궤도 엘리베이터

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Kurzgesagt에서 다룬 우주 엘리베이터

1 일반적 정의

우주로 화물과 물자를 운송하기 위한, 지표면에서 지구 정지 궤도까지 뻗어 있는 거대 엘리베이터 구조물.(아직 구상 단계이다.)지표면에서 정지 궤도까지 이어진 엘리베이터와, 그 엘리베이터를 잇는 정지궤도 상의 구형 구조물, 그리고 그 위에 인력의 균형을 맞춰줄 Counterweight 무게추로 구성되어 있다. 우주 엘리베이터라고 하기도 한다. 잘 상상이 안간다면, 실 중간에 구슬을 매어두고 지상으로 늘어뜨린 모습을 생각하면 된다.

궤도 엘리베이터의 개념은 우주 비행의 아버지라 불리는 치올코프스키가 에펠탑에서 영감을 얻어 생각해냈고, 아서 C. 클라크의 소설 낙원의 샘과 초인 로크 겨울 무지개에서 다뤄졌다. 낙원의 샘 에서는 궤도 엘리베이터에 대한 어지간한 개념을 전부 풀어놓고 있다.

보통 지구 적도 근방에 건설되며, 제1우주속도를 달성하지 않고도 우주에 진출할 수 있다는 이점이 있다. 우주 시대에 행성 중력권과 행성외 중력권의 활발한 물류를 위한 대안으로 각광받고 있으며 그 운행 수단으로는 리니어 모터 캐터펄트가, 궤도 엘리베이터를 건설하는 데 필요한 소재로는 풀러렌 형태의 탄소 나노튜브가 유력하다. 제일 연구가 진척된 곳은 미국으로, 리니어를 이용한 운반체의 실험에도 성공한 상태이다.

지상의 기반 구조물 - 엘리베이터 - Counterweight로 이루어져 있다.

단순히 '궤도' 엘리베이터라고 하면 좀 높은 탑 같은 건가 싶어 잘 감이 안 오지만, 실제로는 정말이지 어마어마한 스케일의 건축물이다. 간단한 계산으로 지구 반지름의 약 여섯 배(...)에 해당하는 36,000km 높이를 쌓아 올려야 하니 가히 인류 과학문명의 바벨탑이라 할 만한듯.

혹은 지구 궤도까지 엘리베이터를 끝까지 짓는 게 아니라 적당한 높이(수에서 수십 킬로미터)로 매스 드라이버를 지어서, 그 매스 드라이버로부터 가속하여 적당한 속도에 오른 다음 발사체 자체의 로켓엔진을 가동하여 원궤도를 형성한다는 구상도 있다. 물론 매스 드라이버로 탈출속도(약 25000km/h 이상)까지 내는건 좀 힘들겠지만(...) 일단 지구 저궤도 형성하는 데 필요한 운동 에너지의 거의 25% 정도가 공기저항 뚫는 데 들어간다는 사실을 감안하면 공기 저항을 뚫고 어느 정도의 고도와 속도로만 올려줄 수 있어도 발사체가 자력으로 궤도를 형성하는 데 상당한 도움이 될 것이다.

2 구상 중인 건설방법

빌딩 짓듯 지상에서부터 공구리쳐서 쌓아 올리는게 아니다!

우주에서 최초의 케이블('리본'이라고 한다.)을 하나 내리고 이 케이블을 따라서 여분의 케이블을 하나씩 추가한다. 이걸 계속 반복해서 어느 정도 안정이 되면 본격적으로 엘리베이터 장치와 기지 건설 등에 필요한 장비를 하나씩 올려서 궤도 엘리베이터를 완성하는 방법이 떠올랐다. 이것은 리프트포트 그룹에서 연구중인 방식으로, 일단 리프트포트 그룹에서는 최초 케이블의 무게는 20,000kg으로 예상하고 있다.

어느 높이까지 엘리베이터를 높일 것인가, 무게중심(정지궤도)에 대한 논의도 끝났는데, 정지궤도인 35,785km 높이에 기지를 설치해서 원심력으로 붙잡아 놓는 것이다. 이론적으로는 중력과 자체적인 무게가 원심력과 균형을 이루면 지면과 엘리베이터의 기단부가 연결되어 있지 않아도되기 때문이다. 고...공중부양?! 여기서 더 무거워진다고 해도, 위로 더 뻗어 올린뒤에 카운터 웨이트를 설치하면 안정성을 확보할 수 있다.

금속 케이블은 54킬로미터. 그래파이트 섬유는 1,050킬로미터. 탄소 나노튜브는 10,204킬로미터까지의 자체하중을 스스로 지탱할 수 있다. 현재까지 탄소 나노튜브는 64.3기가 파스칼까지만 시험되었는데, 이론적으로는 300기가 파스칼의 인장력을 얻을 수 있다. 다만, 단일 탄소 나노튜브 성능 자체는 요구사항을 만족한다 하더라도 이를 다시 로프 형태로 엮는 것은 별개의 문제이며, 이 부분에서 연구의 진척이 매우 더디게 진행되고 있다.

더 자세한 내용은 위키피디아에 정리되어있다.

그렇지만 남자의 로망을 가지고 있다면 지상에서부터 공구리쳐서 쌓아올려보자 바벨탑?

궤도 엘리베이터 말고 다른 저렴한 우주로 가는 수단으로는 매스 드라이버, 스페이스 건,포탈건이 있다. 다만 이건 실현이 돼도 사람은 못 탈 것 같다(...).

3 장점

대표적인 장점은 로켓을 사용할 때와는 비교도 되지 않는 높은 에너지 효율이다. 보다 정확히 말하면 로켓을 사용함으로써 발생하는 막대한 에너지 낭비에서 자유로워진다! 로켓은 1kg의 화물을 옯기는데 몇만달러 가량이 들지만, 엘리베이터로 1kg의 화물을 올려보내는데에는 100달러 이하가 들 것으로 추정되고 있다. 근데 엘리베이터는 건설 비용이 들어가잖아! <-규모의 경제란 개념을 공부하고 와라

보통 엘리베이터를 타나 로켓을 쏘나 지구에서 우주로 물건을 옮기는 데는 같은 에너지가 든다고 생각하기 쉽지만 추진기관까지 고려하면 이야기가 달라진다. 로켓 엔진이 내는 에너지의 대부분은 로켓 본체가 아닌 분사되는 가스가 가져가는데, 그 이유는 운동량은 속도에 비례하지만 운동에너지는 속도의 제곱에 비례하기 때문이다. 질량 비율이 k:1 인 두 물체가 서로 붙어있다가 운동량을 보존하면서 떨어지려면 두 물체의 속도 비율은 1:k가 되어야 하고, 그 결과 가져가는 운동에너지 비율은 1:k가 된다. 즉 가벼운 쪽이 무게의 역수의 비율로 더 많은 에너지를 가져간다. 로켓 엔진에서 분사되는 가스는 로켓 본체보다 훨씬 가볍기 때문에, 로켓 엔진이 만들어내는 에너지의 대부분은 로켓 본체가 아닌 분출가스의 운동에너지로 소비될 수밖에 없는 것. 더구나 그 로켓 본체 역시 발사체보다 엔진과 연료가 차지하는 비중이 높으므로 로켓 엔진이 만들어내는 에너지 중에서 발사체 자체의 운동에너지로 사용되는 비율은 매우 작다. 엘리베이터를 이용하게 되면 이러한 비효율을 피할 수 있다.

그외의 자잘한 것으로는 로켓발사시에 지구 대기권에 미치는 악영향도 주목받고 있다. 로켓 발사로 인해서 오존층이 파괴된다는 주장이 있으며, 연료가 분사되면서 발생한 블랙카본으로 성층권이 오염될 경우에는 오염도가 층층이 쪼개지면서 온도가 지 맘대로 변하는 문제도 발생한다. 현재로서는 워낙에 기록이 적어서 불완전하지만 장기적으로 우주개발이 진행된다면 확실히 짚고 넘어가야 할 문제이다.

또한 우주에서 발생한 쓰레기를 가지고 내려와 우주쓰레기 발생을 줄일수도 있을것이다. 기존에는 가지고 올라가는것도 막대한 비용이 드는데다 다시 지구로 가지로 내려오기도 힘들다. 지구로 귀환할때는 거의 다 버리거나 소모하거나 우주로 사출시킨뒤 돌아올수 밖에 없다는 것을 생각해보자. 엘리베이터는 그냥 내려갈때 같이 실어서 내리면 된다.

4 단점

아직 현실에 나온 기술이 아니다.일단 공기저항을 막을 거대한 원통형 구조물을 설치해서 지구 궤도 바깥으로 올라간다는 개념은 좋은데, 구조물의 안전 문제와 비용, 특히 건설비와 동력 문제가 거론된다.

최근까지는 궤도상까지 올라가도 튼튼하게 버틸 재료가 별로 없다는 점과 만에 하나 붕괴되거나 추락이라도 하면 대참사가 벌어진다는 점 때문에 별 가망없는 아이디어로 생각되었다. 하지만 나노 기술의 발달로 획기적으로 내구도가 올라간 탄소 나노튜브가 등장함에 따라 내구도 면에서는 버틸만한 소재는 일단은 등장한 셈이다. 그러나 탄소 나노튜브중에서도 단일벽 탄소 나노튜브(Single-walled carbon nanotube) 정도만이 요구사항을 어느정도 만족하는데 현재까지는 이 SWNT는 원과는 거리가 멀다. 따라서 정확한 궤도를 갖는건 거의 불가능. 즉 적당한 위치를 잡은 후에는 수백에서 수천톤급의 물자를 수송할 엘리베이터를 땅에 붙들어 매어 고정시킬, 튼튼한 지반과 대규모의 기반시설이 필요하다. 엘리베이터가 3만6천 km 높이는되야 대충 우주로 무엇을 보낼정도가 될테니, 그 질량도 어마어마할것이다.

다만 앵커 역할을 하는 우주공간의 중계기지가 궤도 엘리베이터를 적절히 앵커링해주는 방식이라면 꼭 기반시설이 널찍할 필요는 없을 것이다. 자동으로 말리는 줄자의 자 끝쪽을 잡고 빙빙 돌리듯 고도에 맞춰서 움직여주기만 하면 되기 때문. 물론 그걸 공학적으로 구현하는 것을 해결하기가 아직 어렵다.

관련된 문제로는 발사체를 끌어올리는 동안 작용 반작용의 원리로 궤도 엘리베이터가 아래로 끌어당겨진다는 점이 있다. 지상이라면 땅에 발을 짚고 서 있으면 되겠지만 우주 공간에서는 짚고 설 곳이 없다. 그렇다고 해서 엘리베이터의 고도를 유지하기 위해 로켓을 이용한다면 뭐하러 로켓의 문제를 극복하겠답시고 쓰는 궤도 엘리베이터에 로켓을 다느냐는 가장 근본적인 모순이 생긴다.

이에 대한 대안으로 제시되는 것은 무게추를 엘리베이터 궤도 바깥쪽에 놓고 발사체를 끌어올리는 만큼 무게추를 아래로 당김으로써 무게중심을 맞추는 것이다.(실제 엘리베이터를 생각해보자) 그러나 그 무게추를 로켓 등으로 다시 궤도 바깥쪽으로 밀어내야 한다면 결국 상기한 문제가 엘리베이터에서 추로 옮겨간 것과 다를 바가 없다. 발사체와 무게추 모두 엘리베이터를 뒤쪽으로, 즉 자전주기가 길어지는 쪽으로 끌어당기게 된다는 것이다. 무게추는 정지궤도 바깥쪽에 있으므로 정지궤도에 있는 엘리베이터 자체보다 자전주기가 길다. 또한 발사체는 엘리베이터와 자전주기는 같지만 자전축에서의 거리가 더 가깝기 때문에 그만큼 선속도가 늦다. 궤도 엘리베이터는 발사체를 위로 끌어올리는 과정에서 발사체에 선속도를 추가하는 것이 되므로 작용-반작용의 원리로 엘리베이터 자체는 뒤로 끌어당겨지게 된다.

이러한 문제가 없게 하려면 무게추가 인공위성과 비교도 안 될 정도로 무겁게 만들어야 될 것이다. 무게추가 충분히 무거우면 발사체를 끌어올리는 과정에서 무게추의 고도가 낮아지는 것도 무시할 수 있는 수준이 되며, 무게추가 움직일 '거리'를 고려하지 않아도 된다면 궤도 엘리베이터와 같은 정지궤도에 있게 되므로 자전주기의 문제 역시 무시할 수 있게 되기 때문이다. 그렇다고 해서 그런 거대한 무게추를 지상에서 쏘아올리려고 하면 궤도 엘리베이터로 쏘아올릴 모든 발사체를 다 쏘아올리는 것보다 더 많은 에너지가 들 것이 분명하기 때문에 무게추는 지나가다가 지구의 인력에 붙잡힌 크고 아름다운 소행성을 사용할 것이 제안된다. 즉 궤도상의 소행성에 고정된 채로 발사체를 끌어올리는 셈이다.

물론 당연하게도 그런 거대한 소행성을 어떻게 정지궤도에 갖다놓느냐는 여전히 문제이다. 궤도 엘리베이터를 만들어야 할 때쯤 소행성이 시의적절하게 지구 인력에 붙잡힌다고 하더라도 정지 궤도에 정확하게 맞춰서 머무를 가능성은 사실상 없기 때문에 궤도의 조정이 필요하다. 정확한 원궤도를 맞추기 어렵다는 문제는 엘리베이터를 소행성에 고정시키지 않고 조절할 수 있는 케이블 등으로 느슨하게 연결하는 것으로 해결 가능하지만, 정확한 원궤도는 아니라고 해도 적어도 소행성을 적도 상공에서 24시간을 주기로 지구를 공전하는 궤도까지는 가지고 와야 한다.

궤도 엘리베이터 자체의 위치도 문제이다. 적도상, 공기가 희박한 고지대, 태풍의 진로나 지진대 같은 자연재해 발생 지역에서 벗어날 것, 물자 수송의 편의 등을 고려해보면 건설 가능지역이 상당히 제한된다.

자원과 내구도 문제만 해결된다면 기둥 하나가 아니라 아예 지구의 적도 위에 거대한 고리를 만들고 거기에서 궤도 엘리베이터 여러 개를 수직으로 늘어뜨리는 방식도 이론적으로는 가능하다. 하나의 위성이 아니라 균등하게 배포된 고리이기 때문에 지구가 고리의 모든 지점을 동일하게 끌어당겨 궤도 이탈의 문제도 크게 줄어들 것이며, 규모가 커지는 만큼 접근성도 훨씬 좋아진다. 물론 그만큼 어마어마한 양의 건축자재가 필요할 것이다. 그런게 쭉 늘어서 있으면 적도에서 지구 중심방향으로 가해지는 무게가 엄청날텐데..

낙원의 샘에서는 건설 최적지가 작가 자신이 여생을 보냈던 스리랑카이다. 물론 실제로도 최적지는 아니기 때문에 소설 속에서는 섬을 대폭 이동시켜 거의 적도에 가깝게 만들고 수 킬로미터 높이의 산을 세웠다.

만들었다고 쳐도 우주쓰레기가 남아있다. 크기가 작은 일반 저궤도 위성(현재 거의 90%를 차지하는 것들)에게는 큰 문제가 아니지만 지상에서 정지궤도까지 이어져야 하는 엘리베이터는 충돌 크기가 비교도 안 되기에 치명적일 수 있다. 그 전에 기관계통이 조금만 파손되어도 골치아플 물건이 우주쓰레기에 대책없이 노출된다는 것 자체가 비효율성의 징조 중 하나다. 여기에 사람에 의한 테러는 말할 것도 없고.

또한 동력 문제가 있다. 구조물을 건설했다손 치더라도, 3만km 이상을 여행(?)해야 할텐데 그것을 어떤 동력원으로, 어떻게 끌어올릴 것인가? 전기?모터?화력?등등비용 문제도 있을것이다. 물론 로켓 쏘아올리는 것보다는 적게 들겠지만..

엘리베이터의 속력 또한 문제가 되는데 제1우주속도 이상을 내는 로켓보다는 많이 느려질 수밖에 없어서 현재 적절하다고 판단하는 속력으로는 궤도권까지 가는데 일주일쯤 걸린다. 밴앨런복사대와 같은 고방사능지역에서도 며칠은 족히 보내야하므로 자연히 이 구간을 순식간에 통과하는 로켓보다 훨씬 더 철저한 방사능차폐력을 갖춰야 할 수밖에 없고 이는 비용상승 및 기술적 난이도의 상승으로 이어질 수밖에 없다.

이런 문제 때문에 아직은 SF의 영역에 머물러 있다. 언젠가 짓는다 하더라도 좀 많이 힘들 것이다.

5 대중문화 속의 궤도 엘리베이터

• 궤도 엘리베이터/창작물 참고.

6 현실적인 대안?

궤도 엘리베이터를 꼭 지표면에서부터 쌓아야 할 필요가 있나? 아닐걸?

이라는 생각으로, Skyhook 이라는 대안이 제시되었다. 대기권 바깥에서부터 시작되는 궤도 엘리베이터라고 볼 수 있다.

궤도 엘리베이터의 중간부분을 잘라놓은 형태로, 수직으로 선 길다란 막대가 궤도를 공전하는 것을 상상하면 된다. 이 때 막대 전체의 공전속도는 막대의 무게중심에서의 공전속도를 따라간다. 그리고 조그마한 로켓 또는 궤도에 진입할 수는 없지만 탄도비행 형태로 대기권을 벗어날 수는 있는 항공기에 위성 등을 탑재한 뒤, Skyhook의 아랫쪽 끝에 도킹해서, 엘리베이터를 이용하여 위쪽 끝으로 올려보낸 뒤, 위성을 발사하면 된다!

처음부터 끝까지 로켓을 이용해서 발사하는 것보다 비용도 훨씬 적고, 지표면에 고정할 필요가 없기 때문에 대기상태를 견딜 정도의 강도도 필요 없으며, 길이가 상대적으로 짧기 때문에 SF적인 신소재를 개발할 필요도 없이 지금 쓰이는 재료를 이용해서도 건설 가능하다.

Skyhook을 자전하게 만들 경우, 대기가 없는 위성에서 사용하면 더욱 엄청난 물건을 만들 수 있는데, Zero velocity rotating skyhook이 그것이다. Skyhook의 자전속도를 공전속도와 일치시키면, Skyhook의 최저점에서는 자전속도와 공전속도가 서로 상쇄되어 일시적으로 지표면에 대한 상대속도가 0인 순간이 생긴다. 이 때 그냥 위성을 스카이훅 최저점에 걸어두면 된다. 지표면과 상대속도가 0이기 때문에 로켓이고 뭐고 전혀 필요없다.