宇宙 엘리베이터의 實現性과 그의 可能性(前編)


원문 _ 大野 修一 日本 宇宙엘리베이터協會 會長 ( 2009.9)
역 _ 이종철 한국승강기안전기술원  서울본부장

1. 개요
일본에서는 軌道엘리베이터라는 명칭으로 1980년대 경부터 애니메이션이나 만화 등 서브컬쳐 방면에서 아이디어를 얻어온 감이 있는 宇宙엘리베이터에 대하여 미국은 물론 일본이나 유럽에서도 그의 실현을 향한 노력이 시작되고 있다.
이번 기고는 아래에 기술하는 Bradley C. Edwards박사(이하 에드워드박사)의 Basic한 구축 플랜에 근거로 하고 있다. 여러 가지 구축 플랜이 提唱되기 시작하고 있는 중에서 가장 실현 가능성이 높은 것의 하나로써 받아들이고 있는 논의의 기본이 되고 있는 案이다.
현재의 宇宙엘리베이터에 관한 여러 가지 활동은 NIAC(NASA Institute for Advanced Concept), NASA 첨단컨셉트연구소의 의뢰에 따라 미국 로스아라모스 연구소의 에드워드박사가 작성한 실현 가능성에 관해서의 보고서에서 일부를 발표했다. 이 보고서는 인터넷 상에 현재도 공개되고 있다.
宇宙엘리베이터의 구축에는 경량이고 인장강도가 대단히 높은 소재가 필요하지만, 지금까지 그러한 조건을 만족하는 소재가 존재하지 않았기 때문에 그의 실현은 언젠가의 먼 미래로 생각되어져 왔다. 그러나 에드워드 박사는 새로운 소재인 CNT(카본나노튜브)를 이용하는 것으로 실현이 가능하다는 것을 제시하였다. 이 보고서 이후, 미국에서는 진지하게 宇宙엘리베이터를 실현하고자 하는 노력이 시작되었다는 것이다.
이와 관련하여 일본에서는 Science Writer 石原藤雄先生과 金子降一先生이 1997년에 宇宙엘리베이터의 구조를 해설한 ‘軌道엘리베이터-宇宙에걸린다리’를 출판하여 개념의 검토라는 의미에서는 일본이 앞서고 있다고 생각된다. 이러한 상황에 관해서 필자는 ‘언젠가 먼 미래에 실현할 수 있는 기발한 아이디어’로 인식해 온 일본과 ‘새로운 宇宙교통기관의 후보 등장’으로 최근에 와서 인식하기 시작한 미국, 유럽에 있어서 다루는 방법에서 차이가 있는 것처럼 보인다.
이 서적은 2009년 7월에 재출판됐으며, 軌道엘리베이터 라고 불리는 이름은 일본의 것이고 미국, 유럽에서는 일반적으로 宇宙엘리베이터라고 일컫는다.

2. 宇宙엘리베이터의 원리
인공위성은 지구의 주위를 周回하는 것에 의해 생기는 원심력과 지구의 중력이 밸런스되는 높이(지구로 부터의 거리)의 궤도에 정착한다. 원심력은 지구의 중심으로부터의 거리에 비례하고, 중력은 거리의 제곱에 반비례하므로 周回속도가 느리면 낮은 궤도를, 빠르면 높은 궤도를 유지하게 된다.
지상 36,000㎞의 높이에서 周回속도는 24시간에 지구의 주위를 1周하는 것으로 되어 인공위성을 지구가 자전하고 있는 방향과 동일방향으로 周回시키면 지상으로 부터는 언제나 동일한 위치로 보여 마치 靜止하고 있는 것처럼 보인다. 이것이 1940년대에 저명한 SF작가의 Arthur.C.Clarke가 提唱한 靜止衛星이다.
동일하게 宇宙엘리베이터도 원심력과 지구의 중력의 균형을 이용한다. 수만㎞ 급의 대단히 긴 끈이 달린 형상의 인공위성을 생각해보자. 각부에 걸리는 원심력과 지구의 중력이 전체로써 정확히 균형되어, 안전하게 지구의 주위를 24시간에 周回할 수 있도록 조정한다. 거기에 그의 끝단이 지상까지 다다르도록 할 수 있다면 宇宙엘리베이터로 되는 원리이다.
실제로는 원심력의 쪽이 약간 강한 상태로 하므로 지구가 끝단에 무게추가 달린 끈을 휘두르고 있는 것처럼 보인다(24시간에 1회전하는 지구의 自轉速度는, 赤道주변 지표면에서는 시속 1,700㎞나 되고 있다.).

3. 실현 가능성이 낮다고 생각되어져 왔던 주된 이유
宇宙엘리베이터가 안정하게 존재하도록 하기 위해서는 주로 다음과 같은 파라미터로부터 산출되는 구조로 할 필요가 있다.
① 전체 형상과 질량 배분
② 운용 시에 있어서 그의 변동 범위
③ 소재의 인장강도 등의 성능
④ 현실적인 구축 수순
이러한 상호에 관련하는 각 파라미터 범위를 검토하는 것으로 여러 가지 宇宙엘리베이터의 모델을 길안내하는 것이 가능하다. 그러나 어떠한 경우에도 ③의 소재에 대한 요구는 실존하는 모든 소재의 성능을 上廻하는 것이 필요하다는 것을 알고 있다.
어떠한 소재도 Arthur.C.Clarke가 이야기한 破斷長이라고 부르는 값을 가지고 있다. 이것은 특정의 소재를 중력의 세기가 동일한 공간에 縱方向으로 길게 폈을 때 自重으로 끊어져 버리는 길이를 가리킨다.
방금 삶은 우동이나 파스타의 破斷長은 아마 1m도 되지 않을 것이다. 동일한 방법으로 철강으로도 50km, 케블라(Kevlar)로도 400km전후의 破斷長으로 된다. 이것은 재료의 밀도에 반비례하고 단위 면적당 인장강도(단위GPa ; 기가파스칼)에 비례한다.
50km나 400km로는 長大한 宇宙엘리베이터에 걸맞지 않다. 인장강도라면, 강철로 1GPa 인데 대하여 전체구조를 Taper 형상으로 하는 등 여러 가지로 연구를 하더라도 宇宙엘리베이터의 구축을 위해서는 밀도비로 50~100배는 필요하다고 어림되고 있다.
에드워드박사의 플랜에서는, 전체의 크기(길이)를 100,000km로 한 모델로 최저50GPa는 필요하다([그림-1] 참조). 그러한 소재는 지금까지 존재하지 않았다.               

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