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  1. 경제
[2525호] 2018.09.17
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[과학] 엘리베이터 타고 우주로 일본 세계 첫 실험

김형자  과학칼럼니스트 

▲ 우주엘리베이터 상상도 photo geir.org
실현가능성 ‘제로’였던 공상과학소설의 소재 ‘우주엘리베이터’가 드디어 현실의 영역으로 들어왔다. 9월 안에 미니 우주엘리베이터가 우주에서 작동하는지 알아보기 위한 실험이 일본에서 시작될 예정이다. 이는 인류 최초로 우주에서 이뤄지는 우주엘리베이터 실험이다.
   
   우주엘리베이터 실현을 위한 일본 연구팀의 초기 단계 실험은 이렇다. 먼저 일본 시즈오카(靜岡)대학 연구팀이 개발한, 한 변이 10㎝인 입방체 형태의 초소형 위성 2기에 소형 우주엘리베이터를 실어 가고시마(鹿兒島)현 다네가시마(種子島) 우주센터에서 H2B로켓 7호기로 국제우주정거장으로 발사한다.
   
   그리고 2기의 위성 사이를 10m 케이블로 팽팽하게 연결한 뒤, 이 케이블을 따라 미니 엘리베이터를 이동시키는 방식으로 우주엘리베이터 개념을 증명한다. 우주엘리베이터가 실제로 우주 공간에서 어떻게 움직이는지 확인하고 현실로도 가능한지를 기술적으로 실험하는 것. 엘리베이터의 움직임은 위성에 탑재된 카메라로 모니터링된다.
   
   우주 공간에서 케이블을 연장하는 실험은 그동안 몇 번 진행되어왔다. 하지만 미니 엘리베이터를 이동시키는 것은 이번이 처음이다. 우주엘리베이터가 실현되면 일단은 지상에서 로켓을 사용하지 않고 국제우주정거장까지 여행하거나 우주 태양광 발전에 사용할 패널이나 다양한 연구를 위한 물자를 운반하는 게 가능하다.
   
   
   지구서 우주정거장까지 8일
   
   우주엘리베이터의 아이디어는 1895년 폴란드계 러시아의 로켓 과학자인 콘스탄틴 치올코프스키가 에펠탑에 영감을 받아 처음 생각해냈다. 그는 지상에서 우주까지 쌓아 올리는 건축물의 형태를 구상했다. 또 다른 러시아 과학자 유리 알츠타노프는 1960년 정지위성에서 추를 단 기다란 케이블을 지구로 늘어뜨려 엘리베이터를 운항하는 방안을 구상했다.
   
   이 개념을 대중에 널리 알린 사람은 공상과학소설의 대가인 영국의 아서 클라크다. 그는 1979년에 발표한 ‘낙원의 샘’이라는 자신의 소설에서 우주엘리베이터의 정착을 위해 고군분투하는 주인공을 등장시켜 우주엘리베이터의 원리, 위험 요소, 대중의 불안감 등을 현실적으로 그려냈다. 또 1997년 펴낸 ‘3001년: 최후의 오디세이’에서 ‘우주엘리베이터’라는 이름의 하늘도시를 구상했다. 이 도시는 지구 궤도에 있는 원추형의 거대한 ‘고리’인데, 지구에서부터 이 고리까지(정지궤도까지)는 거대한 네 개의 탑이 세워져 있다. 그 탑 안에 승강기처럼 생긴 장치를 설치하면 지구와 위성 사이를 마음대로 오르내릴 수 있다는 것. 네 개의 탑은 고리를 지구에 붙잡아두는 ‘닻’ 기능과 함께 엘리베이터 역할도 한다.
   
   클라크는 31세기에는 대부분의 인류가 우주엘리베이터를 타고 하늘에 건설된 도시로 이주하게 될 것이라고 상상했다. 당시만 해도 이는 현실과 동떨어진 터무니없는 발상이라고 여겼지만 이후 여러 과학자들에 의해 우주엘리베이터 연구가 시작되었고, 현재 미국과 유럽을 비롯해 중국, 일본 등이 설치를 추진하고 있다. 특히 일본의 시즈오카대학과 건설회사 오바야시구미(大林組) 등이 본격적인 개발에 나서고 있다.
   
   오바야시구미는 독자적으로 우주엘리베이터를 만들고 있다. 그 계획은 구체적이다. 먼저 2025년 케이블을 지지할 지상기지부터 착공한다. 2030년부터는 로켓으로 기자재를 운반, 3만6000㎞ 정지궤도에서 우주정거장 건설에 돌입한다. 이후 우주정거장과 지상 사이의 케이블을 연결한 뒤 2050년쯤 엘리베이터 운행을 시작한다는 계획이다. 엘리베이터 정원은 30명. 지구에서 우주정거장까지의 도착은 8일이 걸린다.
   
   
   고강도 케이블이 최대 관건
   
   우주엘리베이터를 만드는 데 드는 비용은 약 100억달러. 비용이 더 들면 경제성이 떨어진다는 분석이다. 첫 엘리베이터를 건설하는 사람은 다른 어떤 경쟁자보다도 엄청난 우위를 누릴 것이고, 이것이 성공하면 화성까지도 엘리베이터를 보낼 수 있을 것이라는 게 오바야시구미 측의 설명이다.
   
   사실 우주엘리베이터의 개념은 간단하다. 도르래를 감고 있는 케이블에 매달려 올라가는 높이가 3만5786㎞(정확한 우주정거장의 높이)라는 점이 다를 뿐, 지상의 일반 엘리베이터와 원리가 같다. 로켓으로 케이블을 실은 인공위성을 정지궤도에 쏘아올린 다음 인공위성에서 그 고도만큼 긴 케이블을 늘어뜨려 지구의 기지(지구에서 풍속이 가장 느린 적도 부근의 한 지점)와 연결하는 것이다.
   
   왜 우주엘리베이터를 이렇게 만들까. 만일 우주엘리베이터의 케이블이 아무것에도 고정되지 않은 채 우주공간에 놓인다면 지구 중력 때문에 금방 무너지고 말 것이다. 다행히 지구를 도는 물체는 지구에서 벗어나려는 원심력이 작용한다. 우주 엘리베이터의 케이블을 인공위성에 매다는 이유도 이런 원심력을 이용하기 위해서다. 우주엘리베이터가 지구를 돌면서 생기는 원심력이 구심력인 중력과 균형을 이루기 때문에 안정된 케이블은 우주공간에 수직으로 꼿꼿이 매달려 있게 된다. 사실 전문가들이 제시하는 우주엘리베이터 계획에 따르면 케이블이 연결될 지구의 기지에는 약 50㎞ 높이의 거대한 탑이 필요하다.
   
   그렇다면 굳이 우주엘리베이터를 만들려고 하는 이유는 무엇일까. 현재에도 우주왕복선이나 로켓으로 사람과 화물을 우주로 실어나르고 있는데 말이다. 문제는 바로 비용이다. 우주엘리베이터를 이용할 경우 지상에서 정지궤도까지 화물을 옮기는 데 드는 비용이 현재의 우주왕복선이나 로켓의 100분의 1 수준으로 줄어든다. 이를테면 로켓 추진 방식에서 우주왕복선을 이용해 화물을 나르면 1㎏당 2만2000달러(약 2450만원)의 비용이 든다면 우주엘리베이터로는 약 200달러(약 22만원)에 가능할 것이라는 얘기다.
   
   문제는 지구와 위성을 잇는 케이블 기술이다. 우주 공간의 고에너지를 견뎌낼 수 있는 고강도 케이블 재료를 찾는 일이 난제인 것. 케이블의 강도가 적어도 강철보다 100배는 넘어야 끊어질 염려가 없기 때문이다. 최근 나노기술의 발달로 탄소나노튜브 복합재료가 등장했지만 아직 제조기술이 불완전하다. 케이블을 만들려면 나노튜브를 수m 단위로 길게 뽑아내야 하는데, 현재 기술로는 몇 ㎝밖에 만들지 못한다는 게 한계다.
   
   전문가들은 2030년까지 케이블을 만들 정도로 긴 나노튜브를 만들 수 있을 것으로 전망한다. 우주엘리베이터의 전기공급 기술이나 우주쓰레기나 운석과의 충돌방지 기술 등도 풀어야 할 과제다. 모든 어려움을 해결하고 또 다른 바벨탑이 세워질지는 좀 더 두고 볼 일이다.
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