우주 정거장에 중력을 만들자!
2008년 4월 8일, 한국 최초 우주인 이소연 박사가 우주로 발사되어 국제우주정거장에 도착했습니다. 우주선 안에서 이소연 박사가 두둥실 떠다니던 모습을 기억하시나요? 우주인들이 바닥에 발을 딛고 서려고 해도 바로 설 수가 없습니다. 우주선 안에서 우주인은 바닥을 걸어 다닐 수도 없고 물속을 수영하듯 떠다니고 있으며 손에 들고 있는 물건을 떨어뜨려도 물이 든 물컵이 뒤집혀도 물이 바닥으로 엎질러지지 않아요.
우리는 이런 상태를 ‘무중력 상태’라 합니다. 하지만 엄밀히 말하면 우주에서 중력이 미치지 않는 공간은 없습니다. 다만, 중력이 아주 미약하므로 중력이 없는 것처럼 느껴지는 것입니다. 우주인이 오랫동안 우주여행을 하게 되거나 오랫동안 우주 정거장에서 생활하게 되면 이처럼 중력을 느끼지 못하여 많은 어려움을 겪게 된다고 합니다.
예를 들면, 몸의 근육이 줄어들거나 얼굴이 부어오르고, 혈압이 내려가며 심장의 기능은 현저히 약해집니다. 이러한 어려움을 극복하기 위하여 사람들이 생각해 보았습니다. 무중력 상태라고 표현하는 중력이 미약한 장소인 우주 정거장 안에 우주인이 지상에서처럼 느낄 수 있는 중력을 만드는 방법은 없을까요?
자동차 바퀴 안에 벌레들이 살고 있다고 생각해 보겠습니다. 바퀴가 공중으로 던져져 자유 낙하하거나 하늘 높은 비행기에서 바퀴를 떨어뜨린다고 가정하면 바퀴 안의 벌레들은 중력을 느끼지 못하는 무중력 상태가 될 것입니다. 벌레와 타이어는 같은 가속도로 운동하기 때문입니다. 바퀴가 떨어질 때도, 올라갈 때도 벌레들은 중력을 느끼지 못합니다.
그런데 자유 낙하하는 바퀴가 자유 낙하하면서 동시에 회전운동을 한다면 바퀴 안의 벌레들은 중력을 느끼게 됩니다. 바퀴의 원운동으로 생기는 구심력이 벌레가 밖으로 튕겨져나가려는 관성을 억제하는 힘을 만들기 때문입니다. 바퀴의 회전운동 속도가 빨라지면 벌레들은 지구에서보다 큰 중력을 느낄 수도 있습니다.
따라서 과학자들은 우주에서 오랫동안 생활해야 하는 우주 정거장이나 우주선을 회전시킴으로써 회전 운동하는 바퀴 안의 벌레들이 경험하는 것처럼 인공적으로 중력을 만드는 것을 연구하였습니다. 회전하는 우주선 안에서는 우주인도 우주선과 함께 회전하게 됩니다. 회전하는 우주인은 직선 운동을 하려는 관성을 갖고 있지만 회전하는 우주선은 우주인을 빠져나가지 못하게 잡아두면서 중력을 느끼게 하는 것입니다.
우주정거장의 아이디어를 최초로 주창한 사람은 러시아 과학자 치올코프스키입니다. 그는 지구 궤도에 우주정거장을 세우는 가능성을 연구하였고 원심력으로 중력을 만들도록 천천히 회전하는 바퀴 달린 우주정거장의 건설을 제안하기도 하였습니다. 그곳에는 인공중력이 있어 승무원들이 거주할 수 있는 공간과 승무원들의 식료품을 공급하기 위해 식물이나 동물을 기르는 작은 정원으로 공간이 분리되어 있습니다.
회전하는 우주정거장에서 바닥은 우주인에게 힘을 가하고 우주인도 바닥에 힘을 가합니다. 마치 지구에 서 있는 우리가 땅바닥에 힘을 가하고 땅바닥이 우리에게 힘을 가하는 것처럼, 회전함으로써 인공적으로 중력이 만들어진 우주정거장에서 우주인의 땅은 우주정거장의 바깥쪽일 것입니다.
우주공간에서 우주정거장을 회전시키는 것은 어려운 일이 아닐 것 같습니다. 한 번만 회전시키면 더 이상의 에너지가 필요하지 않고 계속 회전할 것이기 때문입니다. 하지만 인공적으로 생기는 중력에 우주인들이 적응하고 생활하기 위해서는 회전하는 반지름이 충분히 큰 우주정거장을 구성하여야 한다는 어려움이 있을 것 같군요.
무엇이든 자연을 거스르는 현상은 도전되겠지만 그러한 어려움을 극복하는 과정이 또한 인류의 발전을 이끈 원동력이라 할 수 있을 것입니다. 우리가 일상생활에서 인식하고 있지는 못하지만, 지구에 항상 존재하는 중력이 고맙게 느껴집니다.
김현이 (서울면동초등학교 교사)