지구에서 정지궤도까지 케이블을 늘어뜨려 엘리베이터로 우주에 가는 우주 엘리베이터. 1895년 치올콥스키가 구상하고 카본 나노튜브로 실현 가능성이 보이는 이 거대 구조물은 언제쯤 현실이 될까요. 우주 엘리베이터의 과학을 탐구합니다. 오늘은 "우주 엘리베이터의 꿈, 로켓 없이 우주로 올라가다"에 대해서 살펴보겠습니다.
치올콥스키의 상상
1895년, 러시아 과학자 콘스탄틴 치올콥스키가 파리를 방문했다. 에펠탑을 봤다. 300미터 높이였다. 놀라웠다. 생각했다. 더 높이 쌓으면 어떨까. 우주까지 닿으면 어떨까. 탑으로는 불가능하다. 무게를 못 견딘다. 하지만 반대로 하면 된다. 위에서 줄을 내린다. 무게를 아래로 당긴다. 위는 원심력이 잡아당긴다. 균형을 이룬다. 우주 엘리베이터였다. Space Elevator다. 정지궤도에 정거장을 짓는다. 36,000킬로미터 높이다. 케이블을 지구로 내린다. 엘리베이터를 달린다. 올라간다. 우주에 도착한다. 로켓이 필요 없다. 연료가 적게 든다. 전기로 간다. 획기적이었다. 하지만 불가능했다. 재료가 없었다. 강철로는 안 된다. 자기 무게를 못 견딘다. 5킬로미터만 매달려도 끊어진다. 우주까지는 36,000킬로미터다. 7,000배 강해야 한다. 없었다. SF로만 남았다. 1960년, 소련 유리 아르투타노프가 재발견했다. 테이퍼 설계를 제안했다. 위로 갈수록 두꺼워진다. 장력이 크니까. 하지만 여전히 재료가 문제였다. 1979년, 아서 C. 클라크가 소설로 썼다. '낙원의 샘'이었다. The Fountains of Paradise다. 우주 엘리베이터가 주제였다. 대중에게 알려졌다. 1991년, 카본 나노튜브가 발견됐다. 이이지마 스미오가 찾았다. 엄청나게 강했다. 강철보다 100배 강했다. 밀도는 낮았다. 이론적으로 가능했다. 우주 엘리베이터가 실현 가능해 보였다.
우주 엘리베이터의 꿈
우주 엘리베이터는 여러 부분으로 구성된다. 첫째, 지상 기지다. 적도에 짓는다. 적도여야 정지궤도와 일치한다. 바다가 좋다. 이동 가능하다. 태풍을 피한다. 둘째, 케이블이다. 가장 중요하다. 지구 표면에서 정지궤도까지 연결한다. 36,000킬로미터다. 거기서 더 뻗는다. 균형추까지 간다. 100,000킬로미터 이상이다. 카본 나노튜브로 만든다. 완벽한 나노튜브가 필요하다. 결함이 없어야 한다. 하나라도 있으면 끊어진다. 아직 긴 것을 못 만든다. 수 밀리미터가 최대다. 킬로미터 단위가 필요하다. 기술 발전이 필요하다. 셋째, 클라이머다. 엘리베이터다. 케이블을 타고 오른다. 전기로 움직인다. 레이저나 마이크로파로 전력을 보낸다. 배터리는 무겁다. 화물을 싣는다. 사람도 탄다. 시속 수백 킬로미터로 간다. 일주일 걸린다. 정지궤도까지다. 넷째, 정지궤도 정거장이다. 36,000킬로미터 높이다. 중력과 원심력이 균형이다. 여기서 위성을 배치한다. 우주선을 발사한다. 연료가 적게 든다. 중력이 약하니까. 다섯째, 균형추다. 정지궤도 너머에 있다. 케이블을 잡아당긴다. 원심력으로. 전체를 안정시킨다. 소행성을 쓸 수 있다. 포획해서 배치한다. 무겁고 안정적이다. 역학은 복잡하다. 장력이 최대인 곳은 정지궤도다. 가장 두껍다. 아래로 갈수록 얇아진다. 장력이 줄어든다. 하지만 대기 저항이 있다. 바람이 분다. 흔들린다. 안정화가 필요하다. 진동을 제어한다. 위로 갈수록도 얇아진다. 원심력이 당기지만 무게가 줄어든다. 균형추까지 테이퍼된다. 전체 무게는 수천 톤이다. 케이블만 해도 그렇다. 건설이 어렵다. 정지궤도에서 시작한다. 위아래로 동시에 내린다. 균형을 맞춘다. 수년 걸린다. 첫 케이블은 얇다. 클라이머로 보강한다. 계속 두껍게 만든다. 최종 케이블이 완성된다.
도전 과제와 대안들
우주 엘리베이터의 과제는 많다. 첫째, 재료다. 카본 나노튜브가 이론적으로 가능하다. 하지만 완벽해야 한다. 결함 없는 긴 나노튜브가 필요하다. 아직 못 만든다. 연구 중이다. 그래핀도 고려된다. 2차원 물질이다. 강하다. 하지만 대량 생산이 어렵다. 둘째, 우주 쓰레기다. 케이블이 충돌 위험하다. 수천 개 파편이 돈다. 피해야 한다. 케이블을 움직일 수 있다. 약간씩. 하지만 한계가 있다. 쓰레기 제거가 선행돼야 한다. 셋째, 번개다. 케이블이 피뢰침이다. 전기가 통한다. 클라이머가 위험하다. 차단이 필요하다. 절연이 필요하다. 넷째, 건설 비용이다. 수백억 달러다. 한 나라로는 어렵다. 국제 협력이 필요하다. 하지만 장기적으론 이득이다. 발사 비용이 급감한다. 킬로그램당 수백 달러다. 로켓은 수만 달러다. 100배 차이다. 대안도 있다. 궤도 고리다. Orbital Ring이다. 지구 주위로 고리를 만든다. 낮은 궤도다. 수백 킬로미터 높이다. 초전도 자석으로 띄운다. 여기서 케이블을 내린다. 짧다. 더 쉽다. 하지만 고리 자체가 어렵다. 엄청나게 크다. 달 엘리베이터도 가능하다. 더 쉽다. 중력이 약하다. 케이블이 짧다. 재료 요구가 낮다. 케블라로도 된다. 달 뒷면에서 라그랑주점까지 연결한다. 6만 킬로미터다. 달 자원을 우주로 운반한다. 화성도 가능하다. 중력이 지구의 38퍼센트다. 더 쉽다. 대기가 얇다. 방해가 적다. 화성 궤도와 연결한다. 우주 엘리베이터는 먼 미래다. 지구에선 수십 년 걸릴 것이다. 재료 기술이 발전해야 한다. 우주 인프라가 구축돼야 한다. 하지만 가능하다. 이론적으로 완벽하다. 물리 법칙을 안 어긴다. 공학 문제일 뿐이다. 언젠가 실현될 것이다. 로켓 없이 우주로 간다. 엘리베이터를 타고. 일주일 여행이다. 창밖으로 지구가 보인다. 점점 작아진다. 우주 정거장에 도착한다. 우주 엘리베이터. 치올콥스키의 꿈이다. 인류의 다음 단계다.