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우주로 나아가는 또 다른 방법, 우주 엘리베이터
#우주 , #엘리베이터 , #로켓

우주로 나아가는 또 다른 방법, 우주 엘리베이터

 

 

우주시대와 인간

 

밤하늘을 수 놓는 별들은 오래전부터 인간에게 동경의 대상이었습니다. 먼 고대부터 현대에 이르기까지, 어느 시대든 사람들은 하늘을 바라보아왔고, 저 하늘 너머 별들의 공간에 무엇이 있을지 흥미와 궁금증을 가졌습니다. 예언가부터 점성술사, 천문학자에 이르기까지 많은 이들이 우주를 관찰하고 그런 것들을 생각한 것입니다. 이윽고 인류는 20세기에 이르러 과학기술의 발전에 따라서 염원하던 우주에 발을 내디뎠습니다. 인공위성을 쏘아 올리고, 달에 인간이 다녀오기까지 했죠. 현재에 이르러선 수많은 위성이 지구궤도를 돌고 있으며, 지구 저궤도에는 무게가 400톤에 이르는 우주정거장이 존재하는 등 인류는 우주로의 관문인 지구궤도를 십분 활용하는 시점에 이르렀습니다. 이러한 우주개발에 따라서 많은 과학기술, 전자기기들이 이러한 우주과학에 기반을 두고 사용되기까지 하고 있죠. 위성에 기반을 둔 GPS 시스템이나 기상예보가 대표적인 예입니다. 이제 우주 없이는 현대 사회와 인간을 논하기 어려운 시점에 다다른 것입니다.

 

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그림 1. 구글 어스로 살펴본 지구궤도
지구 주위에 수 많은 인공위성들을 확인할 수 있다.

 

 

그런데도, 아직 우주는 인류에게 완전히 열린 공간이 아닙니다. 인간은 아주 제한적인 방법을 통해서만 우주 공간에 진출할 수 있으며, 그마저도 막대한 비용과 자원을 소모해야 합니다. 또 상당한 위험을 수반하기도 하죠. 만약 별다른 개선 없이 이러한 방법만을 계속 사용한다면 인류는 본격적인 우주 진출에 큰 어려움을 겪을 것입니다. 그렇다면 어떤 대안이 연구되고 있을까요? 미래에는 어떤 방식으로 우주에 가게 될까요? 오늘은 우주 엘리베이터를 중심으로 이를 살펴보겠습니다.

 

현재의 우주발사체들

 

우선, 미래의 방법을 논하기 이전에 우리는 현재 우리가 처한 문제점을 먼저 살펴봐야 할 것입니다. 인류는 첫 우주 진출부터 현재에 이르기까지, 지구를 탈출하기 위해 화학 추진 방식의 우주 발사체들을 사용하고 있습니다. 화학 추진이라는 단어가 어렵게 다가올지도 모르겠지만 이를 간단히 설명하면, 화학 추진 방식이란 연료의 화학적 반응, 즉 연소반응을 통해서 로켓의 추력을 얻는 방식을 뜻합니다. ‘로켓하면 떠오르는 이미지에 걸맞은 것들이죠. 이 화학 추진 방식의 로켓은 어떠한 형태던 간의 내부의 추진제를 연소시키고, 이 추진제의 연소 분사를 특정한 방향으로 제어함으로써 강력한 추진력을 얻게 됩니다. 사실 이는 폭발에 가까운 것이기에, 이러한 화학 로켓의 구동 방식을 제어된 폭발이라고 부르기도 합니다.

 

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그림 2. 화학 추진 로켓의 개념도
화학 추진 방식은 그림처럼 다양한 추진제의 화학적 반응을 통해 추력을 얻는다.

 

 

이러한 화학 추진 방식이 현재 우주 발사체의 주류를 이룬 원인은 그 외에 다른 대안이 없기 때문이었습니다. 지구는 강한 중력을 가지고 있고, 이를 벗어나 우주 공간에 도달하기 위해서는 막대한 출력이 필요한데, 화학 로켓 외에 그러한 출력을 낼 만한 적당한 물건이 없었던 것입니다. 이는 명확한 수치를 통해서 더 잘 확인해 볼 수 있습니다. 과학자들은 어떠한 물체가 지구의 중력을 벗어나 우주 공간에 다다르기 위한 최소한의 속도를 계산해 놓았는데 이를 지구탈출속도 혹은 우주속도라고 합니다. 이에 따르면 어떤 물체가 지구궤도에 도달해 지구를 공전하기 위해서는 7.9km/s(1우주속도), 지구의 중력권에서 완전히 탈출하는 데는 11.2km/s(2 우주속도)가 필요합니다. 시속으로 환산해보면 제1우주속도는 28,440km/h, 2우주속도는 40,320km/h라는 엄청난 속도입니다. 현재 인간의 기술력으로 단시간 내에 이 정도의 속도에 도달할 추진력을 낼 방법이 강력한 화학 로켓 외에는 없는 것입니다. 따라서, 소유즈 로켓이나 아폴로 계획에 쓰였던 델타 로켓부터 우주왕복선까지 인류의 모든 우주발사체는 화학 추진 방식에 기반하고 있습니다.

 

하지만 이러한 화학 추진 방식은 그 효율이 매우 좋지 않다는 것이 치명적인 단점입니다. 사실 이것이 모든 문제의 핵심이죠. 아무리 효율 좋은 로켓이라도, 화학 로켓인 이상 로켓 대부분은 추력을 생산하기 위한 추진제로 채워지게 됩니다. 반면에 궤도 상에 수송하는 화물은 매우 적죠. 실례를 통해 확인해 보면 조금 더 확실히 확실히 알 수 있습니다. 2020년 발사를 목표로 개발 중인 유럽연합의 우주발사체 아리안 6(Ariane 6) 로켓의 A64형을 살펴보면 목표 제원은 다음과 같습니다. 이 로켓은 전체 800톤의 무게를 가질 예정이며, 36,000km 상공인 지구 정지 궤도(Geostationary Orbit)에는 그중 5톤을 올리고 약 2000km 상공인 지구 저궤도(Low Earth Orbit)에는 약 20톤을 수송할 예정입니다. 최신형 로켓이라 할지라도 목표로 하는 화물의 수송 비중은 전체 중량에 비해 이 정도로 매우 적은데 그를 위해 이처럼 막대한 연료를 소모하는 것입니다.

 

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그림 3. 아리안 6 로켓

 

 

이는 화물이 커질수록 더욱 큰 문제가 됩니다. 화물이 커지면 그를 위한 추진제도 늘어나며, 다시 로켓의 크기도 커지고 종국에는 연료 역시 더욱 소모되는 악순환이 반복됩니다. 매우 비효율적이죠. 또한 물체가 커질수록 상승에 필요한 추력도 급격히 커지기 때문에 그만한 추력을 만들어내고 제어하는 것 역시 매우 어렵습니다. 결국 우주 시대에 발맞추어 우주로 보내야 하는 화물의 규모가 상승할수록 로켓의 제작 및 발사 난이도는 급격히 상승하며, 사용하는 연료도 기하급수적으로 커지는 골치 아픈 상황을 맞게 되는 것입니다. 물론, 로켓의 단분리나 분리된 로켓의 재활용, 로켓 엔진의 클러스터링, 로켓 엔진간 연료 크로스피드(Cross-feed) 연구 등으로 이러한 문제에 대응해 나가고 있지만, 근본적인 문제가 해결되지는 않습니다. 물리적 한계를 벗어날 수는 없는 것입니다.

 

 


그림 4. 소유즈 로켓의 엔진 클러스터링
클러스터링이란 이처럼 중소형의 엔진들을 여러 개 묶어서 로켓의 출력을 올리는 것을 뜻한다.

 

 


그림 5. 로켓 간 연료 크로스피드 개념도
각각의 원은 로켓을 의미하며, 그림처럼 로켓 간 연료가 연결되어 발사 시 로켓의 무게와 연료를 좀 더 효율적으로 사용하게 해준다. 다만, 이는 난해한 기술로서 아직 연구중인 상황이다.

 

우주로 향하는 사다리, 우주 엘리베이터

 

따라서, 이러한 화학식 로켓의 대안으로 여러 가지 방법들이 연구, 구상되고 있습니다. 물론, 실제로 당장 실용화가 가능할 만큼 연구가 진행된 것은 많지 않으며, 대부분은 그 기술적 어려움이나 거대한 규모 등으로 인해서 공상과학적인 영역에 머무르고 있는 것이 사실입니다. 그럼에도 그 중에서 그나마 현재로서 실현 가능성이 높아 보이고 흥미로운 대안들도 찾아볼 수 있는데, 궤도 엘리베이터(Orbital Elevator) 혹은 우주 엘리베이터(Space Elevator)가 바로 그것입니다.

 

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그림 6. 우주 엘리베이터의 상상도
상상도에서도 보이듯, 우주 엘리베이터는 엄청난 규모의 건축물로 구상되고 있다.

 

 

우주 엘리베이터는 언뜻 생각하기에 굉장히 허무맹랑한 소리로 들립니다. 말도 안 될 정도로 거대한 구조물이기 때문이죠. 우주 엘리베이터는 약 36,000km 상공에 위치한 지구 정지 궤도에 정거장을 짓고, 이곳과 지구를 잇는 엘리베이터를 짓는다는 것을 기본 개념으로 합니다. 36,000km라는 높이는 상상 이상으로 엄청난 높이로서, 단순히 지구 대기권을 조금 넘어 탑이 솟아 있는 수준이 아닙니다. 지구 지름의 약 3배에 가까운 길이로서 엄청난 높이죠. 만약 멀리서 우주 엘리베이터가 지어진 지구를 보게 된다면, 지구의 직경보다 훨씬 긴 탑이 우주를 향해 세워져 있는 것을 목격하게 될 것입니다. 우주 엘리베이터는 이러한 거대한 구조물을 구축함으로써 그를 통해 쉽게 우주로 진출하는 것을 목표로 하는 행성-우주간 수송 시스템(planet-to-space transportation system)입니다.

 

이 우주 엘리베이터의 개념은 사실 상당히 오래전에 제시되었습니다. 최초로 거슬러 올라가 보면, 정지 궤도에 도달하는 거대한 탑의 개념이 1895년 러시아의 과학자 콘스탄틴 치올코프스키(Konstantin Tsiolkovsky)에 의해 제시되었습니다. 그는 당시 파리에 지어졌던 에펠탑을 보고 영감을 받아 이러한 개념을 제시했었죠. 물론 이것은 현대적인 우주 엘리베이터의 개념과 상당한 차이가 있는 것이었습니다. 특히, 건축물의 건축방식에서 그러했는데, 그는 그저 지상에서 우주까지 쌓아 올리는 건축물의 형태로 우주 엘리베이터를 구상했었습니다.

 

실질적으로 현대까지 통용되는 우주 엘리베이터의 개념은 20세기 전반에 걸쳐 여러 과학자들, 그리고 SF 소설가들에 의해 정리되고 제시되었습니다. 특히 1960년대에 그 발전이 두드러졌는데, 이는 미국과 소련을 주축으로 한 것이었습니다. 우선 1959년에 소련의 과학자 유리 N. 아스타노프(Yuri N. Artsutanov)에 의해 현대적이라 볼 수 있는 우주 엘리베이터의 컨셉이 등장하였습니다. 단순히 쌓아 올리는 건축물이 아닌, 정지 위성과 케이블을 이용하는 방안이 제시된 것입니다. 이를 대략 살펴보면, 정지 궤도 상에 최초의 위성을 배치한 후, 여기서 초고강도의 케이블을 지상까지 내려 보내며, 이를 중심으로 케이블을 추가하고 기지를 건설하여 엘리베이터를 구축하는 것이 주요 골자입니다. 이러한 방식은 현재까지 일반적인 우주 엘리베이터의 건설 방식으로 논의되고 있습니다. 1966년에는 미국의 과학자들이 소련과 비슷하게 위성과 케이블을 이용한 방법론을 발표했으며, 그 방식으로 우주 엘리베이터의 제작에 어떤 유형의 재료가 사용되어야 하는지, 어느 정도 강도의 재료가 필요한지, 어느 정도의 자재가 동원되어야 하는지 등을 계산하여 우주 엘리베이터에 대한 논의를 한층 발전시켰습니다.

 

 


그림 7. 우주 엘리베이터의 개념도
위 그림에서 확인할 수 있듯이, 현대의 우주 엘리베이터 구상은 대부분 이렇듯 정지궤도상의 위성과 중간의 케이블, 그 사이를 움직이는 엘리베이터로 구성되어 있음을 알 수 있다.

 

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1979년에는 SF 소설가를 통해서 우주 엘리베이터는 또 한 번의 분기점을 맞이하였습니다. SF 소설의 거장 아서 C. 클라크(Arthur C. Clarke)1979년 그가 출간한 SF 소설 낙원의 샘(The Fountains of Paradise)’에서 우주 엘리베이터를 주요한 소재로 사용하였고, 이것이 대중에 큰 영향을 미쳤습니다. 그는 작중에서 당시까지 연구되던 우주 엘리베이터에 관련된 여러 연구 및 이론들을 모두 모아 자신의 작품에 묘사하였는데, 이를 통해 우주 엘리베이터가 대중과 현실 세계 전반에 널리 알려지기 시작된 것입니다. 또 이 이후에도 다양한 우주 엘리베이터에 관한 논의들이 이어졌는데, 엘리베이터의 건설 컨셉부터 최적 건설 위치, 전력 전달방법, 위험 환경 회피 대책 등이 20세기 중반 이후 최근까지 과학계 및 대중으로부터 지속적으로 제시되었습니다.

 

 


그림 8. 소설 낙원의 샘

 

 

우주 엘리베이터, 실현 가능성은?

 

이 우주 엘리베이터의 실현 가능성은 이전부터 논란거리였습니다. 처음 우주 엘리베이터의 개념이 제시되었을 때부터 그 엄청난 규모로 인해서 실현할 수 없을 것이라는 의견이 많았던 것입니다. 대체 어떤 소재를 이용해야 그만한 건축물을 짓고, 그 무게를 지탱할 수 있겠느냐는 것이 주요 비판점이었습니다. 특히 이는 단순히 건물을 쌓아 올린다는 개념만이 제시되었던 20세기 초는 물론이고, 케이블을 비롯해 다양한 방법이 나타나기 시작한 현대에도 통용되는 문제점이었죠. 앞서 살펴본 1966년의 연구는 우주 엘리베이터에 필요한 자재가 다이아몬드나 흑연을 포함해서 당시까지 존재하던 가장 강력한 소재보다 최소 2배 이상 강력해야 한다는 결론을 내리기까지 했었습니다.

 

이러한 문제는 1990년대 탄소나노튜브라는 소재가 등장함으로써 점차 해결의 기미가 보이기 시작했습니다. 1991년 일본의 이지마 스미오(飯島澄男) 박사가 발견해 낸 이 소재는 인류가 발견한 소재 중 그래핀과 더불어 가장 강력한 소재입니다. 기본적으로 탄소 6개가 벌집 모양으로 연결되어 튜브의 형태로 구성되기에 탄소나노튜브라고 불리죠. 이 탄소나노튜브는 그 구성에 따라 조금씩 다르지만, 일반적으로 그 강도와 인장력이 철의 100배에 달하는 것으로 알려져 있습니다. 이 정도로 튼튼한 소재가 등장함으로써 우주 엘리베이터는 공상의 영역에서 이론상 건설 가능할지도 모르는 영역으로 다가오게 된 것입니다.

 

 


그림 9. 탄소나노튜브

 

 

그럼에도, 탄소나노튜브의 사용에는 아직 큰 문제점들이 남아있습니다. 우선 탄소나노튜브는 가격이 매우 비싸다는 것이 문제입니다. 구조에 따라 그램당 수백에서 수천만 원에 이르는 탄소나노튜브의 가격은 실제로 건설자재로 쓰기엔 너무 비싼 소재입니다. 또한, 개발된 지 얼마 안 된 재료기에 양산하기도 쉽지 않죠. 기술적으로 어려울뿐더러, 산업적인 기반 역시 크지 않기에 엘리베이터 건설에 필요한 형태로 대량으로 만들어내기 어려운 것입니다. 거기에 근본적으로 현재 생산 가능한 탄소나노튜브의 강도가 아직 우주 엘리베이터 건설에 부족하다는 점도 문제입니다. 연구를 통해 더 튼튼한 탄소나노튜브 소재가 개발되어야 실질적으로 우주 엘리베이터에 쓰일 수 있는 것이죠.

 

이러한 소재의 문재를 넘어서서 엘리베이터 설계 및 건축 방법의 부분에서도 우주 엘리베이터의 실현을 위해서 다양한 방법이 제시되고 있습니다. 특히, 우주 엘리베이터는 그 규모가 거대한 만큼 그 규모를 줄여서 건설 난이도를 낮추려고 하는 방법이 연구되고 있습니다. 가장 대표적인 것이 스카이훅(Skyhook)이라는 방법입니다. 이는 사실 고전적인 우주 엘리베이터와는 상당히 차이가 있는 개념입니다. 이 스카이훅은 단순히 우주상에서부터 엘리베이터를 짓는 것을 넘어서서, 엘리베이터의 중심 자체가 우주상의 위성이 되는 방식입니다.

 

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그림 10. 스카이훅 개념도

 

 

위의 그림처럼 대기권 위의 우주 공간에서 뻗어 내려진 우주 엘리베이터는 지상까지 완전히 도달하지 않고, 궤도 중간까지만 건설되게 됩니다. 그리고 이 우주 엘리베이터는 그림처럼 회전하게 되죠. 지상에서는 이 엘리베이터의 움직임에 따라서 화물을 궤도의 중간까지만 쏘아 올립니다. 쏘아 올려진 화물은 움직이는 우주 엘리베이터가 갈고리(Hook)처럼 낚아채서 회전력을 통해 다시 우주 공간으로 던져 보내게 되죠. 이것이 바로 스카이훅입니다.

 

여전히 로켓을 쏴야 한다는 문제가 존재하지만, 이 스카이훅 방식은 다양한 장점으로 주목받고 있습니다. 우주 엘리베이터보다 낮은 궤도에 더 작은 규모로 지을 수 있기 때문에 우주 엘리베이터보다 싼 가격에 지을 수 있다는 점, 계산상 현존하는 소재로도 바로 건축이 가능하다는 점, 또 지구 저궤도까지는 나름대로 싼 가격에 로켓을 이용할 수 있기에 타산성이 있다는 점 등이 바로 그것입니다. 일종의 현실적 타협이죠.

 

물론 우주 엘리베이터에는 지금 살펴본 것 외에도 여러 문제점이 상존하고 있습니다. 스카이훅을 포함해 어떤 것을 구상하든 건축물의 규모가 너무 거대해서 현대 국가들이 건설하는 것은 불가능하다는 지적부터, 실제로 건설되었을 때에 우주 엘리베이터가 겪을 여러 환경적, 사회적 위험에 어떻게 대처해야 하는가에 대한 문제까지 말입니다. 그런 점에서 살펴보자면, 현재로서는 우주 엘리베이터는 그 실현 가능성이 높다고 말하기는 힘들 것입니다. 그럼에도 우주 엘리베이터는 그 자체로서 상당한 가치를 지니고 있습니다. 연구를 계속한다면 실제로 건설된 가능성이 상당히 있을뿐더러, 현재 인류가 가진 문제점을 해결하려는 하나의 노력으로서도 큰 역할을 하고 있기 때문입니다. 이러한 연구가 있었기에 인류는 새로운 발전 방향을 제시하고, 새로운 기술을 발전시킬 수 있었던 것이죠. 미래에 정말로 우주 엘리베이터가 실현될지는 단언할 수 없지만, 우리 모두 미래를 기대하고 이러한 연구에 관심을 가져 보는 것이 어떨까요?

 

 

 

 

 

 

 

- 자료 출처 -

*기사

“지구 밖으로 나가는 ‘우주 엘리베이터’ 실현 가능”, 나우뉴스, 2014.06.04
http://nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20140603601024
“강철의 100배 탄소나노튜브 ‘우주 엘리베이터’ 시대 연다”, 조선경제, 2007.03.16
http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2007/03/16/2007031600478.html
“우주로 가는 엘리베이터, 탄소나노튜브가 꿈 이룰까”, 메일경제, 2015.03.16
http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=105&oid=009&aid=000343871
“Why Earth Is A Prison and How To Escape It”, Kurzgesagt – In a Nutshell, 2017.02.01
https://www.youtube.com/watch?v=RVMZxH1TIIQ

 

 

 

*사이트
“로켓” <위키피디아>
https://ko.wikipedia.org/wiki/로켓
“우주속도” <네이버 지식백과 – 두산백과>
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1261912&cid=40942&categoryId=32285
“우주엘리베이터” <네이버 지식백과 – 두산백과>
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1221971&cid=40942&categoryId=32290
“Ariane 6” <영문 위키피디아>
https://en.wikipedia.org/wiki/Ariane_6
“Space elevator” <영문 위키피디아>
https://en.wikipedia.org/wiki/Space_elevator
“Skyhook” <영문 위키피디아>
https://en.wikipedia.org/wiki/Skyhook_(structure)

 

 

 

- 이미지 출처 -

그림 1. 구글 어스에서 확인한 지구궤도
https://www.universetoday.com/17754/explore-earths-satellites-with-google-earth/
그림 2. 화학 추진 로켓의 개념도
http://www.sterc.co.kr/src/board/board_view.php?seq=4&board_id=board_006&board_article_id=17&board_category_id=0&board_page=1
그림 3. 아리안 6 로켓
https://spaceflightnow.com/2015/06/24/ariane-6-rockets-to-be-assembled-horizontally/
그림 4. 소유즈 로켓의 엔진 클러스터링
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Soyuz_rocket_engines.jpg
그림 5. 로켓 간 연료 크로스피딩 개념도
https://forum.kerbalspaceprogram.com/index.php?/topic/14335-cross-feed-capable-rocket
그림 6. 우주 엘리베이터의 상상도
https://gizmodo.com/scientists-found-a-possible-deal-breaker-in-the-quest-t-1781909000
그림 7. 우주 엘리베이터의 개념도
http://nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20140603601024
그림 8. 소설 ‘낙원의 샘’
https://www.goodreads.com/book/show/149049.The_Fountains_of_Paradise
그림 9. 탄소나노튜브
http://www.itworld.co.kr/news/93807
그림 10. 스카이훅 개념도
https://skyhooksandspaceelevators.wordpress.com/

 

 

 

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