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우주엘리베이터

우주도시로 졸업여행 간다
| 글 | 고호관ㆍkaridasa@donga.com |


체험학습으로 우주정거장에 견학 가는 날. 마음이 들떠 조잘 조잘 떠드는 학생들을 이끌고 선생님이 커다란 엘리베이터에 오른다. 우주선에 탑승하기 위해 엘리베이터를 타는 것일까. 그러나 출발한 엘리베이터는 멈출 생각이 없는 듯 하늘 높이 솟아 오른다. 창 밖으로 보이는 땅이 점점 멀어지면서 이윽고 산과 구름도 아래로 사라지고 검은 우주를 배경으로 둥근 지구의 윤곽이 드러난다. 그리고 들려오는 안내원의 목소리. “잠시 후 우주 정거장에 도착합니다.”

우주엘리베이터는 말 그대로 우주까지 솟구쳐 있는 엘리베이터다. 엘리베이터의 선로가 지상에서 우주까지 이어져 있다고 생각하면 쉽다. 지구 적도 상공 정지궤도의 한 점에서 지상으로 케이블을 늘어뜨리면 언제나 지구 표면 위에 수직으로 솟아있는 엘리베이터를 만들 수 있다. 정지궤도인 3만 6000km 상공은 지구의 중력과 원심력이 똑같아지는 고도이기 때문이다. 따라서 3만 6000km 보다 높은 곳에 중력을 상쇄할 수 있는 무게추(평형추)를 두면 케이블이 중력에 의해 떨어지지 않고 계속 유지된다. 무게추로는 소행성이나 인공위성을 이용할 수 있다.

우주엘리베이터가 완성되면 어려운 훈련과정 없이 누구나 관광 목적으로 우주기지를 방문해 지구를 내려다 볼 수 있다. 욕심을 부린다면 우주도시를 짓고 엘리베이터를 타고 오르내리는 것도 가능하다. 우주엘리베이터는 로켓에 비해 여러 가지 이득이 있다. 연료를 많이 소모하지도 않을 뿐더러 대기 중에 오염물질을 배출하지도 않는다. 또한 우주기지 근처에서 겪는 소음피해도 줄일 수 있다.







[미국 항공우주국(NASA)의 우주왕복선 발사 장면] 미래에 우주엘리베이터가 등장하면 불필요한 로켓발사가 줄어들 전망이다.
탄소나노튜브 등 신소재 개발이 관건
우주엘리베이터는 일반 고층 건물이나 탑과는 개념이 다르다. 고층 건물이나 탑은 중력에 의한 압축력을 견뎌야 하지만, 우주엘리베이터는 지구 중력과 무게추의 원심력이 각각 양쪽에서 잡아당기기 때문에 인장력을 견뎌야 한다. 가장 큰 인장력을 받는 곳도 정지궤도인 3만 6000km 상공이다. 이 때문에 우주 엘리베이터를 연결하는 케이블은 지상에 가까울수록 가늘고 정지궤도에 가까울수록 굵어질 것이다.

현재 쓰는 건축재료인 강철로 우주엘리베이터를 만들기는 불가능하다. 철은 3만 6000km는 커녕 몇 km도 버티지 못하고 끊어지고 만다. 좀 더 가볍고 강한 금속도 마찬가지다. 현재 가장 유력한 후보는 탄소나노튜브다. 벌집 모양의 긴 원통처럼 생긴 탄소나노튜브는 1991년 일본의 수미오 이지마 박사가 발견했다. 탄소나노튜브는 인장력에 매우 강하기 때문에 이론적으로는 우주엘리베이터를 만드는 데 충분하다.

재료 이외에도 여러 가지 문제를 해결해야 한다. 지구 대기 상층부에서 부는 강한 바람, 번개, 운석, 인공위성이나 우주쓰레기 등 다양한 문제가 있다. 우주엘리베이터가 완성될 경우 인류 역사상 가장 거대한 구조물이 되므로 자연재해나 테러로 무너진다면 사상 최악의 재난이 일어난다. 무엇보다 큰 문제는 돈이다. 우주엘리베이터를 연구하고 건설하는 데는 엄청난 비용이 들어간다. 이 문제를 해결하기 위해서는 우주여행이 흔한 일이 되어야 한다. 관광 같은 다양한 목적으로 떠나는 우주여행이 많아질수록 우주엘리베이터에 들어가는 비용을 정당화할 수 있다.




“이론적으론 7년 안에도 가능”
당장 우주엘리베이터가 현실화되긴 어렵다. 소재, 건설기술, 우주과학 등이 모두 고루 발전해야 한다. 다만 과학자들은 몇 년 사이에 우주엘리베이터를 현실화할 기술의 토대는 마련될 것으로 예상하고 있다.

지난 8월 13~15일 미국 워싱턴 주 레드몬드에서 열린 우주엘리베이터 컨퍼런스에서는 7년 안에 우주엘리베이터를 건설하는 게 가능하다는 주장도 나왔다. 하지만 현실적으로 우주엘리베이터가 이렇게 빨리 건설될 가능성은 적다. 재료나 기술 문제가 어느 정도 해결돼 있다고 하더라도 우주엘리베이터 건설에 착수할 동기가 부족하기 때문이다. 로켓 우주여행 비용이 부담스럽게 느껴지기 시작할 때쯤이면 우주엘리베이터 건설이 시작되지 않을까.



NASA, 경진대회 열어 기술개발 한창
미국 항공우주국(NASA)을 비롯한 여러 연구소나 기업은 꾸준히 우주엘리베이터를 탐구해왔다. NASA는2005년부터 스페이스워드재단과 함께 우주엘리베이터를 건설하는 데 필요한 기술 경진대회를 열고 있다. 2009년 대회에서는 4년 만에 처음으로 상금을 탄 팀이 나왔다. ‘레이저모티브’가 개발한 로봇은 1km 상공에서 수직으로 늘어뜨린 리본을 타고 900m까지 오르는 데 성공했다. 국내에서는 항공우주연구원과 한양대 건설환경공학과가 관심을 갖고 있다.

우주엘리베이터라는 개념은 언제부터 나왔을까. 1895년 러시아의 과학자 콘스탄틴 치올코프스키는 정지궤도까지 치솟아 있는 거대한 탑을 떠올렸다. ‘천상의 성’이라는 이름의 이 성의 꼭대기는 항상 정지궤도에서 지구와 함께 자전한다. 이 아이디어가 조금 더 구체적이 된 것은 1960년대였다. 러시아의 공학자 유리 아르추타노프는 정지궤도 위성에서 지상을 향해 케이블을 늘어뜨린다는 아이디어를 발표했다. 이 개념이 널리 알려진 것은 1979년 영국의 SF작가 아서 클라크의 소설 ‘낙원의 샘’을 통해서다.




우주엘리베이터의 원리
3만 6000km 상공까지 우주엘리베이터를 타고 오르내리려면 적잖은 에너지가 든다. 이런 에너지는 어떻게 해결할 수 있을까. 우주에 있던 엘리베이터가 지상으로 내려올 때는 중력의 힘에 의해 저절로 내려간다. 이 힘을 이용하면 전기를 만들 수 있다. 올라갈 때 이 전기 에너지를 활용하면 많은 에너지를 들이지 않고 우주엘리베이터를 운용할 수 있다.





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