과연 우주 엘리베이터 실현될 수 있을까? VIDEO:Engineers Are Creating a Real Space Elevator. Can They Succeed?

건설과학 Construction,Science/IT 과학 IT & Science2021. 9. 23. 11:08

엄청난 공학적 위업 설치 비용과 시간 많이 소요되지만,

전례 없는 장기적 혜택 제공할 수도 있어

지구 표면에서 정지궤도에 있는 정거장까지 도달하는 초감성 물질로 만들어진 밧줄이 연결되어 있는 것을 상상해봐라. 일명 정지 적도 궤도. 궤도로의 왕복 교통편은 로켓 대신 고속 운송수단에 의해 제공되어저렴한 가격으로 우주에 정기적인 접근을 보장할 수 있을 것이다.

이 멋진 아이디어는 우리가 알고 있는 우주 여행과 탐험에 혁명을 일으킬 수 있는 지구 대 지구 교통 시스템인 스페이스 엘리베이터로 알려져 있다. 이러한 구조를 만드는 것은 엄청난 공학적 위업이고 설치하는 데 비용과 시간이 많이 소요되지만, 전례 없는 장기적 이익을 제공할 수도 있다.

그러한 구조의 가장 주목할 만한 이점은 탑재물과 승무원을 우주로 보내는 비용을 크게 줄일 수 있는 방법이다. 재사용 가능한 로켓의 이점에도 불구하고, 어떤 것이든 궤도로 보내는 것은 여전히 엄청난 비용이 든다. 그 이유는 지구의 중력이 9.8 m/s2(32.174 ft/s2)의 강력한 무게와 관련이 있다.

이 때문에 로켓은 지구의 중력을 벗어나기 위해 11,186 m/s의 속도를 달성해야 한다. 이 속도를 내기 위해 필요한 연료의 양은 상당한데, 이것은 거대한 로켓과 거대한 추진제 탱크가 필요하다는 것을 의미하며, 이것은 더 많은 연료가 필요하다는 것을 의미한다.

간단히 말해서, 사람들이 "우주는 힘들다"고 말하는 이유가 있다. 지구상의 우주 탐사와 생명체를 혁명적으로 변화시킬 수 있는 많은 야심찬 아이디어들처럼, 어떤 종류의 우주 엘리베이터에 대한 아이디어는 새로운 것이 아니다. 사실, 그 뿌리를 19세기 후반과 "로켓 공학의 아버지"로 알려진 콘스탄틴 치올코프스키로 거슬러 올라갈 수 있다.

마찬가지로, 우주 시대가 시작된 이래로 이 아이디어를 개발하고 다듬기 위한 시도가 이루어졌다. 여러 가지 측면에서 진전이 있었지만, 그 개념은 여전히 가능성 제기 정도에 맴돌고 있다. 일부 과학자들과 엔지니어들은 우주 엘리베이터가 결코 성사되지 않을 것이라는 결론을 내리고 있다.

하지만 무엇보다도, 사람들은 그것을 현실로 만들기 위해 열심히 일하고 위험을 무릅쓰고 있다. 그렇다면 우주 엘리베이터는 정확히 무엇일까? 무엇이 그것을 개념으로서 그렇게 매력적이고, 도전적이고, 논란이 되게 하는가? 그리고 만약 기술적으로 실현 가능하다면, 우리는 언제 그것을 기대할 수 있을까?

우주 엘리베이터 101 Space elevators 101

NASA는 2000년 보고서에서 이 개념을 다음과 같이 정의했다: 새천년을 위한 첨단 지구-우주 인프라":

"우주 엘리베이터는 지구 표면에서 지구 상공의 정지궤도(GEO)까지의 물리적 연결부다. 이 행성의 질량 중심은 정지점에 있기 때문에 24시간 공전하며 지구가 자전할 때 적도 위 같은 지점에 머무른다."

아서 C 클라크는 1979년 제30회 국제우주인대회에서 "우주 엘리베이터: 사고 실험, 또는 우주의 열쇠?"라는 제목의 연설에서 또 다른 유용한 정의를 제시했다.":

"우주 엘리베이터 (별명 스카이 훅, 천상의 사다리, 궤도탑, 또는 우주관측선)는 적도의 한 점과 바로 위의 정지궤도에 있는 위성을 연결하는 구조다. '수직 철도'를 제공함으로써 우주 운영 비용의 규모를 줄일 수 있을 것이다.

"원칙적으로 귀환하는 페이로드의 모든 에너지를 되찾을 수 있기 때문에 순수 에너지 요건은 거의 0에 가까울 것이다; 실제로 (안정성의 이유로 어떤 경우에도 필요한) 정지 지점 너머의 구조를 계속함으로써 페이로드들은 단지 지구 자전의 '슬링' 효과를 이용함으로써 탈출 속도를 얻을 수 있을 것이다."

우주 엘리베이터의 많은 제안된 버전이 존재하지만, 기본적인 구조적 원리는 거의 항상 동일하다. 여기에는 베이스(또는 앵커), 케이블(또는 테더), 등반가, 전원 시스템 및 공간에서의 균형추가 포함된다. 기지 측면에서, 모바일 해상 플랫폼 또는 정지된 지상 기반 플랫폼을 번갈아 사용한다.

케이블(또는 테더)은 지구에서 우주로 등산객들을 실어 나르는 인장 구조이며, 강도와 두께는 길이에 따라 달라져야 할 것이다. 장력은 케이블의 끝부분(GEO 고도) 근처에서 가장 크기 때문에 이 지점에서 가장 두껍고 표면 가까이에서 아래로 갈수록 가늘어져야 한다.

관련된 응력 때문에 케이블은 매우 높은 인장 강도/밀도 비율을 가져야 한다. 다양한 평가에 따르면 관련 재료는 최소 100기가파스칼(GPa)의 강도를 가져야 한다. 탄소 나노튜브와 그래핀과 같은 나노공학 물질이 개발되기 전에는 알려진 어떤 물질도 이러한 요구 조건을 충족시킬 수 없었다.