우주엘리베이터 앞당기는 특허기술

 

엘리베이터 버튼에 ‘우주층’이 생길 날 올까?

우주엘리베이터 앞당기는 특허기술

 

 

인간의 우주에 대한 경외와 호기심은 끊임없이 우주로 가는 기술을 개발하고 연구하는 일을 지속시켜 왔다. 더 이상 지구에서 바라본 우주가 아닌 직접 닿을 수 있는 우주도 이제 머지 않은 일, 우주엘리베이터 연구와 기술의 발전이 이를 더욱 앞당기고 있다.                                                                            

 

글 이상훈(동의과학대학교 교수)

 

 

 

 

 

토스 社, 새로운 개념의 우주엘리베이터 방식 특허

 

 

2015년 8월 20일 언론 매체는 일제히 캐나다 온타리오주에 있는 우주·방위기업 토스테크놀로지(Thoth) 社가 고안한 새로운 개념의 우주엘리베이터를 보도했다. 미국이 캐나다의 한 우주회사가 우주엘리베이터(space elevator)를 지상 20㎞에 설치하여 개발해 낸 우주선 이착륙 방식에 대해 지난 6월 특허로 인정하였고, APF통신 등 캐나다 언론이 19일(현지사간) 보도했기 때문이다. 이는 지상에서 거대한 3단 로켓을 쏘지 않고도 우주엘리베이터에서 바로 1단 로켓 우주선을 타고 우주여행을 할 수 있는 방식으로 지구궤도에 이르기 위한 우주선용 로켓 발사비용을 상당하게 줄여주게 된다. 이 방식이 상용화 되어 지상에서 우주엘리베이터까지 간 뒤에 우주선을 타고 이착륙하게 되면 우주여행이 비행기 타는 것처럼 쉬워질 것으로 보인다. 뿐만 아니라 지구상에서 가장 높은 버즈 칼리파 빌딩보다도 20배나 높게 건설되는 이 우주엘리베이터는 풍력에너지 발전과 통신용으로도 유용하게 이용될 수 있을 것으로 보인다.

이 회사 CEO인 캐롤린 로버츠(Caroline Roberts)는 “로켓을 바다에 위치한 바지선에 착륙시키는 건 큰 모험이지만 고도 19㎞ 지점에 착륙할 수 있게 된다면 우주여행은 현재 여객기를 탑승하는 것처럼 될 것이며 이 우주타워는 스스로 착륙하는 로켓우주선을 사용함으로써 우주교통의 새로운 시대를 열어가게 될 것”이라고 밝히고 있다. 스페이스엑스가 추진 중인 재활용 로켓의 바지선 착륙 프로젝트를 빗댄 것이다.

1895년 구 소련의 우주과학자 콘스탄틴 치올코프스키가 최초로 프랑스 파리의 에펠 탑을 보고 착안하여 구상한 아이디어에서 시작된 우주엘리베이터는 기술적인 문제로 1세기 넘게 ‘개념적 단계’에 머물러 있었다. 이후 많은 설계계획이 등장했지만 어떤 방식을 사용하든 간에 우주엘리베이터를 지지해 주는 힘은 중력중심과의 균형으로부터 온다는 사실에 착안하여 많은 아이디어들을 도출하고 있다.

이와 같은 사실에 주목한 기업은 ‘여압(·공기의 압력을 높여 지상과 비슷한 기압을 유지하는 것)’된 장치를 지상으로부터 약 20㎞ 높이로 쌓아 타워를 세우고 최상부에는 ‘장비수송시설과 과학연구시설 그리고 통신기기를 설치’한 우주엘리베이터 건설하고 우주비행사는 엘리베이터를 타고 지상에서 20㎞ 높이의 탑끝에 올라가 1단 추진 로켓 우주선으로 지구궤도를 돌다 재급유 및 재 비행을 위해 되돌아온다는 내용으로 특허를 등록하였다.

 

 

 

 

우주엘리베이터, 빠르고 저렴한 비용으로 우주 여행 실현

 

 

만일 토스테크놀로지가 추진 중인 우주엘리베이터가 실현된다면 상공 19㎞ 지점까지 탑승객을 운반하게 된다. 또 이론적으론 대규모 설비를 이용해 저렴한 비용으로 우주까지 더 많은 사람을 운반할 수 있게 된다는 것이다. 물론 이번 특허 승인은 첫 단계에 불과하지만 실제로 우주엘리베이터가 건설된다면 우주행 티켓이 좀 더 빨리 등장하게 될지도 모른다.

이 엘리베이터가 건설되면 지상에 세워질 타워는 두바이의 830m 초고층 빌딩 ‘버즈 칼리파(Burj Khalifa)’의 약 20배가 되며 물자 및 장비를 우주공간까지 보다 빠르고 저렴한 비용으로 운반할 수 있게 되어 우주비행 비용을 약 3분의 1 정도로 줄일 수 있으며 시간적 측면에서도 상당 부분 단축할 수 있다. 또한 최상층에 설치된 전망대에서 지구를 내려다볼 수 있게 된다. 이와 같은 개념의 특허를 인정한 미국에서는 이를 실용화하기 위한 스페이스 엘리베이터 컨소시엄이 구성돼 개발 연구를 하고 있다. 컨소시엄 관계자는 “이는 당장 실현할 수 있는 발상이 아니다”라며 “현재는 기술적으로 가능해진 타당성을 연구하는 초기 단계에 머물러 있다”고 설명했다. 그러나 토스 측은 “우선 앞으로 5년 내 높이 1.5㎞의 타워를 설치하는 것이 목표”라고 전했다.

 

 

[그림 1] 버즈 칼리파 빌딩보다도 20배 높게 건설될 우주엘리베이터

 

 

[그림 2] 캐나다 토스(Thoth)사가 건설할 우주엘리베이터 타워

 

 

 

과거 우주엘리베이터 아이디어 어떠했을까?

 

우주엘리베이터의 가능성은 단순한 빗자루를 사용한 원형을 통해 현실가능성이 앞당겨지고 있었다. 유럽항공우주국(European Space Agency)의 에이지-레이몬드 리제(Age-Raymond Riise)는 2009년 12월에 있었던 학회에서 우주 엘리베이터의 장비를 선보였다. 이 프로젝트는 지구의 지상에 연결된 10만㎞ 길이의 밧줄로 된 우주승강기를 건설하는 것으로, 우주탐사의 비용을 줄일 수 있다고 보고 있다. 이 승강기 방법은 우주엘리베이터 아이디어의 가장 큰 기술적인 문제 중 하나를 해결할 수 있지만 다른 문제가 남는다고 이 학회에 참가한 학자들은 주장했다.

 

1895년 러시아의 과학자인 콘스탄틴 치올코프스키(Konstantin Tsiolkovsky)에 의해 제기된 우주엘리베이터 아이디어는 지구의 자전으로 인해 발생하는 외부로 향하는 원심력을 이용하여 엘리베이터를 만들 수 있다. 축구공이 달린 짧은 줄을 휙휙 돌리게 되면 이 줄은 바깥으로 날아가게 되고 줄은 팽팽하게 된다는 것을 한 번 생각해보자. 만일 지구의 원심력이 중력과 균형으로 이루게 되면, 즉 우주엘리베이터의 밀도의 중심은 지구정지궤도에 위치하게 되면, 이 줄은 영구적으로 팽팽하게 유지될 것이며 이를 이용해서 사람이나 화물을 우주공간으로 수송할 수 있다.

 

 

 

 

우주로 올라갈 동력 공급 어떻게 해결할까?

 

 

우주엘리베이터에서 가장 오랫동안 풀리지 않았던 문제는 어떻게 우주로 연결된 케이블을 이용하여 수송할 화물을 올릴 수 있는 동력을 얻는가에 대한 것이었다. 가장 널리 제기된 방안은 극초단파나 이저 빔을 지구표면에서 쏘아 올려 동력을 얻거나 우주공간 궤도에서 태양열 전지판에서 얻어진 전력을 이용하는 것이었다(GTB2005031606). 2009년 12월 룩셈부르크에서 민간기업인 유로스페이스워드(Eurospaceward)사가 개최한 우주엘리베이터에 대한 제2차 국제학회(Second nternational Conference on Space elevator and Tether Design)에서 이러한 방안을 논의했다. 하지만 유럽항공우주국 지상통제소의 엔지니어인 리제는 놀랍도록 간단한 아이디어를 제안했다. 그는 기계적인 동력을 이용하여 우주로 화물을 올리는 방안을 제안했다. 조심스럽게 시간 간격을 두고 케이블의 당기는 힘을 이용하는 방안이었다.

 

이러한 방안을 시범으로 보여주기 위해 그는 빗자루를 사용하여 팽팽하게 늘어선 케이블을 대신했다. 그리고 전기 샌더(사포, sander)를 이용하여 리드미컬한 진동을 빗자루 막대기에 전달하도록 했다. 빗자루 막대기의 주변에 세 개의 솔(brush)을 달아 털이 나있는 부분을 아래 방향으로 하여 승강기를 대신하였다. 이것은 솔을 올리는 것보다 내리는데 약간의 더 많은 힘이 들어가도록 한 것이다. 전기 샌더의 진동을 통해 승강기처럼 만들어진 부분은 빗자루 막대기를 타고 약간 아래 쪽으로 내려가다가 위쪽으로 미끄러져 올라갔다. 하지만 악력(grip)은 위쪽으로 향하도록 하고 있다. 결과적으로 승강기 부분은 중력을 거슬러 위쪽으로 올라갔다.

이러한 기계적인 힘을 이용한 접근법은 실제적으로는 매우 덜컹거리는 과정이 될 것이다. 하지만 리제에 의하면 율동적으로 당기는 힘은 유연하게 바뀔 것이라고 보고 있다. 그는 “승객들이 탈 수 있는 승강기와 완전히 분리되어 있는 버팀 장치를 만들 수 있을 것이다. 이를 위해서는 거의 방해가 없는 선형의 움직임이 되어야 한다”고 말했다.

 

 

 

 

또 하나의 넘어야 할 산, 케이블 개발    

 

우주 승강기의 상승을 위한 동력은 매우 간단한 형태로 얻을 수 있다는 새로운 아이디어가 제기되었지만, 아직도 많은 기술적인 부분이 해결되어야 한다. 특히 승강기가 올라갈 수 있는 케이블을 만드는 일이다. 적어도 36,000㎞ 길이의 중간 부분은 모든 무게에 의해 팽팽한 상태의 케이블을 생산하는 것은 어려운 일이다. 카본 나노튜브와 같은 차세대 물질을 이용하여 그 무게와 힘의 비율이 엄청나게 큰 케이블을 만들 수 있지만 어떻게 그 정도 규모와 강도를 가진 케이블을 건설할 것인가에 대한 논란이 일어나고 있다. 그 위험이 높지만 우주공간에 화물을 우주 승강기를 이용하여 올리는 것은 로켓보다 훨씬 비용이 적게 들어갈 것이다. 저가의 우주탐사비용과 우주관광 외에 우주엘리베이터는 매우 많은 비용이 들어가 엄두를 내지 못했던 우주공간에서의 에너지 해결책을 개발할 수 있도록 할 것이다.

 

루벵 가톨릭 대학(Catholic University of Leuven)의 베누와 미셀(Benoit Michel)은 “우주 승강기 프로젝트는 거대한 우주태양열발전 인공위성을 설치하여 지속적이며 저가의 이산화탄소가 없는 환경 친화적 에너지를 공급받을 수 있는 훨씬 직접적으로 유용한 프로젝트이기 때문에 매우 중요하다”고 말했다. 그는 이어서 “다음 세기에는 대규모 우주기반 에너지 산업이 전체 인류에 중요한 에너지 공급자가 될 것”이라고 말했다. 리제는 그의 아이디어를 이용하여 초고층건물의 건설방법을 연구하는 상업용 엘리베이터 업체에서 관심을 보이고 있다고 말했다. 접근법의 단순성으로 인해 압축공기를 이용하여 승강기의 동력으로 사용하려는 초기단계의 아이디어보다 훨씬 매력적으로보인다.

 

 

 

우주엘리베이터 실현 위한 아이디어를 현실화시키다

 

일본 건설업체 오바야시구미(大林組·이하 오바야시)는 최근 2050년까지 상공 9만6000㎞에 이르는 우주엘리베이터를 건설하겠다고 밝혔다. 지난 2012년 회사 홍보 잡지에 첫 구상을 발표한 이후 우주엘리베이터 실현 의지를 거듭 내보인 것이다. 시속 200㎞로 지구와 우주를 오가는 오바야시의 우주엘리베이터는 자기(磁氣) 모터로 움직이는 로봇 자동차를 통해 우주까지 도달한다. 한 번에 30명까지 태울 수 있고 끝까지 다다르는데 7일이 걸린다. 오바야시는 2030년 우주엘리베이터에 필요한 기술이 구현된다는 가정 하에 우주엘리베이터 시공 로드맵을 공개했다. 2025년 지구상에 케이블을 고정하는 지구 기지(earthport)를 건설하고 25년간의 공사기간을 거쳐 2050년 완성한다는 계획이다.

 

 

[그림 3] 일본 건설업체 오바야시구미가 선보인 우주엘리베이터 구상 (출처: 니혼게이자이신문)

 

먼저 2030년 로켓을 통해 고도 300㎞(저궤도)에 20t 케이블 2개와 건설용 우주선을 조립하기 위한 부속 자재를 옮긴다. 조립된 우주선은 전자력으로 추진하는 MPD(Magneto Plasma Dynamic) 엔진을 탑재해 지구를 돌면서 고도 3만6000㎞(정지궤도)까지 상승한다. 엔진에 필요한 에너지는 지상에서 레이저 빔으로 공급한다. 정지궤도에 도달한 우주선은 우주엘리베이터 건설 예정지까지 이동한다. 그 지점에서 우주선은 앞쪽 끝에 추진기가 달린 2개의 케이블을 지상으로 내려뜨리면서 더욱 상승한다. 추진기가 지상 기지에 도착하면 우주선은 고도 9만6000㎞에 도달하게 된다.

 

케이블은 지구 기지에 고정되고, 우주선은 원심력으로 팽팽한 케이블을 유지하기 위한 균형추가 된다. 이후 보강 케이블을 실은 중량 880㎏의 클라이머(climber·등반가)가 지구 기지에서 케이블을 타고 발진한다. 클라이머는 2개의 케이블을 잡고 상승하면서 케이블을 보강시켜 나간다. 클라이머는 시속 40㎞로 상승하고 최대 8개의 클라이머가 케이블에 매달려 보강작업을 하게 된다. 클라이머의 추진에 필요한 에너지는 지상과 정지궤도에 설치된 중계위성에서 레이저 빔으로 공급한다.

고도 9만6000㎞에 도달한 클라이머는 우주선과 마찬가지로 균형추로 사용된다. 이 작업에 소요되는 기간은 최초 로켓 발사 이후 18년 5개월로 예상됐다. 케이블 보강횟수는 총 510회에 이른다. 이후에는 완성된 케이블을 따라 건설용 자재를 정지궤도로 운반하고 연구 및 훈련 위한 우주기지를 건설한다. 건설용 자재는 최대 질량 100t의 클라이머로 운반하고, 이 클라이머는 위아래로 스치는 기구를 탑재해 시속 200㎞ 속도로 우주와 지상을 왕복한다.

 

 

[그림 4] 미국 항공우주국(NASA)이 공개한 우주엘리베이터 이미지 (출처: CNBC)

 

 

 

우주촌 건설 위한 아이디어 진화

 

 

1895년부터 시작된 지구 밖의 세상을 좀 더 쉽고 편리하게 이동하고자 하는 노력은 몇몇 과학자에 의해 현실화 되어가고 있고, 다음 세상을 향해 나아가고자 하는 기업에 의해 점점 더 현실화되어가고 있다. 현재 특허를 통해 알아본 우주엘리베이터는 지구의 원심력을 이용해 와이어를 고정시키는 방식과 이번에 등록된 지상 건축물을 이용해 좀 더 적은 동력으로 왕복선을 움직이는 스테이션 방식으로 구분할 수 있다. 와이어 방식은 와이어의 소재, 스테이션 방식은 스페이스 엘리베이터의 실질적인 설계라는 해결과제를 가지고 있다. 이러한 해결과제에 대한 다양한 아이디어 또한 특허를 통해 점점 더진화되어 가고 있다.