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KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 코스모스

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이번 겨울방학엔 우주로 여행을?

9월 20 업데이트됨

우주 엘리베이터는 예로부터 내려오던 아이디어입니다. 아이디어는 간단하죠. 지표면에 끈을 연결하고, 지구 궤도에 무거운 우주전거장을 달면 원심력 때문에 끈이 유지되고, 그 위아래로 엘리베이터를 타고 다닐 수 있다는 상상속의 이야기입니다. 하지만 아쉽게도 우주 엘리베이터의 재료로 각광받던 탄소 나노 튜브의 강도가 필요한 강도보다 턱없이 부족했다는 것이 밝혀지면서 이 아이디어는 쓰레기가 되어버렸습니다.


하지만 skyhook이라는 개념이 탄생하면서 Buckminster-Fuller-carbon-nanotubes와 같은 말로만 떠들고 다닐 수 있는 물질들은 더 이상 필요가 없어졌습니다. 그냥 현존하는 물질만을 가지고도 충분히 만들고도 남을 수 있게 되었죠.


상상을 뛰어넘는 신박함

아이디어는 매애애애애애애애애애애애애애애애애애애애애애애애애우 신박합니다.

???: 참 쉽죠?

위 그림과 같이 기다란 줄을 달아 놓은 우주정거장을 돌리면 됩니다.

이때 우주정거장은 자신의 공전 속도를 최대한 상쇄시켜 주기 위해 우주선의 진행 방향과 반대로 회전해야 합니다.


이렇게 되면 우주선을 잡을 때는 속도가 작지만, 반대편에서 던질 때는 우주정거장의 회전속도의 두 배인 엄청난 속도가 추가되어 지구의 중력장을 손쉽게 탈출할 수 있게 해줍니다.

아주 간단한 설계도


하지만, 이 끈의 가장 아래쪽 부분은 여전히 지표면과 상대적으로 약 12000km/h 로 이동하고 있을 것입니다. 그러니 만약 공기가 많은 곳에서 돌리면 당연히 공기와의 마찰로 불타 없어지겠죠? 공기와의 마찰을 무시할 정도로 작게 만들려면 끈의 가장 아랫부분을 80-150km 정도로 돌려야 한다고 합니다.

화르를르ㅡ

유일한 문제

하지만 여기서 문제가 발생합니다. 이 skyhook은 사용하면 사용할수록 자신의 에너지를 다른 비행체들에게 전달해주기 때문에 공전 속도와 회전속도가 모두 점점 느려집니다. 계속 이 상태로 유지하게 되면 결국에는 지구 대기권에 의해 불타 없어지거나 어디론 가로 떨어져 큰 피해를 입히겠죠. 이를 해결하기 위해서는 나가는 비행체도 있지만, 다시 지구로 돌아오는 비행체도 같은 수를 유지하고 있어야 합니다. 이렇게 되면 주는 운동에너지가 받는 에너지와 같아져서 속도를 유지하게 됩니다. 만약 이로 충분하지 않다면 이온 엔진이나 화학 엔진으로 다시 가속 시켜주어야 합니다.

위이ㅣ잉

끈의 재료?

하지만 이러한 장력을 버틸 수 있는 강도를 갖고 있는 것이 있을까요? 이에 쓰이는 물질이 바로 Zylon이라는 물질입니다. 이는 보통 낚싯줄이나, 낙하산 등 강력한 장력에 저항하는 용도로 쓰입니다. Zylon은 높은 온도에서도 안정적이고, 절대로 타지 않습니다. 다시 말해서, skyhook에쓰기 딱 좋은 재료입니다.

세상에서 가장 강한 실

우주로 가는 1등석 자리

Skyhook의 장점 중 하나는 사람들이 타고있는 비행체에는 미세한 방향조정 외에는 연료가 거의 필요가 없다는 점입니다. 이 덕분에 현재와 같은 몇천톤의 폭발물 위에 앉아있는 작은 방의 구조의 로켓보다는 커다란 방을 갖고 있는 작은 비행체들이 만들어질 것입니다. 이들은 사람들이 편하고 아늑하게 먼 거리를 이동하도록 도와줄 것입니다.

태양계로 손을 뻗다

화성을 공전하는 skyhook은 만들기 매우 편합니다. 화성은 대기가 거의 없기 때문이죠. 즉, 거의 지표면을 스치게 만들 수 있기 때문에 이를 잡는 것은 보통 비행기의 속력인 1000km/h 정도면 충분합니다.

만약 화성과 지구 모두에 skyhook을 설치한다면 가격을 민간인이 지불할 수 있을 정도로 줄이고,이동기간을 9달에서 3달정도로 줄일 수 있습니다. 이는 일반인들의 행성간 이동을 가능케 해줍니다.

하지만 인류의 여정은 화성에서 끝나지 않습니다. 화성은 포보스라는 아주 특별한 달을 가지고 있습니다. 이 달은 화성과 이상할 정도로 가까운 곳에서 돌죠. 또한, 충분히 무거워서 느리게 만들어 달을 떨어트릴 걱정은 하지 않아도 됩니다. 만약 포보스 위 아래로 6000km 가량의 매우 큰 돌지 않고 정지해 있는 skyhook을 만든다면, 토성, 목성 뿐만 아니라 금성, 수성까지도 한 번의 회전만에 갈 수 있게 됩니다. 즉, 화성의 달들이 인류가 태양계로 나아가게 되는 발판이 되는 것입니다. 이는 편하고 아늑하게 먼 거리를 이동하도록 도와줄 것입니다.


화성과 포보스

왜 안 만들지?

그러게요.


무엇을 어떻게 만들지 알고, 돈도 있는데 왜 이것을 만들지 않는 것일까요?


제 생각에는 용기가 없어서 그런 것 같습니다. 이 구조물은 이전까지 만들던 것과 완전히 다른 형태이고, 한 번도 시뮬레이션 밖으로 벗어난 적이 없습니다. 하지만 인류는 더 발전하기 위하여 다양한 시도를 해야 합니다. 이 계획을 무슨 수를 써서라도 성공시키면 인류가 한 단계 더 나아가는 계기가 될 것입니다.


<참고자료>

[1] https://science.sciencemag.org/content/151/3711/682

[2] https://www.jstor.org/stable/44615033?seq=1#page_scan_tab_contents

[3] https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070001536.pdf

[4] https://www.nap.edu/read/13157/chapter/15

[5] http://www.tethers.com/Hoytether.html

[6] https://dergipark.org.tr/download/article-file/713796

[7] http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/355Bogar.pdf

[8] http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/355Bogar.pdf

[9] https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19920010006.pdf

[10] http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.663.5520&rep=rep1&type=pdf

[11] https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19980210557.pdf

[12] https://space.nss.org/media/2003-Space-Colonization-Using-Space-Elevators-From-Phobos.pdf


<이미지>

[1] https://artofsoulburn.artstation.com/projects/EE4mK?album_id=93249

[2]https://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&ved=2ahUKEwiPtv37jozmAhWSHKYKHTyNDPEQjRx6BAgBEAQ&url=http%3A%2F%2Fcm.asiae.co.kr%2Fview.htm%3Fno%3D2014112310030990536&psig=AOvVaw2BV1-xmldwL9C_m-_EmZDc&ust=1575003150895653

[3]https://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&ved=2ahUKEwj7l57Kj4zmAhX2yYsBHQUmAdwQjRx6BAgBEAQ&url=https%3A%2F%2Fwww.popsci.com%2Faeroject-rocketdynes-futuristic-ion-engine-could-carry-cargo-to-mars-for-human-explorers%2F&psig=AOvVaw2hYnIzbmWocHICuu7uPe8S&ust=1575003542085282

[4]https://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&ved=2ahUKEwj_mtOMkYzmAhVZ62EKHfG8C-EQjRx6BAgBEAQ&url=https%3A%2F%2Fnownews.seoul.co.kr%2Fnews%2FnewsView.php%3Fid%3D20151103601013&psig=AOvVaw1BPMdXjNPBaccvifS60qHw&ust=157500386827676

[5]https://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&ved=2ahUKEwjBipGFk4zmAhWaBIgKHY1MB80QjRx6BAgBEAQ&url=https%3A%2F%2Fwww.fiber-line.com%2Fen%2Ffibers%2Fzylon-pbo&psig=AOvVaw2LA6k5I5e-d3AAB_TZhA7b&ust=1575004472678497


Physics 학생기자 예상우

2019년 겨울호

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