우주에도 엘레베이터가 있다?
우주 엘리베이터(space elevator)를 들어보신 적이 있나요? 우주엘리베이터에 관한 최초의 아이디어는 약 100년 전인 1895년 러시아의 치올코브스키가 제안하였고 우주 엘리베이터라는 개념은 1978년 과학소설가 아서 클라크의 소설에서 다시 소개되었습니다.
우주 엘리베이터란 어떤 천체의 표면에서 우주공간으로 물질을 실어 나르는 구조물을 말합니다. 마치 1층 지상에서 건물의 10층으로 사람이나 물건을 실어 나르는 엘리베이터와 원리가 비슷해서 이런 이름이 붙여진 것 같죠? 우주 엘리베이터라는 아이디어는 앞서 말한 우리의 공상소설에나 등장하는 이야기였지만 이제 현실로 다가오고 있습니다. 우주에 대한 우리의 상상력이 얼마나 중요한지 알 수 있겠지요?
우주 엘리베이터가 실제로 만들어지면 매우 쓸모 있을 것 같지 않습니까? 우리가 우주 엘리베이터 설계자가 되어 우리의 상상력으로 마음껏 건설해 볼까요? 먼저, 지구와 인공위성 사이에 우주 엘리베이터를 설치해 보겠습니다. 즉, 지구에서 인공위성까지 연결된 통로를 만들고 그 안에 승강기를 설치하여 이동하는 엘리베이터를 설치하는 것이죠. 그러면 우주선을 타고 인공위성으로 나가는 것보다 훨씬 쉽고 빠르게 우주를 경험할 수 있을 것입니다.
지구는 자전하고 있고 인공위성도 지구 주위를 공전하고 있습니다. 두 개의 운동하는 물체에 고정된 구조물을 설치하려면 두 물체를 모두 정지시켜야겠지요? 그러나 이것은 불가능하므로 지구의 자전 속도와 인공위성의 공전 속도가 일치하는 위치를 찾아야 할 것입니다. 이처럼 인공위성이 지구의 자전 속도와 같은 속도로 지구 주위를 공전한다면 우리에게 인공위성은 마치 정지된 것처럼 보일 것입니다. 찾았습니다. 적도 상공 3만 6,000km 위치가 위성이 지구를 도는데 꼭 하루가 걸리는 궤도이고 이것을 ‘지구정지궤도’라고 한답니다.
그러면, 우리는 우주 엘리베이터를 적도 상공에 설치해야 하는 걸까요? 극지방이나 북반구, 남반구 상공에는 설치할 수 없을까요? 만약, 남극이나 북극지방에 우주 엘리베이터를 설치한다면 궤도를 돌 때의 원심력이 연결된 케이블 선을 버티게 해주지 못하므로 맨 꼭대기에 인공위성이 매달려 있는 3만 6,000km 높이의 빌딩을 짓는 것과 같겠군요. 위치는 적도 근처 상공이 좋겠습니다.
이제, 지구와 인공위성 사이의 연결 구조물로 어떤 물질을 사용하면 좋을지 생각하여 볼까요? 지구에서 인공위성까지 팽팽한 기타 줄과 같이 연결하려면 장력을 가진 초강력 섬유 같은 물질이어야 할 것 같습니다. 강철은 어떨까요? 하지만 아쉽게도 강철은 너무 무겁고 이 무게를 견딜 만큼 강하지 못하다고 합니다. 그런데 1991년에 철강의 몇 배 강도를 가진 탄소의 원통형 분자인 나노튜브라는 물질이 발견되었다고 하니 기대를 한 번 해봐도 될 것 같습니다.
나노튜브의 발견으로 NASA의 과학자들은 거대한 나노튜브 케이블과 자기적으로 부상된 차가 케이블 위아래로 달리는 것을 구상하게 되었다고 합니다. 그러나 이 구조물이 너무 커서 우주 엘리베이터를 제자리에 있게 하기 위해서는 인공위성이 아니라 소행성 하나를 붙잡아서 끌어다 두어야 한다고 합니다. 그래서 과학자들은 자기부상 대신 두 개의 실에 단단히 묶인 탱크와 같이 위아래로 화물을 끌어올려 운반하는 장치를 구상하는 데까지 생각이 이르렀다고 합니다.
이제, 지상의 정거장을 설치하는 적도 근처 장소를 찾아볼까요? 날씨가 좋고 바람이 조용한 곳으로 상공으로 비행기의 이동이 많지 않아야 할 것입니다. 또한, 이 케이블이 번개와 같이 지구의 기상현상에 영향을 받지 않으려면 지상에서 16km 높이에 정거장을 설치하여 부착하여야겠군요.
우리가 우주 엘리베이터로 우주에 간다면 인공위성 주위만 볼 수 있다는 단점이 있겠지만, 우주왕복선을 이용하는 것보다 훨씬 편리하고 싼 가격에 우주를 구경할 수 있을 것입니다. 또한, 우주 엘리베이터를 달이나 화성과 같은 다른 행성에도 건설한다면 더 간단하고 안전하고 빠르게 태양계 여행을 할 수 있게 해 줄 겁니다. 여러분이 설계하고 건설한 우주 엘리베이터로 행성들을 탐험하는 날을 우리 모두 기대해 볼까요?
글 : 김현이 (서울면동초등학교 교사)