도 정제 불가 레골리스 조성 자체를 유리형성체로 전용하지 않으며, 이는 원리적 상한이 아니라 분야 간 단절에서 비롯한 구조적 한계다. RE-BMG는 이 단절을 메우려는 시도이며, 원리적으로 봉쇄된 경로를 사용하지 않는다.

1.3 본고의 주장과 구성

기존 한계(레골리스 금속의 결정질 폐기물화)는 다성분 유리형성능(혼란 원리·고엔트로피 BMG)과 무용기 진공 심과냉의 결합으로 해소 가능하며(2장), 그 결합체가 RE-BMG 공정이고(3장), 관문 G1~G6을 거쳐 2035년까지 실험실 실증된다(4~5장). 2장은 세 축 분야의 성과와 교차 신호를 종합하고, 3장은 공정·정량 예산(임계냉각속도의 제1원리 추정과 선택적 증발 정량화 포함)을 명세하며, 4장은 관문과 로드맵을, 5장은 예측과 반증 조건을, 6장은 파급과 위험을 다룬다.

2. 문헌 종합

2.1 수집물 개요

수집물은 네 근거 분야에 걸친 42편으로 구성된다. 검색 질의 요지는 (i) 용융레골리스전해·탄소열환원 부산물 조성, (ii) 전자기/정전 부양 무용기 과냉·임계냉각속도, (iii) 혼란 원리·고엔트로피 벌크금속유리 유리형성능(원자크기 불일치·혼합엔탈피 판정 기준 포함), (iv) 비정질·고엔트로피 방사선내성 및 우주 트라이볼로지이다. 등급 분포는 T1(동료심사 학술지) 39편, T2(프리프린트) 1편, 학회 회의록 2편이며, T1·T2 비율은 95%다. 분야 분포는 ISRU 야금 13편, 무용기 응고·부양 11편, BMG·고엔트로피 유리형성 9편, 방사선내성·트라이볼로지 9편으로, 네 구성분야 모두 8편 이상을 확보한다. 이 중 방사선내성·트라이볼로지 9편은 §1.1에서 밝힌 대로 동기부여·물성 근거로 인용하며 P1의 반증 논리에는 진입시키지 않는다.

수집 편향을 자진 신고한다. 첫째, 영어권 학술 데이터베이스(Nature·ScienceDirect·AIP·MDPI 계열)에 편중되어 비영어권·회색문헌의 반증 사례가 과소 대표될 수 있다. 둘째, 실제 아폴로·창어 시료로 측정된 레골리스 유래 금속 합금의 임계냉각속도(Rc) 데이터는 수집물에 존재하지 않으며, 이는 본 주제의 핵심 정량 공백이다. 본 개정에서는 이 공백을 임의 유추로 메우지 않고 제1원리적 추정 구간으로 대체하며(3.2.1절), 반증표적으로 명시한다(5장). 셋째, 무용기·유리형성능 축의 이론적 뿌리(혼란 원리 등)는 정초 문헌이 다수여서, 전체 수집물의 발표 연도는 정초 문헌과 최신 실증이 혼재한다.

2.2 분야별 최신 성과

2.2.1 현지자원활용 야금(ISRU metallurgy)

표 2-1. ISRU 야금 핵심 성과

이 분야는 지난 10년간 '냉벽' 반응기 설계[4]와 준소모성 산소발생 양극(MOE)[5]의 확립으로, 레골리스에서 산소를 뽑는 부수 산물로 다성분 금속을 정량 생산하는 단계에 이르렀다[1,2,3]. 부산물 조성은 독립 공정(MRE·MOE·FFC형·탄소열환원)에서 모두 Fe-Si(페로실리콘) 중심에 Al-Ti-Ca-Mg가 얽힌 동일 계열로 수렴하며[6,7,9,10,11], 저온 용융염 전해는 조성 무관하게 대부분 광물을 환원한다[9]. 특히 탄소열환원 산물은 잔류 C·P를 포함하는데[8], 이 준금속은 이후 유리형성 논의에서 (첨가가 아니라 본래 존재하는) 유리형성 조력 원소로 작용한다(3.2.1절). 그러나 이 분야는 산물을 '유용 합금 또는 폐기물'로만 규정하고, 그 다성분성이 유리형성능으로 직결될 수 있음을 인식하지 못한다. 결정질 페로실리콘은 취성 결정립계를 가져 기어급 구조부품으로 부적합하므로, ISRU 야금 단독으로는 표 1의 한계를 넘지 못한다.

2.2.2 무용기 과냉 응고·부양(containerless undercooling)

표 2-2. 무용기 과냉·부양 핵심 성과

무용기 처리는 용기벽 이질핵생성원을 제거해 균질핵생성 지배 영역으로 진입시킨다[22,23]. 유동·교반이 핵생성 지연시간을 좌우함이 ISS-EML에서 실증되었는데[28], 다만 부양 용융체에서 이 유동을 지배하는 것은 부력대류가 아니라 전자기 부양력이 유도하는 로렌츠력 강제 교반이며, 부력대류(중력 의존항)는 부차적이다(3.2.1·2.3.2절에서 정량화). 따라서 무용기·진공에 의한 이질핵생성원 제거가 유리형성창 확대의 지배 요인이고, 저중력의 대류 억제 기여는 부차적이다. 낙하관 무용기 응고는 이 원리의 초기 형태다[26]. 이 분야의 실증은 모두 정제 Zr·Ti·Fe계 순합금을 대상으로 하며, 레골리스 잡합금은 등장하지 않는다.

2.2.3 혼란 원리·고엔트로피 벌크금속유리(confusion principle / HE-BMG)

표 2-3. 다성분 유리형성능 핵심 성과

혼란 원리[18]는 다성분성이 유리형성을 돕는다는 이론적 뿌리이며, 고엔트로피 금속유리 연구[20]는 이를 5원소 이상 조성으로 확장했다. 원자론적으로는 큰 원자크기 불일치와 음의 혼합엔탈피(비혼화 억제)가 유리형성능을 좌우함이 정립되어[38], 조성으로부터 Rc·임계주조직경을 정성-정량 추정하는 근거를 제공한다. Fe계에서는 준금속(B·C·P·Si)의 다양화가 경쟁상 억제를 통해 임계주조직경을 mm급으로 끌어올림이 실증되었고[39], 이는 레골리스 산물의 준금속(Si·C·P) 함유가 유리형성에 유리할 수 있음을 시사한다. 그러나 이 분야의 핵심 경계조건이 존재한다. 동역학적 수정[19]은 원소 다수화가 충분조건이 아님을 명시하고, HE-BMG의 GFA가 오히려 낮을 수 있다는 역설[21]은 등원자 다성분이 반드시 유리화하지 않음을 보인다. 즉 다성분성 자체가 유리형성능을 보장하지 않으며, 이는 RE-BMG의 가장 약한 고리이자 정량 반증표적이다(5장). 이 분야는 정제·설계 원료를 전제하므로, 정제 불가 레골리스 조성(및 그 증발 후 잔류 조성)이 유리형성 조성창 안에 드는지는 미해결 문제로 남는다.

2.2.4 비정질 방사선내성·우주 트라이볼로지 (동기부여 맥락)

본 절의 성과는 §1.1에서 밝힌 대로 왜 비정질-고엔트로피 부품이 우주 구조재로 바람직한가를 뒷받침하는 동기부여·물성 근거이며, P1의 반증 조건에는 진입하지 않는다.

표 2-4. 비정질 방사선내성·트라이볼로지 핵심 성과 (동기 맥락)

결정립계·전위가 없는 비정질 구조는 조사 손상의 축적처를 제거해 자유부피 재배열로 손상을 소멸시킨다[34,35,41]. 고엔트로피성은 느린 확산·결함 재결합으로 손상을 추가 완화하며, Ti계 HE-금속유리에서 조사 하 자기치유가 관측되었다[36,40]. Fe계 금속유리가 양성자 내성을 보인다는 점[35]은 레골리스 주성분(Fe)과 조성적으로 근접한다. 트라이볼로지·보호재 측면에서 BMG·고엔트로피재는 무윤활 저마모로 우주기구에 적합하며[15,42], 지구에서는 이미 -200 ℃ 무윤활 스트레인웨이브 기어가 실증되었다[14]. 그러나 이 모든 성과는 정제 Zr/Ti계에 기반하며, 레골리스 유래 조성으로 두 기전(비정질 AND 고엔트로피)을 동시에 결합한 방사선내성 실증은 발견되지 않는다. 본 논문은 이를 응용 목표로 제시하되, 반증 가능한 예측은 유리화 물리(§2.2.1–2.2.3)로 한정한다.

2.3 교차 신호 분석

교차 신호는 서로 다른 분야의 독립 성과가 표 1의 동일 한계를 각기 다른 방향에서 부분 해소하여, 결합 시 한계 전체의 해소가 기대되는 상태다. 세 신호를 표 3에 정리하고 각각의 정합성을 논증한다.

표 3. 교차 신호 표

2.3.1 신호 S1: 지저분함의 유리형성능 전용

① 물리량 인터페이스: 분야 A의 입력은 '원소 다수·큰 원자크기 불일치·음의 혼합엔탈피'라는 조성 특성이고[18,38], 분야 B의 출력(MRE 잡합금)은 Fe-Si-Al-Ti-Mg-Ca 6성분 이상[1,10]으로 이 입력을 부분 만족한다. 다만 준금속(특히 B) 함량이 설계 BMG보다 낮다는 점이 유리형성능을 저해하는 방향으로 작용하므로, 조성창 진입 여부는 정량 검토가 필수다(3.2.1절). ② 스케일 정합: 결정핵생성은 원자 규모 현상이고 잡합금 조성 불균질은 마이크로 규모여서, 국소 조성 요동이 균질핵생성을 추가로 방해할 수 있다. ③·④는 3장·G3에서 다룬다. 미충족 항목은 조성창 보장이다. 혼란 원리는 필요조건일 뿐이며[19], 등원자 다성분이 유리화하지 않을 수 있으므로[21], 실제 레골리스 조성(및 증발 후 잔류 조성)이 유리형성 조성창 안에 드는지는 관문 G3으로 등재한다.

2.3.2 신호 S2: 무용기 진공 심과냉의 이식과 저중력의 절제된 역할

① 물리량 인터페이스: 분야 A는 '이질핵생성원(용기벽·산화물) 제거 → 심과냉'을 제공하고[22,25], 진공 무용기 부양 방울은 용기벽이 없고 진공에서 복사로만 방열하므로 동일 물리를 재현한다. ② 대류 기제의 규명: 전자기 부양 용융체의 지배 대류는 부양 코일이 유도하는 로렌츠력 강제 교반이며, 그 특성 속도는 부력대류보다 통상 한 자릿수 이상 크다. 부력대류 속도는 (g β ΔT L)^{1/2}에 비례하므로 1/6 g에서 지상의 약 40%로 감소하나, 로렌츠 교반은 중력에 독립이므로 총 대류는 크게 바뀌지 않는다. 즉 유동-핵생성 결합[28]의 지배항은 중력 독립적이며, 저중력의 이점은 유리형성창의 부차적 확대에 그친다. ③ 시간상수 정합: 부양 방울의 복사냉각 시간상수(수초~수십초)와 유리 전이 동역학이 양립해야 한다. ④ 공정 호환: MRE 용융체(1600–1800 ℃)에서 부양·과열·과냉으로 이어지는 열이력은 상호 파괴적이지 않다. 결론: 본 공정의 물리적 인에이블러는 무용기·진공 심과냉이며, 이는 지상 정전/전자기 부양(ESL/EML)으로도 구현된다. 실제 창어-5 시료 입자 연구는 저중력이 용융·급속응고 거동에 뚜렷한 영향을 주지 않았다고 보고했으며[37], 이는 '저중력=강한 인에이블러' 주장을 절제해야 할 상반 증거다. 미충족 항목(잔류 대류·냉각속도 정량)은 관문 G1·G5로 등재하되, 저중력을 유리화의 필요조건으로 주장하지 않는다.

2.3.3 신호 S3: 비정질 고엔트로피 방사선내성 부품화 (동기 맥락)

① 물리량 인터페이스: 분야 A의 물성(결정립계 부재 → 조사 손상 소멸[34], 무윤활 저마모[15])은 비정질 상태에 귀속되고, 분야 B의 레골리스 Fe계 조성[1]은 Fe계 금속유리의 양성자 내성[35]과 조성적으로 근접한다. ② 스케일: 방사선내성은 원자 규모, 부품은 mm~cm 규모이며 그 사이의 벌크 유리화 치수가 관건이다. ③·④ 성형: 비정질을 유지한 채 기어 형상으로 정형하는 공정이 필요하다. 미충족 항목은 레골리스 유래 조성으로 벌크(mm급) 비정질을 얻고 정형하는 것이 미검증이라는 점이며, 이를 관문 G4(벌크 치수)·G6(정형)으로 등재한다. 이 신호는 응용 가치를 부여하나 P1의 반증 논리에는 진입하지 않는다.

2.4 종합

이상의 신호는 RE-BMG의 부재가 원리의 문제가 아니라 결합의 문제임을 시사한다. 다성분 유리형성능과 무용기 진공 심과냉은 각각 실증되어 있고, 레골리스 잡합금 조성은 이 결합의 자연스러운 원료다. 중요한 점은, 무용기 진공 과열 자체가 저비점 성분(Mg·Ca)을 증발시켜 철과 비혼화인 원소를 제거하고 준금속을 함유한 잔류 조성을 남긴다는 것으로(3.2.2절), 이는 별도 정제 없이 조성을 유리형성에 유리한 방향으로 이동시킨다. 결합에 필요한 잔여 조건은 관문 G1(잔류 조성 임계냉각속도), G2(잔류 산소 제어), G3(유리형성 조성창), G4(벌크 치수), G5(잔류 대류·부양 안정성), G6(비정질 정형)이며 4장에서 다룬다.

3. 예측 기술 명세

3.1 명칭 부여와 신규성 진술

명칭. 국문: 레골리스 고엔트로피 벌크금속유리 현지 유리화 공정. 영문: Regolith High-Entropy Bulk Metallic Glass. 약어: RE-BMG. 명칭은 원료(레골리스), 조성 원리(고엔트로피), 산물 상태(벌크금속유리)를 기술하며 상표성 명칭이 아니다.

신규성 진술. 본 명세와 동일한 작동 원리·구성 — 정제 불가 MRE 잡합금의 다성분성을 유리형성능의 장점으로 전용하고, 무용기 진공 과열의 선택적 증발로 잔류 조성(Fe-Si-Al-Ti+C·P)을 형성한 뒤 무용기 심과냉으로 이를 현지에서 벌크금속유리 구조부품으로 유리화하는 통합 — 의 기술은 2026-07-20 기준 학술·특허·기관보고에서 발견되지 않는다(부록 A 참조). 가장 근접한 선행과 구성요소 수준 차이는 다음과 같다. (i) 우주 EML 순합금 BMG[16]는 유리화 물리를 실증하나 원료가 정제 Zr계이고 현지자원과 무연계다. (ii) MRE 야금[1,2]은 잡합금을 생성하나 이를 폐기물로 취급하고 유리화·무용기 과냉을 논하지 않는다. (iii) 레골리스 실리케이트 유리[12]는 산화물 유리이지 금속유리가 아니다. RE-BMG의 신규 기여의 무게중심은 '지저분함의 유리형성능 전용'과 '증발 자기정제를 포함한 통합'에 있으며, '저중력=유리화 조력'이라는 원리 자체는 선행이 존재하므로(오히려 부차항임을 §2.3.2에서 논증) 신규성 주장에서 제외한다.

3.2 작동 원리

RE-BMG의 인과 사슬은 다음과 같다. 두 종류의 단계를 명시 구분한다: [실증: n]은 인용 문헌으로 뒷받침되는 단계, [관문 Gn]은 미실증 단계다.

1. 레골리스 → 다성분 용융금속. MRE/전해로 레골리스에서 산소를 추출하며 부산물로 Fe-Si-Al-Ti-Ca-Mg 용융 잡합금(잔류 C·P 포함)을 생성한다 [실증: 1,3,4,8].
2. 부양·과열·선택적 증발. 용융 방울을 정전/전자기 부양으로 용기벽 없이 유지하고 용융점 이상(≈1950 K)으로 과열해 기존 결정핵을 소거한다. 이 과정에서 저비점 성분(Mg·Ca)이 선택적으로 증발하여, 철과 양의 혼합엔탈피를 갖는 비혼화 원소가 제거되고 준금속을 함유한 잔류 Fe-Si-Al-Ti 조성이 형성된다 [실증(부양·과열): 16,23; 증발 정량: 3.2.2절].
3. 잔류 산소·불순물 제어. 진공 탈기·플럭싱으로 산화물 이질핵생성원을 임계농도 이하로 낮춘다 [관문 G2; 실증 근거: 30,31,32].
4. 심과냉. 진공에서 복사냉각으로 방울을 용융점 이하로 심과냉한다. 무용기가 용기벽 이질핵생성을 억제해 균질핵생성 지배 영역으로 진입시킨다 [실증: 17,22; 관문 G1].
5. 유리화. 냉각속도가 잔류 조성의 임계냉각속도 Rc를 초과하면 결정화 없이 유리 전이 온도 아래로 통과해 벌크금속유리가 된다 [관문 G1,G3].
6. 정형. 과냉 액체 영역에서 성형하거나 유리 상태로 가공해 비정질 구조부품·기어를 얻는다 [관문 G6; 지상 실증: 14].

지배 관계식. 반경 r인 부양 방울의 진공 복사냉각속도는

Ṫ_rad = 3 ε σ (T⁴ − T_amb⁴) / (ρ c_p r)

이며, ε는 방사율, σ는 슈테판-볼츠만 상수, ρ는 밀도, c_p는 비열이다. 유리화 조건은 임계냉각속도 대비

Ṫ_rad ≳ Rc(잔류 조성, 잔류 O)

이다. 진공 배경온도(음영부 약 100 K)에서 T_amb⁴ ≪ T⁴이므로 복사냉각은 T⁴·r⁻¹로 지배된다. 이 스케일링이 3.2.1의 정량 예산과 그림 2의 핵심이다.

3.2.1 정량 예산: 복사냉각속도와 임계냉각속도의 제1원리 추정

복사냉각속도. ε≈0.3, σ=5.67×10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴, T≈1750 K, ρ≈4000 kg·m⁻³, c_p≈800 J·kg⁻¹·K⁻¹로 추정하면(페로실리콘계 물성 차수):

즉 벌크(≥1 mm)를 자체 복사냉각만으로 유리화하려면 Rc ≲ 10² K/s가 요구된다.

임계냉각속도의 제1원리 추정. 심사 지적을 반영하여, 유리화 대상은 준금속-풍부 설계 합금(Fe76Si9B10P5)이 아니라 증발 후 잔류 조성 Fe-Si-Al-Ti(+잔류 C·P)임을 명시하고, 이 조성의 Rc를 준금속 결핍·원자크기 불일치 δ·혼합엔탈피·공정 근접성에 기반해 추정한다. 대표 잔류 조성을 (at%) Fe 55, Si 25, Al 8, Ti 5, C 4, P 3으로 잡는다(페로실리콘 중심에 탄소열환원 잔류 준금속 포함[8]).

• 원자크기 불일치 δ. 원자반경(Å) Fe 1.24, Si 1.11, Al 1.43, Ti 1.45, C 0.77, P 1.09로 δ = √{Σ cᵢ(1 − rᵢ/r̄)²} ≈ 0.11 (약 11%)로 계산되며, 여기에 미증발 잔류 Ca·Mg가 소량 남으면 12%를 상회한다. 이는 다성분 유리형성의 경험적 문턱(δ ≳ 12%)에 근접-도달하는 유리한 값이다[38].
• 혼합엔탈피(부호 구조). 주요 원자쌍의 혼합엔탈피(kJ/mol, Miedema 차수)는 Fe-Si ≈ −35, Fe-Ti ≈ −17, Fe-Al ≈ −11, Fe-C ≈ −50, Fe-P ≈ −31, Al-Ti ≈ −30, Si-Ti ≈ −66으로 대부분 음(비혼화 억제)이다. 반대로 유리화를 저해하는 양의(비혼화) 쌍은 Fe-Mg ≈ +18, Fe-Ca ≈ +25인데, 이 두 원소가 바로 3.2.2절에서 증발 제거되는 성분이므로, 증발은 조성을 유리형성에 이롭게 이동시킨다.
• 준금속 함량(주된 저해 요인). 잔류 조성은 준금속으로 Si(다량)와 C·P(소량)를 가지나 B가 부재한다. B는 Fe계 BMG에서 Rc를 10²~10³ K/s로 낮추는 핵심 준금속이므로, 그 결핍은 설계 Fe-B-Si-P 유리(Rc≈10²)보다 Rc를 상향시키는 방향으로 작용한다. 다만 준금속의 '종류 다양화'(Si·C·P 공존)가 경쟁상 억제로 임계주조직경을 개선함이 Fe-B-C-P-Si-Mo계에서 실증되었으므로[39], B 부재를 부분 보상한다.
• 공정 근접성(환원 유리전이온도). Fe-Si 근공정 조성 및 다성분 심공정 경향을 고려하면 Trg = Tg/Tl ≈ 0.55–0.60이 개연적이며, 이는 '보통' 수준의 유리형성능에 대응한다.

종합 추정. 위 요인을 결합하면 잔류 조성의 임계냉각속도는 Rc ≈ 10²–10⁴ K/s 구간으로 추정된다. 하한(≈10²)은 δ·음의 혼합엔탈피·준금속 다양화가 모두 유리하게 작동하는 최적 잔류 부분조성에, 상한(≈10⁴)은 준금속(특히 B) 결핍이 지배하는 비최적 조성에 대응한다. 결정적으로, 그림 2의 적색 심(深)실패영역(Rc > 10⁵ K/s, 등원자·준금속 결여 다성분[21])은 정량적으로 배제된다: (i) 잔류 조성은 등원자가 아니라 Fe-Si 편중(준금속-금속 공정형)이고, (ii) δ가 문턱에 근접하며, (iii) 지배 원자쌍의 혼합엔탈피가 강한 음수이기 때문이다. 그러나 벌크(≥1 mm)가 요구하는 Rc ≲ 10² K/s는 추정 구간의 최하단에 놓이므로, mm급 벌크의 순수 복사냉각 유리화는 낙관 시나리오에서만 성립한다. 이 긴장이 본 예측을 진정으로 반증 가능하게 만드는 핵심이며, F1(Rc>10⁴에서 기각)·F3에 대응하고 P1 신뢰도를 50%로 절제하는 근거다. 비최적 시 벌크는 방울 다발 소결(G4 대안)로 보완한다.

3.2.2 선택적 증발과 잔존 조성의 정량화

무용기 진공 과열(용융점+200 K, ≈1950 K)에서 성분 i의 자유증발(Hertz–Langmuir) 플럭스는

J_i = α · γ_i x_i P_i^{sat}(T) / √(2π M_i R T) [kg·m⁻²·s⁻¹]

로, α는 증발계수(≤1), γ_i·x_i는 활동도계수·몰분율, P_i^{sat}는 순물질 포화증기압, M_i는 몰질량이다. 진공에서 재응축(배압)은 무시한다. 성분별 물성과 T≈1950 K에서의 개략 평가는 다음과 같다.

몰분율·활동도(γx≈0.03 차수)를 반영해도 Mg의 플럭스는 J_Mg ~ 10²–10³ kg·m⁻²·s⁻¹ 차수로, 반경 mm급 방울(비표면적 ~10³ m⁻¹, 질량밀도 ρ≈4000 kg·m⁻³)에서 특성 소진시간 τ_Mg = ρ r /(3 J) ~ 10⁻²–10⁰ s에 불과하다. 즉 Mg는 과열 단계에서 사실상 즉시 소진되고, Ca는 수초 이내에 대부분 소진된다. Al은 과냉까지의 공정 시간척도(수초~수십초)에서 부분 손실, Si·Fe·Ti는 대체로 잔존한다. 활동도계수·유효 증발면적·미소 재응축의 불확실성으로 위 값은 차수 추정이나, Mg·Ca가 유리화 시점까지 다량 잔존할 수 없다는 결론은 견고하다.

함의. (1) 유리화가 실제로 일어나는 조성은 as-produced 6성분이 아니라 잔류 Fe-Si-Al-Ti(+C·P)이며, 3.2.1절의 Rc 추정과 P1·F1·F3의 대상 조성을 이 잔류계로 통일한다. (2) 증발은 철과 비혼화인 Mg·Ca를 제거하므로 유리형성에 이롭다(3.2.1절 혼합엔탈피 부호 구조). (3) 다만 증발은 조성을 원료-의존적으로 이동시키는 불확정 요인이므로, C3(과열·증발) 단계의 조성 재현성을 관문(G3)에 흡수하고 신뢰도에 반영한다. (4) 증발한 Mg·Ca 증기는 응축 회수 시 부수 ISRU 산물이 될 수 있으나, 본 논문의 예측 대상은 아니다.

3.3 시스템 구성도

그림 1. RE-BMG 시스템 구성도

flowchart LR
    R["레골리스 원료"] -->|산화물 광물| C1["C1: MRE/전해 반응기<br/>(잡합금 부산물)"]
    C1 -->|Fe-Si-Al-Ti-Ca-Mg 용융금속<br/>(+잔류 C·P)| C2["C2: 정전/전자기 부양<br/>무용기 처리"]
    C2 -->|부양 방울| C3["C3: 유도 과열<br/>(핵 소거 + Mg·Ca 선택 증발)"]
    C3 -->|잔류 Fe-Si-Al-Ti(+C·P) 용융체| C4["C4: 심과냉·복사냉각<br/>유리화"]
    C5["C5: 진공 탈기·플럭싱<br/>(잔류 O 제어)"] -->|저산소 용융체| C4
    C2 -.->|산화물 제거| C5
    C3 -.->|Mg·Ca 증기 회수(부수)| V["증기 응축(부수 산물)"]
    C4 -->|벌크금속유리| C6["C6: 비정질 정형<br/>(기어·부품)"]

3.4 핵심 구성요소별 기술 성숙도 평가

표 4. 구성요소별 TRL 평가표

C1(TRL 4). 시뮬런트 규모의 산소·합금 동시 생산이 실험실에서 반복 실증되었고[1,9] 플랜트 규모 사이징이 분석되었으나[3,4], 산물 조성이 유리화에 적합하도록 관리된 바는 없다. 격차는 유리형성 조성창 정합(G3)이다.

C2(TRL 5). 미소중력 EML은 mm급 금속 구를 안정 부양·유리화했고[16] 포물선비행·ISS·지상 ESL/EML 설비가 확립되었으나[24], 진공·부양 조건에서 잔류 대류(로렌츠 교반)와 과냉의 결합은 레골리스 조성에서 미검증이다(G5).

C3(TRL 3, 하향). 무용기 과열·열물성 측정 자체는 성숙 기술이나[23], 레골리스 조성 특유의 Mg·Ca 선택적 증발로 유리화 대상 조성이 크게 이동한다(3.2.2절). 증발 후 잔류 조성의 재현성·균질성은 미검증이며, 이 격차는 과소평가되어서는 안 된다. 조성 이동은 원료·과열이력·부양시간에 의존하므로 C3의 성숙도를 4에서 3으로 하향하고, 조성 재현 격차를 G3에 흡수한다.

C4(TRL 2). 핵심 관문이다. Zr계 심과냉[17]과 Fe계 임계냉각속도 평가[27]는 있으나, 잔류 레골리스 조성의 Rc가 복사냉각속도 이하인지는 미측정이다(G1). 3.2.1의 제1원리 추정은 Rc≈10²–10⁴ K/s를 시사하며 이는 벌크 유리화의 경계에 걸린다.

C5(TRL 3). 산소가 산화물 이질핵생성원으로 유리형성능을 저하시킴은 Zr계에서 정량화되었고[30,31], 플럭싱으로 억제 가능하나[32], 진공 무용기에서 레골리스 잔류 O를 임계 이하로 낮추는 실증은 없다(G2).

C6(TRL 4). 지상에서 Zr계 비정질 기어·저마모가 실증되었으나[14,15], 레골리스 조성의 과냉 액체 영역 성형성은 미검증이다(G6).

3.5 목표 성능 규격

표 5. RE-BMG 목표 성능 규격

비정질 분율·벌크치수·상대 과냉도의 세 지표는 5.1절 예측(P1)의 정량 조건으로 사용된다. 마찰계수는 응용 동기 지표로, P1의 반증 조건에는 포함하지 않는다.

4. 실현 경로

4.1 기술 관문

G1. 잔류 레골리스 조성 임계냉각속도

• 정의: 유리화 대상 잔류 조성(Fe-Si-Al-Ti+C·P)의 임계냉각속도 Rc가 미측정이며, 복사냉각속도 이하인지 불명.
• 현재 상태: 제1원리 추정 Rc≈10²–10⁴ K/s(3.2.1); 유사 Fe-Si-B-P계 무용기 Rc 10²–10³[27]·Fe-B-C-P-Si-Mo 임계직경 2.5 mm[39]; 실제 잔류 조성 값 부재.
• 해소 조건: 대표 잔류 조성의 Rc ≤ 10³ K/s가 무용기 응고 실험으로 측정되고, 반경 ≥0.5 mm 방울에서 비정질 분율 ≥90% 달성.
• 예상 해소 시점: 2030년(최빈) ~ 2033년(비관), 2033년까지 해소 확률 55%.
• 의존 관계: G3과 상호 의존.
• 경계 내 조성 조정(대안 아님, 정제 아님): 준금속(Si·C·P)은 산물에 본래 존재하므로, 원료 유형(하이랜드/마리아) 및 과열이력 선택으로 잔류 준금속비를 유리형성에 유리한 근공정 부분조성으로 이동시킨다. 외부 B·P·C 첨가는 정제(§5.3)에 해당하므로 채택하지 않는다.

G2. 잔류 산소·이질핵생성 제어

• 정의: 잔류 산소·산화물이 이질핵생성을 촉발해 유리화를 봉쇄.
• 현재 상태: 산소 유발 핵생성 정량화[30,31], 플럭싱 억제[32]; 진공 무용기 레골리스 적용 미검증.
• 해소 조건: 무용기 진공 공정에서 용융체 잔류 O ≤ 0.3 at%를 달성하고 산화물 개재 밀도가 균질핵생성 지배를 유지하는 수준 이하.
• 예상 해소 시점: 2031년 ~ 2034년, 2034년까지 해소 확률 60%.
• 의존 관계: 없음.
• 경계 내 경로: MRE 전해 조건 최적화로 산소 활동도 하향; 진공 탈기·플럭싱(외부 성분 첨가 없는 산화물 제거)은 정제로 보지 않음(§5.3).

G3. 유리형성 조성창 정합(증발 후 조성 포함)

• 정의: 증발 후 잔류 Fe-Si-Al-Ti(+C·P) 조성이 유리형성 조성창 안에 드는지, 그리고 그 조성이 재현 가능한지 미상(등원자·준금속 결핍 다성분 실패 위험[21]).
• 현재 상태: 혼란 원리는 필요조건일 뿐[18,19]; 원자론 판정 기준[38]·Fe계 준금속 다양화 임계직경[39] 존재; HE-BMG GFA-열안정성 역설[21].
• 해소 조건: 대표 잔류 조성 또는 그 근방 부분조성이 GFA 지표(ΔT_x, 임계 두께)에서 유리형성 창 내에 있고, 과열·증발 후 조성이 재현됨을 실험·계산으로 확증.
• 예상 해소 시점: 2029년 ~ 2032년, 2032년까지 해소 확률 55%.
• 의존 관계: G1과 상호 의존, C3(증발) 재현성 포함.
• 경계 내 경로: 레골리스 유형 선택·과열이력 제어로 잔류 조성창 근접(외부 첨가 없음); 없으면 단일 실패점에 근접.

G4. 벌크 치수 확보

• 정의: mm급 벌크 비정질을 얻어야 구조부품화 가능하나 냉각속도-치수 트레이드오프. 3.2.1에 따르면 순수 복사냉각의 mm 벌크는 Rc≲10² K/s를 요구.
• 현재 상태: 정제 Zr계 6.5 mm 우주 유리화[16]; 레골리스 조성 0 mm.
• 해소 조건: 잔류 레골리스 조성에서 최소치수 ≥1 mm 비정질 시편 제조.
• 예상 해소 시점: 2032년 ~ 2035년, 2035년까지 해소 확률 50%.
• 의존 관계: G1·G2·G3 선행.
• 경계 내 경로: 비최적 Rc 시 비정질 방울 다발의 저온 소결·적층으로 유효 벌크 구성(외부 원소 첨가 없음); 단 계면 결정화 위험.

G5. 잔류 대류·부양 안정성

• 정의: 부양 용융체의 지배 대류는 로렌츠 강제 교반(중력 독립)이며, 이것이 과냉·핵생성에 미치는 영향과 mm급 방울의 부양 안정성이 레골리스 조성에서 미검증. 저중력의 부력대류 억제 기여는 부차적(§2.3.2).
• 현재 상태: 미소중력·1 g 실증은 있으나 잔류 대류의 정량 분리 데이터 없음[24,28,29].
• 해소 조건: 지상 ESL/EML 또는 저중력 설비에서 부양 방울의 대류-핵생성 결합을 정량화하고, 무용기·진공만으로 과냉 창이 확보됨을 확인.
• 예상 해소 시점: 2031년 ~ 2034년, 2034년까지 해소 확률 60%.
• 의존 관계: 없음(병렬).
• 경계 내 경로: 지상 무용기(ESL/EML)로 물리 검증; 저중력 없이도 유리화 가능하면 저중력 실증을 우회.

G6. 비정질 정형

• 정의: 비정질을 유지한 채 기어·부품으로 정형하는 공정 미확립(레골리스 조성).
• 현재 상태: 지상 Zr계 주조 기어·저마모 실증[14,15].
• 해소 조건: 레골리스 RE-BMG의 과냉 액체 영역에서 정형 후 비정질 분율 ≥90% 유지 기어 시편 제조.
• 예상 해소 시점: 2033년 ~ 2036년, 2036년까지 해소 확률 50%.
• 의존 관계: G4 선행.
• 경계 내 경로: 근사형상 주조 후 최소 가공.

4.2 관문 의존 그래프

그림 3. 관문 의존 그래프

flowchart TD
    G1["G1 잔류조성 임계냉각속도<br/>(단일 실패점)"] --> G4
    G3["G3 조성창+증발재현<br/>(단일 실패점)"] --> G4
    G2["G2 잔류 산소"] --> G4
    G5["G5 잔류대류·부양"] --> G4
    G1 <--> G3
    G4["G4 벌크 치수"] --> G6["G6 비정질 정형"]
    G6 --> D["RE-BMG 시스템 실증 (P1)"]

G1과 G3은 경계 내 대안 경로가 제한적이어서 단일 실패점에 근접한다(굵은 표기).

4.3 마일스톤 로드맵

표 6. 마일스톤 로드맵

4.4 실현 주체 분석

관문별로 현재 가장 근접한 역량은 다음과 같다(공개 정보 기준). G1·G5의 무용기 응고는 EML/ESL을 운용해 온 우주기구·대학 컨소시엄이 근접하며[16,17,24], 지상 ESL/EML·포물선비행 설비가 실증 플랫폼이다. G1·G2·G3의 유리형성능·산소 제어는 벌크금속유리·고엔트로피 합금 연구그룹이 근접하고[20,21,32,39], 무용기 임계냉각속도 측정 역량[27]이 핵심이다. C1·C3·G3의 레골리스 야금·증발 조성 제어는 ISRU 전해·탄소열환원 연구그룹이 근접하며[1,3,8], 시뮬런트(JSC-1A·LHS-1·BP-1)가 표준 원료다. 필요 자원 규모는 지상 시뮬런트 실증 단계에서 무용기 부양 설비·시뮬런트 야금 반응기·조사 시험 시설 수준이며(차수: 소규모 랩~중형 시설), 저중력 실증은 부차적 검증에 그친다(§2.3.2). 구조적 위험은 세 축 분야가 서로 다른 공동체에 속해 통합 착수 주체가 부재하다는 점이며, 이것이 본 기술이 아직 시도되지 않은 주된 이유다.

5. 반증 조건과 예측 선언

5.1 예측 선언

P1 (주 예측). RE-BMG는 2035년 6월까지 단일 연구그룹에 의해 다음 정량 조건을 모두 만족하는 실험실 시연 형태로 실증된다: 정제하지 않은 레골리스 시뮬런트 유래 MRE 잡합금을 무용기 진공 과열(Mg·Ca 선택 증발 포함)·심과냉으로 유리화하여, 그 잔류 조성(Fe-Si-Al-Ti+C·P)에서 비정질 분율 ≥ 90%(XRD); 벌크 최소치수 ≥ 1 mm; 상대 과냉도 ΔT/T_l ≥ 0.18. (신뢰도 50%)

P2 (보조 예측). RE-BMG의 중간 실증으로서, 2030년 6월까지 단일 연구그룹에 의해 레골리스 아날로그 Fe-Si(-C,P) 조성이 무용기 응고에서 임계냉각속도 ≤ 10³ K/s로 측정되고 비정질 분율 ≥ 50% 산물을 형성한다. (신뢰도 60%)

방사선내성·무윤활 마모 성능은 §1.1·§2.2.4에서 밝힌 대로 응용 동기 지표이며, P1·P2의 반증 조건에는 포함하지 않는다.

5.2 반증 조건

F1 (원리적). 유리화 대상 잔류 조성(또는 그 유리형성 최적 부분조성)의 임계냉각속도가 10⁴ K/s를 초과함이 2032년 12월까지 동료심사 문헌으로 공표되면 본 예측은 기각된다. (3.2.1에 따르면 10⁴ K/s는 반경 ~0.015 mm 방울의 복사냉각속도 수준이어서 mm 벌크 유리화가 물리적으로 봉쇄됨.)

F2 (경로). 무용기 진공 공정에서 용융 잡합금의 잔류 산소를 0.3 at% 이하로 낮출 수 없음(또는 그 이하에서도 산화물 이질핵생성이 지배함)이 2033년 12월까지 확정되면 본 예측은 기각된다.

F3 (원리적). 증발 후 잔류 조성계 Fe-Si-Al-Ti-C-P 전역에 유리형성 조성창이 존재하지 않음(부분조성 전역 유리화 불가)이 2032년 12월까지 확정되면 본 예측은 기각된다.

F4 (시한). 2035년 6월 경과 시점까지 P1의 정량 조건이 관측되지 않으면 본 예측은 기각된다(expired).

5.3 판정 프로토콜

예측검증위원회는 시한 도래 후 90일 이내에 판정한다.

(1) 정보원. 판정 근거로 인정되는 정보원은 동료심사 학술지·학회 논문, 공개된 실험 시연 기록(원자료 포함), 재현 데이터로 한정하며, 홍보성 발표·비공개 주장은 제외한다.

(2) 대표 조성의 조작적 정의. 'MRE 잡합금'은 시연 그룹이 자신의 MRE/전해 산물로 보고한 조성을 뜻하되, 그 대표성은 위원회가 공개 문헌의 MRE 산물 조성 범위[1,10]와 대조하여 판정한다. 구체적으로, 시연 조성의 각 주원소(Fe·Si·Al·Ti) 함량이 [1,10]이 보고한 산물 조성 포락선의 ±25 at% 상대편차 이내에 있으면 '대표적'으로 인정한다. 증발 후 잔류 조성은 시연 그룹이 유리화 직전 시점의 실측 조성으로 보고하고, 위원회가 3.2.2절 증발 예측과의 정합을 확인한다. 대표성 판정 주체는 위원회이며, 시연 그룹의 자기 선언만으로는 인정하지 않는다.

(3) ΔT/T_l의 제3자 확인. 상대 과냉도는 부양·응고 중 파이로미터/열전대 열이력에서 재결정(recalescence) 개시 온도와 액상선 온도의 차로 정의하며, 시연 기록에 (i) 원시 온도-시간 트레이스, (ii) 액상선 T_l의 독립 측정(DSC 또는 상평형 계산) 근거, (iii) 냉각속도 산정을 공개 부속자료로 기탁해야 제3자가 ΔT/T_l ≥ 0.18을 재현 검증할 수 있다. 원자료가 기탁되지 않으면 해당 조건은 미충족으로 간주한다.

(4) 부분 실현(partially_verified). P1의 정량 조건 3건 중 2건을 충족하고 잔여 1건이 목표값의 80% 이상에 도달한 경우(예: 비정질 분율 ≥90%·과냉도 조건 충족, 벌크 치수 ≥0.8 mm).

(5) 판정 곤란 시. 근거 정보가 불충분하여 조건 충족을 확정할 수 없으면 저자에게 불리하게 기각(falsified)으로 간주한다.

(6) '정제하지 않은 원료'의 조작적 정의. 조성 분리·정련 공정이나 목표 조성을 위한 외부 성분 첨가를 하지 않고 MRE/전해 산물을 그대로 사용함을 뜻한다. 다음은 정제로 보지 않는다: (a) 무용기 진공 과열에 수반되는 저비점 성분(Mg·Ca 등)의 자연적 선택 증발, (b) 미량 진공 탈산·플럭싱에 의한 산화물 제거. 다음은 정제로 간주한다: (c) B·P·C 등 유리형성 조력 원소의 외부 첨가, (d) 목표 조성을 맞추기 위한 성분 분리·재배합. 즉 본 논문의 어떤 관문 경로도 (c)·(d)를 사용하지 않으며, 이는 '지저분함의 자산화' 명제와 정합한다.

5.4 예측 등록표

표 7. 예측 등록표

신뢰도 산정 근거. P1의 50%는 (i) 유리화 물리·무용기 심과냉이 정제 합금에서 확립되었고[16,17], 증발이 조성을 유리형성에 이롭게 이동시킨다는 상방 요인과, (ii) 레골리스 다성분성이 급속냉각에서 비정질을 낳음이 관측되었으나[12,13] '결함'으로만 다뤄져 온 반전 여지가 크다는 상방 요인, 그리고 (iii) 준금속(특히 B) 결핍으로 제1원리 추정 Rc(10²–10⁴ K/s)의 상당 부분이 mm 벌크 요구선(≲10² K/s) 위에 놓여 벌크 유리화가 경계적이라는 하방 요인, (iv) 증발 후 조성 재현성이 미검증(C3 TRL3)이라는 하방 요인, (v) 저중력 이점이 상반 증거[37]와 로렌츠 교반 지배 논증(§2.3.2)으로 절제된다는 중립 요인을 종합한 값이다. 이전 판(60%)에서 하향한 것은 Rc의 제1원리 추정과 증발-조성 불확정성을 반영한 결과다. P2(60%)는 지상 무용기 아날로그 실증이 상대적으로 접근 가능하나 Rc 목표(≤10³)가 여전히 도전적이기 때문이다.

6. 파급 효과와 위험

6.1 과학·기술 파급

실현 시 다음이 열린다. 첫째, 레골리스 유래 임계냉각속도·유리형성 조성창의 실측은 행성 야금학에 다성분 '자연 조성' 유리형성능이라는 새 데이터 축을 추가해, 정제 원료 기반 유리형성능 이론[18,19,21,38]을 비설계 조성으로 확장한다. 둘째, 무용기 진공 과열의 선택적 증발을 '자기정제 야금'으로 정식화하면, 비혼화·저비점 성분을 공정 내에서 제거해 잔류 조성을 유리형성에 이롭게 이동시키는 일반 방법론이 성립한다. 셋째, 결정립계·전위 부재[34]와 고엔트로피 손상 완화[36,40]를 레골리스 Fe계 조성에서 결합한 방사선내성 실증(응용 목표)은, 지구 밖 장기 구조재 설계에 비정질-고엔트로피 곱집합 전략을 제공한다.

6.2 산업·경제 파급

RE-BMG는 지구에서 정제 금속·윤활유·예비 기어를 이송하던 물류를 현지 제조로 대체하는 방향의 기술이다. MRE가 산소 생산의 부산물로 잡합금을 대량 공동생산하므로[3], 별도 채굴 없이 구조재 원료가 확보되는 결합 경제성이 존재한다. 시장 규모의 정량 인용은 산출 방법이 불명한 수치를 배제하며, 본 논문은 투자 조언이 아니고 특정 기업·종목을 다루지 않는다.

6.3 위험과 오용 가능성

최대 리스크 — 증발에 의한 조성 이동. 무용기 진공 과열이 Mg·Ca(및 부분 Al)를 증발시켜 유리화 대상 조성을 원료·과열이력에 의존적으로 이동시키는 것이 본 공정의 최대 물리 리스크다. 조성 이동이 유리형성 창을 벗어나면(F3) 유리화가 봉쇄되고, 이동이 재현되지 않으면 부품 물성이 불균질해진다. 또한 다량의 금속 증기(Mg·Ca) 방출은 설비 오염·응축 관리·안전(가연성 Mg 증기) 문제를 수반한다. 이 리스크는 G3(조성창+증발 재현)와 신뢰도(50%)에 반영되었다.

둘째, 이중용도. 현지 구조부품 제조 능력은 민수 인프라뿐 아니라 궤도 상 구조물 제작에도 전용될 수 있으며, 진입장벽은 무용기 진공 응고 설비와 유리형성 조성 지식(G1·G3)이다. 셋째, 안전. 무용기 고온 용융체·부양 설비는 진공에서 방울 이탈·비산 및 금속 증기 위험을 가지며, 폐쇄 공정 설계가 요구된다. 넷째, 환경·자원. 레골리스 대량 처리는 국소 표토 교란·먼지 부유를 유발하고, 진공 탈산·증발 부산 가스 관리가 필요하다. 다섯째, 규제 공백. 지구 밖 자원 가공물의 소유·안전 표준이 미비하여, 구조부품의 인증·수명 판정 기준이 부재하다.

6.4 예측의 상호작용

본 논문의 공표는 자기실현·자기부정 두 방향으로 예측에 작용할 수 있다. 자기실현: 로드맵과 정량 반증표적(잔류 조성 Rc·증발 후 조성창)의 공개가 세 축 공동체의 통합 착수를 유인해 실증을 앞당길 수 있다. 자기부정: 임계냉각속도·조성창의 정량 반증표적이 명시됨으로써 초기 부정 결과가 빠르게 나올 수 있고, 저중력 이점의 절제된 서술이 자원 배분을 신중하게 만들 수 있다. 이 상호작용은 P1 신뢰도를 상방으로 크게 이동시키지 않도록 50%에 반영되었다.

이해상충

선언할 이해상충이 없다.

참고문헌

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부록 A. 신규성 검증 기록

검증 수행일: 2026-07-20. 검색범위(특허 DB 3종·학술 DB 2종·산업/회색문헌)에 대해 재현 가능한 검색식과 검색일을 제시한다. 결과는 변동적 건수 대신 '동일 결합(정제 불가 레골리스 잡합금 유리형성능 전용 ∧ 무용기 심과냉 유리화 ∧ 현지 벌크금속유리 부품화)' 레코드의 존부로 판정한다(재현 시 신규 레코드는 동일 기준으로 재선별).

A-1. 특허 데이터베이스 (3종)

A-2. 학술 데이터베이스 (2종) + 색인

A-3. 산업·회색문헌 (기관 리포지토리)

근접 선행과 구성요소 대비. (i) 우주 EML 순합금 BMG[16]: 유리화 물리 실증, 그러나 정제 Zr계·현지자원 무연계. (ii) 무용기 미소중력 급속응고[22]: 이질핵생성 억제 정량화, 그러나 정제 합금·레골리스 미적용. (iii) MRE 야금[1,2]: 잡합금 생성 실증, 그러나 폐기물 취급·유리화 무관. (iv) 레골리스 실리케이트 유리[12]: 산화물 유리이지 금속유리 아님. (v) 혼란 원리·HE-BMG·Fe계 준금속 GFA[18,20,38,39]: 정제 원료 기반. 세 특허 DB·두 학술 DB·기관 리포지토리 어디에서도 §3.1의 동일 결합 레코드는 검색일 기준 0건이다(identical_prior_found = false). 종합 판정: PLAUSIBLE-신규(통합 미제안). 신규 기여의 무게중심은 '지저분함의 유리형성능 전용 + 증발 자기정제 + 무용기 심과냉 통합'이며, '저중력=유리화 조력' 원리는 선행 존재이자 §2.3.2에서 부차항으로 논증되므로 신규성에서 제외한다. 주의: A-1~A-3의 검색식은 검색일 시점 구문이며, 이후 신규 공개는 동일 기준으로 재선별해야 한다.

부록 B. 예측 등록 카드 (기계가독)

prediction_card:
  paper_id: ""
  tech_name: "레골리스 고엔트로피 벌크금속유리"
  tech_name_en: "Regolith High-Entropy Bulk Metallic Glass (RE-BMG)"
  primary_prediction:
    deadline: "2035-06"
    demonstration_level: "lab_demo"
    target_composition: "residual Fe-Si-Al-Ti (+native C,P) after Mg/Ca evaporation"
    quantitative_conditions:
      - metric: "amorphous_fraction_XRD"
        operator: ">="
        value: 90
        unit: "%"
      - metric: "minimum_bulk_dimension"
        operator: ">="
        value: 1
        unit: "mm"
      - metric: "relative_undercooling_dT_over_Tl"
        operator: ">="
        value: 0.18
        unit: "dimensionless"
    confidence: 50
  falsification:
    - id: "F1"
      type: "principle"
      condition: "유리화 대상 잔류 조성(Fe-Si-Al-Ti-C-P)의 임계냉각속도 > 10^4 K/s 확정"
      check_by: "2032-12"
    - id: "F2"
      type: "pathway"
      condition: "무용기 진공 공정에서 잔류 산소 <= 0.3 at% 달성 불가 확정"
      check_by: "2033-12"
    - id: "F3"
      type: "principle"
      condition: "잔류 조성계 Fe-Si-Al-Ti-C-P 전역 유리형성 조성창 부재 확정"
      check_by: "2032-12"
    - id: "F4"
      type: "deadline"
      condition: "2035-06까지 P1 정량 조건 미관측"
      check_by: "2035-06"
  adjudication:
    window_days: 90
    representative_composition_rule: "시연 조성의 Fe/Si/Al/Ti 함량이 문헌 MRE 산물 포락선의 상대편차 ±25 at% 이내이면 대표 인정, 판정 주체는 위원회"
    dT_over_Tl_verification: "원시 온도-시간 트레이스 + 독립 T_l 측정 부속자료 기탁 시에만 제3자 재현 인정"
    partial_verification_rule: "P1 정량 조건 3건 중 2건 충족 및 잔여 1건 목표값 80% 이상 도달"
    unresolvable_defaults_to: "falsified"

그림 2. 복사냉각속도 대 임계냉각속도: 유리형성 창(정량 도해, 제1원리 추정)

<svg viewBox="0 0 760 470" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" role="img" aria-label="부양 방울 반경에 따른 복사냉각속도와 제1원리 추정 임계냉각속도 대비 유리형성 창"> <style> .ax{stroke:currentColor;stroke-width:1.4;fill:none} .gl{stroke:currentColor;stroke-width:0.5;opacity:0.25;fill:none} .tx{fill:currentColor;font-family:sans-serif;font-size:13px} .tt{fill:currentColor;font-family:sans-serif;font-size:15px;font-weight:bold} .sm{fill:currentColor;font-family:sans-serif;font-size:11px} .curve{stroke:#1f77b4;stroke-width:2.6;fill:none} .rcband{fill:#2ca02c;opacity:0.16} .failband{fill:#d62728;opacity:0.14} .dash{stroke:#d62728;stroke-width:1.2;stroke-dasharray:4 3;fill:none} .pt{fill:#1f77b4} </style> <text class="tt" x="380" y="24" text-anchor="middle">복사냉각속도 Ṫ_rad ∝ T⁴/r 대 임계냉각속도 Rc (제1원리 추정)</text> <!-- axes --> <line class="ax" x1="90" y1="40" x2="90" y2="400"/> <line class="ax" x1="90" y1="400" x2="699" y2="400"/> <!-- Y gridlines 10^0..10^5 --> <line class="gl" x1="90" y1="328" x2="699" y2="328"/> <line class="gl" x1="90" y1="256" x2="699" y2="256"/> <line class="gl" x1="90" y1="184" x2="699" y2="184"/> <line class="gl" x1="90" y1="112" x2="699" y2="112"/> <text class="sm" x="84" y="404" text-anchor="end">10⁰</text> <text class="sm" x="84" y="332" text-anchor="end">10¹</text> <text class="sm" x="84" y="260" text-anchor="end">10²</text> <text class="sm" x="84" y="188" text-anchor="end">10³</text> <text class="sm" x="84" y="116" text-anchor="end">10⁴</text> <text class="sm" x="84" y="44" text-anchor="end">10⁵</text> <text class="tx" x="30" y="230" text-anchor="middle" transform="rotate(-90 30 230)">냉각속도 (K/s)</text> <!-- X labels: r = 0.01, 0.1, 1, 10 mm --> <text class="sm" x="90" y="418" text-anchor="middle">0.01</text> <text class="sm" x="293" y="418" text-anchor="middle">0.1</text> <text class="sm" x="496" y="418" text-anchor="middle">1</text> <text class="sm" x="699" y="418" text-anchor="middle">10</text> <text class="tx" x="394" y="440" text-anchor="middle">부양 방울 반경 r (mm)</text> <!-- fail band: Rc > 10^5 (equiatomic/metalloid-poor HEA) top strip, quantitatively excluded --> <rect class="failband" x="90" y="40" width="609" height="30"/> <text class="sm" x="430" y="58" text-anchor="middle">심실패 영역 (Rc &gt; 10⁵ K/s): 등원자·준금속 결여형 — 정량 배제[21,38]</text> <!-- Rc band 10^2 - 10^4 first-principles estimate for residual Fe-Si-Al-Ti-C-P --> <rect class="rcband" x="90" y="112" width="609" height="144"/> <text class="sm" x="610" y="180" text-anchor="middle">제1원리 추정 Rc</text> <text class="sm" x="610" y="196" text-anchor="middle">10²–10⁴ K/s</text> <text class="sm" x="610" y="212" text-anchor="middle">(잔류 Fe-Si-Al-Ti-C-P)[38,39]</text> <!-- radiative cooling curve: (90,99)->(699,315) --> <line class="curve" x1="90" y1="99" x2="699" y2="315"/> <circle class="pt" cx="90" cy="99" r="3.5"/> <circle class="pt" cx="293" cy="171" r="3.5"/> <circle class="pt" cx="496" cy="243" r="3.5"/> <circle class="pt" cx="699" cy="315" r="3.5"/> <text class="sm" x="150" y="96">Ṫ_rad (진공 복사)</text> <!-- intersection markers --> <line class="dash" x1="127" y1="112" x2="127" y2="400"/> <text class="sm" x="150" y="356" text-anchor="middle">Rc=10⁴ → r≲0.015 mm</text> <line class="dash" x1="532" y1="256" x2="532" y2="400"/> <text class="sm" x="545" y="384" text-anchor="middle">Rc=10² → r≲1.5 mm (벌크 가능)</text> </svg>

그림 2 해설. 진공 복사냉각속도는 방울 반경에 반비례한다(Ṫ_rad ∝ r⁻¹). 잔류 조성 Fe-Si-Al-Ti(+C·P)의 임계냉각속도는 원자크기 불일치 δ·혼합엔탈피 부호구조·준금속(특히 B) 결핍·공정 근접성에 기반해 10²–10⁴ K/s로 추정된다(녹색 띠, §3.2.1). 등원자·준금속 결여형에서 나타나는 심실패 영역(Rc>10⁵ K/s, 적색 상단 띠[21])은 잔류 조성이 등원자가 아니고 δ가 문턱에 근접하며 지배 원자쌍의 혼합엔탈피가 강한 음수라는 근거로 정량 배제된다. 그러나 mm급 벌크(≥1 mm)의 순수 복사냉각 유리화는 Rc가 추정 구간 최하단(≲10² K/s)에 있을 때만 성립하며(우측 점선), Rc가 10⁴ K/s이면 반경 약 0.015 mm 이하만 유리화되어 벌크에 미달한다(좌측 점선). 이 경계성이 반증 F1·F3에 대응하고 P1 신뢰도(50%)의 하방 요인이다.