기고 _ 이종철 한국승강기안전기술원  서울지역본부장
宇宙 엘리베이터의 實現性과 그의 可能性(2-4)
원문 _ 大野 修一 日本 宇宙엘리베이터協會 會長( 2009.9)

4. 탄소계 신소재의 등장
1991년 일본의 飯島澄夫박사가 CNT를 발견하고 미세한 분자 레벨에서의 강도가 수백GPa 이상인 것이 판명되어 있다. 이러한 소재를 거대 분자까지 성장시키고, 더욱이 꼬아서 합친 와이어나 벨트 형상으로 할 때의 전체 강도는 그의 9분의1 정도로 되는 참고적인 경험법칙도 발견되어 있어 宇宙엘리베이터의 구축에 적용 가능한 소재의 후보가 한 가지 발견되었다고 생각되고 있다.
실제로 1개의 분자의 길이를 1mm 정도까지 성장시켜 이것을 와이어 형상으로 꼬아 합친 소재의 생성을 영국 케임브리지 대학이 성공했다.
2008년도의 기록은 1GPa로 되어 있다. 이 대학의 硏究者에 따르면, 성능 향상의 목표는 여기 4년간의 성과의 100배로 되는 것이고 단순히 생각해도 宇宙엘리베이터의 실현을 위해서는 최저 수십배 이상으로 되어야 한다.
생성방법은 촉매와 탄화수소의 혼합가스를 垂直電氣爐 중에서 화학반응을 일으킨 것으로, Gas의 공급과 생성물의 두루마리는 연속적으로 일어나는 것이 가능하다.
더욱이 CNT의 근본인 탄소의 同素· Graphene 그 자체의 Sheet 모양 형태로의 생성기술도 등장하고 최근 몇 년 사이 급속히 연구가 진척되기 시작했다. CNT 이외에도 宇宙엘리베이터의 실현을 보다 용이하도록 하는 소재가 더욱 등장할 가능성이 있는 것은 아닌가하고 기대하고 있다.

5. 宇宙엘리베이터의 全体개요와 구축방법
에드워드박사의 플랜은,
① 적도나 그의 근해에 설치된 해상 Platform
② 36,000km 상공에 설치된 靜止軌道 Station
③ 100,000km 상공에 설치된 Counter Weight(균형추)
④ 상기3가지를 연결할 매우 가볍고 필요한 강도를 가진 폭90cm의 Tether(Belt)
⑤ Tether(Belt) 위를 昇降하는 총중량 20톤의 Climber(승강기)에 의해 구성된다([그림 2참조]). 20톤의 Climber(승강기)로, 사람이 탑승할 수 있는 가는 미묘한 부분이지만 필자는 이것의 구성은 단순해서 어느 쪽인 가로 말한다면 실제 宇宙엘리베이터로도 부를 수 있는 온당한 것은 아니라고 생각한다. 그렇다면 이것의 구조전체를 어떻게 만들어 낼 것인가?
A. 初期展開段階
1. 지구 근방의 低軌道 상에 폭10cm, 얇은 1미크론의 CNT Base의 Tether(Belt)를 10만km 감은 Spool과 로켓 엔진이나 연료탱크 등의 Pack을 기존의 로켓 기술에 따라 쏘아 올린다. 쏘아 올리는 데에는 대형 로켓 3~4기가 필요로 된다.
2. 쏘아 올려진 Pack을 低軌道 상에서 초기 Tether 展開機에 쏘아 올린다. 초기 Tether 展開機의 중량은 83톤 정도. 또 전개할 Tether(Belt)의 전체 중량은 40톤으로 어림된다.
3. 초기 Tether 展開機는 로켓 엔진에 의해 低軌道로부터 高軌道로 이동한다. 그 이동 중에 Spool에 감겨있는 Tether(Belt)의 끝에 추를 매달아 지상으로 투하한다.
4. Tether(Belt)가 지상에 도달하면 이것을 해상 Platform에 접속한다.
5. Tether(Belt)가 전부 풀리어진 시점에 지상과 10만km 상공의 초기 Tether 展開機가 묶여서 연결된다. 초기 Tether 展開機는 Counter Weight의 역할을 수행한다.
B. 擴張段階
6. 追加 CNT Base의 Tether(Belt)의 Spool을 실은 구축용Climber(승강기)가 초기Tether(Belt)에 追加의 Tether(Belt)를 붙이면서 상승한다.
*이 공정을 200회 반복하는 것에 의해 Tether(Belt)의 폭/두께를 동시에 10배 정도로 확장한다. 상공에 올라온 구축용의 Climber(승강기)는 追加의 Counter Weight의 역할도 수행하는 것으로 사용된다.
여기까지의 공사기간은 2년 반으로 예측되고 있다. 물론 해상 Platform 이나 Tether(Belt)의 제조는 무엇보다 먼저 이루어져야 할 필요가 있으므로 전체적으로는 10년의 공사기간이 필요 하다고 어림되어지고 있다. Climber(승강기)는 최대속도 300km/h로 Tether(Belt)를 타고 昇降하게 된다.
또 이 플랜으로는 20톤의 Climber(승강기)가 昇降 가능한 시스템의 구축을 전제로 하고 있지만, 확장단계를 연장해서 4년간으로 하면 200톤의 Climber(승강기)가 昇降 가능한 규모까지 확대하는 것이 가능할 것으로 어림되고 있다.
C. 複數構築段階
宇宙엘리베터는 여러 가지 요인으로 장기간의 안정운용에 불안요소가 많이 존재한다. 그래서 최근에는 宇宙엘리베이터 여러 대를 세트로 해서 운용하는 것이 검토되고 있다. 다행이 첫 번째 1基의 宇宙엘리베이터를 이용해서 두 번째 2基를 구축하면 初期展開段階의 많은 공정이 생략되어 비용도 40% 정도 절감될 수 있을 것으로 어림계산되어진다. 가능하면 1基->2基->4基 정도로 확대한 후 전체 시스템으로서 운용하는 것이 바람직하다고 생각한다.

6. 에너지 전송
Climber(승강기)는 靜止軌道 이상 멀리까지 올라가기 위한 에너지원을 휴대하는 것이 불가능하다. 일부의 원자력 기관을 제외하고 20톤의 중량을 36,000km 이상으로 들어 올리는 것을 가능하게 하는 물건은 그 자체로 20톤을 훨씬 초과해 버리기 때문이다.
태양전지 등도 생각되어지지 않는 것은 아니지만 운용 효율은 대단히 낮을 것이다. 그러면 어떻게 해서 상승을 위한 에너지를 얻을 것인가?(하강 때에 발생하는 에너지의 回生도 아이디어로써 생각되고 있지만 실제로 상세하게 검토된 적은 아직 없다.)
현재 표준으로 생각하는 방법은 지상으로부터 적외선 레이저 혹은 마이크로파에 의해 Climber(승강기)의 수신기에 에너지를 보내주는 방법이다([그림 3 참조]).
Climber(승강기)가 움직이는 경로의 99.9%는 대기의 밖이므로 대기의 아래에서부터 전자파에 의해 에너지를 보내는 것은 에너지의 대부분이 대기에 흡수 되어 버려 효율이 5% 이하로 대단히 낮다. 그러나 이 방법을 실현하는 관련기술은 군사기술을 포함해서 이미 연구개발이 시작되고 있어 최초의 실제 宇宙엘리베이터를 조금이라도 빨리 실현하려고 하는 생각이 있다면 유망한 선택의 하나라고 생각할 수 있다.

7. 구축의 비용과 안전성
- 전체시스템의 개발                                                                                  4,000億円
- 초기Tether展開機의 쏘아 올리기(대형 로케트4발) 비용                                    800億円
- 초기Tether展開機                                                                                      300億円
- Tether(Belt)                                                                                             400億円
- 구축용의 Climber(승강기, 200대)                                                                 400億円
- 에너지전송장치/Tracking추적장치                                                             2,200億円
- 해상 Platform                                                                                            120億円
- 기타                                                                                                      2,000億円
- 합계                                                                                                         約1兆円

현재 어림되고 있는 구축비용의 주된 산출 근거는 상기와 같은 것이다.
어디까지나 시험적 계산이고 필자도 아마 낙관적인 면도 많을 것이라고 생각하고 있다. 그러나 비록 이것의 몇 배인가의 구축비용이 들더라도 얻을 수 있는 장점을 생각한다면 대단히 싼 가격이지 않은가? 목적이 다르다고 하더라도 거대 宇宙 프로젝트의 하나인 국제우주 스테이션의 총비용이 10兆円을 넘는 것을 생각한다면 더욱 그럴 것이다.
20톤급의 Climber(승강기)가 昇降할 수 있는 宇宙엘리베이터가 1년간에 靜止軌道 이상으로 멀리 운반해 올릴 수 있는 화물의 양은 500톤~1,500톤으로 어림되고 있어 유지보수를 계속하면 수년 이상 이용을 계속할 수 있다고 생각되고 있다.
이것에 대해서 현재의 로켓 기술로는 低軌道에 1기1발 100億円으로, 화물은 10~30톤이 겨우 가능하다. 필자의 시험적 계산으로는 H2로켓이나 스페이스셔틀과 비교하면 1톤당 低軌道에서 8~21분의1, 靜止軌道에서 32~83분의1까지 비용이 경감될 수 있다.
안전성이라는 의미로는 후미 아래 부분에 폭발적으로 연소하는 연료를 대량으로 적재하고 쏘아 올릴 수 있는 로켓과는 확실히 비교가 되지 않는다. 유감이지만 로켓을 쏘아 올리기에 동반하는 사고는 관계자 분들의 보통이 아닌 노력에도 불구하고 그의 구조상 필연적이라고 말할 수 있다.(스페이스셔틀은 5기 중 2기를 귀중한 인명과 함께 사고로 잃고 있다.)

☞ 다음 호에 계속