지식보관소_ 우주까지 가는 궤도 엘리베이터 건설이 가능할까?

 

 

 

적도에 정지궤도 위성을 올렸다면

이론적으로 여기에서 강력한 밧줄을 지구까지 내리기만 한다면

동화 <햇님달님> 이야기에 나오는 하늘나라로 올라가는 동아줄처럼

정지궤도 위성까지 올라갈 수 있을 겁니다.

 

 

우주로 가기 위해서는

지구의 중력 가속도를 이겨내고

궤도에 정착할 수 있어야 합니다.

 

그리고 그냥 대기권 밖으로 날아가기만 하면

다시 지표면으로 떨어질 수가 있기 때문에

계속 지표면으로 떨어지더라도

우주 공간에 있을 수 있도록

지구 둘레보다 큰 포물선 궤도를 그려야만 합니다.

 

이 속도는 우주 정거장이 있는 저궤도 기준으로

지구 수평선을 기준으로 27700km/h입니다.

마하22.6 정도의 속도입니다.

 

현재 우리가 해외여행을 갈 때 타고 다니는 제트 여객기도

마하 1의 속도를 넘지 않는데

마하 22.6의 속도를 달성하기는 여간 어려운 것이 아닙니다.

때문에 우리는 다단식 로켓이라고 하는 방법을 이용해서

이러한 속도를 달성해 왔죠.

 

엄청난 속도를 내기 위해서는 엄청난 에너지가 필요합니다.

이 엄청난 에너지를 만들기 위해서는 엄청난 연료가 필요하죠.

그런데 엄청난 연료는 로켓을 무겁게 합니다.

로켓이 무거워지면

그걸 들기 위해서 또 엄청난 에너지가 필요하게 되고

결국 로켓은 현실적으로 설계가 불가능할 정도로 커지게 됩니다.

 

그래서 인류는 저궤도에서 27,700km/h라는 어마어마한 속도를 달성하기 위해서

다 사용된 연료통과 로켓엔진을 버리는 소모적인 방법을 사용해서

우주개발을 해왔습니다.

 

하지만 우주개발에 다단식 로켓 방식만 존재하는 것은 아닙니다.

하프 프로젝트처럼 강력한 화기를 이용해서

우주여행을 하려는 스페이스 건 같은 방식과

레이건 같은 전자기 가속으로 우주 물체를 올리려는

매스 드라이브 같은 방식도 존재합니다.

 

이런 식으로 로켓을 사용하지 않고

우주개발을 하려는 방식을 비로켓 방법이라고 합니다.

그리고 이렇게 비로켓 방법 중에서 SF소재에 자주 등장하는 방식이

바로 궤도 엘리베이터입니다.

 

아까 말한 것처럼 궤도에 안착하기 위해서는 엄청난 속도가 필요합니다.

하지만 궤도가 높아질수록 필요한 궤도속도는 감소합니다.

물론 높은 궤도로 올라가기 위해서 엄청난 연료가 소모되기 때문에

지표면과 상대 속도 기준으로

저궤도보다 연료가 더 많이 필요합니다.

 

아무튼 로켓이 고도를 높여서 지표면에서 약 36,000km 높이에 도달했다면

이곳에서의 궤도 속도는 10,800km/h 정도입니다.

이 속도는 24시간 동안 약 26만km의 거리를 이동할 수 있는 거리입니다.

 

그리고 재미있게도 지표면으로부터 36,000km 높이에서

인공위성이 그리게 되는 원 궤도의 둘레는

약 26,5000km 정도입니다.

즉 36,000km 높이에 있는 인공위성은

정확하게 하루 만에 지구를 한 바퀴를 돌게 됩니다.

 

여기서 “어, 숫자가 딱 일치하지 않는데요?”라고 의아해 하실 수 있겠지만

중요한 건

지구의 하루는 23시간 56분이라는 것과

앞에 말한 값들이 근사값이라는 것입니다.

중요한 건 대략 36,000km 정도의 상공에서

원궤도로 공전을 하게 되면

지구의 자전속도와 인공위성의 공전속도가 둘이 일치하게 되죠.

 

이걸 정지궤도 위성이라고 합니다.

 

적도에 정지궤도 위성을 올렸다면

이론적으로 여기에서 강력한 밧줄을 지구까지 내리기만 한다면

동화 <햇님달님> 이야기에 나오는

하늘나라로 올라가는 동아줄처럼, 정지궤도 위성까지 올라갈 수 있을 겁니다.

 

이런 아이디어에서 나온 것이 바로 궤도 엘리베이터입니다.

정지궤도까지 이어지는 구조물을 만들고

그 구조물을 이용해서 엘리베이터처럼 정지궤도까지 오르락내리락 할 수 있다면

로켓없이 정지궤도로 이동이 가능할 겁니다.

 

 

그렇다면 과연 궤도 엘리베이터는 가능할까요?

현존하는 가장 높은 건물인 부르즈칼 리파의 높이는 830m 정도로

1km가 채 되지 않습니다.

따라서 궤도엘리베이터를 만들기 위해서는

이것보다 4만 배 이상 높은 높이로

올라갈 수가 있는 그런 엘리베이터를 만들어야 하죠.

 

문제는 이런 높이의 건축물의 하중을 지탱할 수 있느냐 하는

그런 문제가 있습니다.

 

건축물의 높이가 높아질수록 아래쪽의 하중은 커집니다.

아래쪽에 하중이 커지면

견디기 위해서 구조물이 더 크고 무거워지고

다시 높아지면 높아질수록 크고 무거워지기 때문에

현실적으로 초고층 건축물 건축은 쉽지 않습니다.

 

그래서 강력하고 얇은 구조물을 이용해야 하는데

가장 강력한 강철로 36,000km 길이를 만든다고 해도

필요한 두께는 너무나 두꺼워지기 때문에

사실상 불가능합니다.

 

결국 궤도엘리베이터는 불가능한 걸까요?

 

그래서 이런 소재의 한계 때문에 고안된 것이

탄소 나노튜브입니다.

탄소 나노튜브는

철강보다도 강도가 100배에서 200배 이상 뛰어나기 때문에

충분한 밀도로 이뤄진 순수한 탄소 나노튜브로 된 테이블을 만들 수가 있다면

이론적으로 정지궤도 위성부터 지구의 지표면까지 연결이 가능합니다.

 

여기까지 듣고

“어, 탄소 나노튜브는 현재 자동차에도 사용이 되고

항공이나 선박 같은 데까지 사용이 된다는데

이제 그러면 현재 기술로 가능한 거 아니야?”라고 궁금해할 수 있을 것 같아서

슬슬 소름 돋는 현실을 알려드리겠습니다.

 

우리가 현재 사용하고 있는 탄소 나노튜브는

대부분 강철 합금을 만드는 데 사용이 됩니다.

하지만 케이블을 만드는 데 필요한 탄소 나노튜브는

이물질이 하나도 없는 100% 순수한 탄소로만

나노튜브 형태를 하고 있어야만 합니다.

 

그런데 현실적인 공정으로는 36,000km 길이에 달하는 탄소 나노튜브를

이물질도 없이 쭉 연결된 케이블 형태로 만드는 것은 불가능합니다.

때문에 현재는 파우더 형태로만 탄소 나노튜브가 생산이 됩니다.

하지만 우리가 필요한 것은 강철의 200배 강도에 달하는

순수한 나노튜브 케이블인 것이죠.

 

또 탄소 나노튜브로만 이루어진 36,000km의 케이블을 만들 때

어떠한 용접도 없이 한 번에 이어진 케이블로 만들어야 합니다.

10km짜리 케이블 3,600개를 만들어서 이어서 붙인다면

그 이어 붙인 곳의 강도는, 탄소 나노튜브와 같지 않기 때문에

결국 문제가 생기기 때문이죠.

 

사실 궤도 엘리베이터를 실제로 완성하려면

이러한 문제는 굉장히 사소한 축에 속합니다.

왜냐하면 실제 케이블의 길이가 36,000km가 넘어야 하기 때문이죠.

궤도 엘리베이터의 정거장이 정지궤도를 유지하기 위해서는

정거장의 무게 중심이 정지궤도에 있어야 합니다.

 

즉 36,000km의 정거장을 짓게 되면

케이블과 엘리베이터의 무게 때문에

실제 무게 중심은 정지궤도보다 아래에 있게 되고

결국 정거장이 추락하게 될 겁니다.

 

이 문제를 해결하기 위해서는

정거장 궤도를 더 높여서

무게중심이 정지궤도에 오게 하거나

정거장보다 높은 궤도에 무게추를 달아서

정지궤도를 정거장이 유지하게 하는 것이 있습니다.

 

하지만 그러기 위해서는

무게추가 엄청나게 무거워야 하기 때문에

소행성을 끌어와서 무게추로 사용을 한다는

SF에 가까운 상상력이 동원이 됩니다.

 

이런 문제를 다 해결했다고 해도

아직도 문제는 남아 있는데

대기권 내에서 케이블이 받는 대기의 영향도 고려해야 하고

엘리베이터가 충분히 빨라야 합니다.

 

현재 가장 빠른 롯데월드 타워의 엘리베이터 속도는

36km/h 정도인데

이 속도로 정지궤도까지 올라가려면

1,000시간 정도가 필요합니다.

 

엘리베이터에서 1000시간을 보내고 싶은 사람은 없기 때문에

속도가 빨라야 하는데,

실제 정지궤도의 높이는

지구 한 바퀴를 도는 거리와 비슷한 높이이기 때문에

시속 1,000km를 가지는 속도의 엘리베이터를 만든다고 해도

36시간이 걸립니다.

 

앞서 말한 모든 문제를 해결하고 나면

엘리베이터를 설치할 마땅한 적도 부근에 지역을 선정해야 하는데

현실적으로는 중력이 조금이라도 약한 해상에

엘리베이터에 지상 스테이션을 건설하게 될 가능성이 높습니다.

 

해상 스테이션의 장점은

조금이라도 기둥이 가능하기 때문에

우주 스테이션과 미묘한 위치의 그런 오차의 차이를

조금씩 이렇게 움직여서 잡아줄 수가 있습니다.

 

이렇게 현재의 기술로 해결이 힘든 문제들이

산너머 산인데다가

모든 문제들을 해결하고 나면

테러 방지까지 신경을 써야 합니다.

 

911테러 같은 테러가 일어나게 되면

비교도 안 되는 개 참사가 벌어지기 때문에

궤도 엘리베이터를 지키기 위해서

스타크래프트에 나오는 미사일 터렛급의 방어시설이 필요합니다.

거기에다가 저궤도 위성이나 파편과 충돌할 가능성도 존재하죠.

 

이런 문제는 해상스테이션의 기동성이 좋고

모든 파편들을 정확하게 추적이 가능하다면

해결할 수는 있는 문제이긴 합니다.

 

 

아무튼 그래서 현재의 기술력에서는

당장 건설하는 건 불가능하다고 생각합니다.

27,700km/h의 속도로 궤도에 진입을 하는 로켓이

궤도 엘리베이터보다 훨씬 더 경제적이게 기술이 발전을 해서

궤도 엘리베이터는 인간의 상상력으로 끝나게 될지

앞서 말했던 문제들을 다 해결하고

궤도 엘리베이터가 결국에는 만들어지게 될지

정말로 궁금하네요.

그럼 이만.