SF / 과학 포럼
SF 작품의 가능성은 어떻게 펼쳐질 수 있을까요? 그리고 어떤 상상의 이야기가 가능할까요?
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우주엘레베이터 건설시 지상에서 쌓아올리는거 말고 우주에서 케이블을 늘어뜨리는것에 관해 궁금한점이 생겼습니다.
케이블의 두께야 어느정도일지 모르나 적어도 우주에서 지구까지 케이블을 늘어뜨리려면 케이블의 양이 엄청날테고 그건 중량의 문제와 연결이 되지 않을까 생각합니다.
그렇다면 그 엄청난 중량의 케이블을 한번에 로켓에 싣기도 힘들것이고 그렇다고 우주선에 케이블 생산장비를 설치해서 우주에서 만들면서 지상으로 늘어뜨리는것도 어려울거 같은데요. (케이블 생산장비나 케이블 원료 중량도 무시를 못하겠지요)
제가 생각할수 있는 방안은 우주에 고정궤도 위치에 스테이션을 만들고 로켓이 지속적으로 왔다갔다 하면서 케이블을 운반하고 스테이션에서 케이블을 연결해서 지상으로 늘어뜨리는 방법이 있을텐데요....그것도 로켓의 왕복횟수가 엄청나게 많이 필요하지 않나요?
케이블 재질이야 탄소나노 튜브 등 여러가지 의견이 있는걸로 알고 있지만 막상 그 많은 양의 케이블을 어떻게 궤도에 올려놓을수 있는지에 대한 내용을 본적이 없어서요.
혹 잘 아시는 분 있으신가요?
Glradios
어차피 궤도 엘리베이터 만드는 게 궤도에 물건 올리는 비용을 줄이기 위해서인걸요. 궤도에 엘리베이터 제작 자재 올리는 비용이 싸다면 그냥 엘리베이터를 안 만들고 로켓만 쏘겠죠.
생각해봐야 할 것이 몇가지 있습니다.
1. 우주 엘리베이터에서 늘어뜨려야 할 케이블의 중량
2. 우주에서 케이블을 만들 수 있는지의 여부
두번째부터 이야기하자면 현재의 구상으로는 일단 기본이 되는 케이블은 지상에서 만들어서 우주로 수송하는 방식이 될 것으로 예상됩니다. 하지만 기본적인 시설과 기본이 되는 케이블의 중량은 생각보다 작아서 수백대의 로켓이 필요한 정도는 아닙니다.
일단 지구와 우주를 연결하는 케이블이 하나 생기면 마치 산의 계곡 사이에 줄다리를 놓듯 이 케이블을 이용해서 나머지 케이블과 시설을 올릴 수 있습니다. 하나의 케이블이 올라갈 때마다 전체 강도는 높아지고 안정성도 높아지겠지요.
(이 과정은 아서 c 클라크의 작품 <낙원의 샘>에서도 묘사되고 있습니다.)
그렇게 완성된 궤도 엘리베이터의 최종적인 중량은 -케이블이 외부에 노출된 방식으로 생각할때- 약 1,000~2,000톤 정도에 지나지 않습니다. 우주 쪽으로 같은 양의 중량이 나아가야 하므로 전체 중량은 4,000톤 이하. 처음에 로켓을 올려야 하는 장비와 케이블의 중량은 이것의 1/10 정도면 충분하기 때문에 현행 우주 왕복선이나 차후 개발될 아틀라스V 로켓으로 10~20번 정도면 모든 장비를 올릴 수 있습니다.
일단 리프트포트 그룹 자료실에는 최초 케이블[여기에서는 리본이라고 쓰더군요] 20,000 kg 으로 예상하고 있더군요. 현재 가격이 g당 25$ 정도라고 가격 하락을 위한 기술 개발이 필요하다고 나오는군요. 위키피디아에는 18,000kg 으로 예상하고 있습니다.
그리고 현재 개발된 발사체 중에 그정도를 GSO 까지 올릴수 있는 녀석은 러시아에서 개발한 에네르기아가 있고요.[현재는 퇴역했습니다]
물론 에네르시아의 탑재량은 논란이 있습니다만...
왕복선의 경우 3.8톤 정도밖에 못 올리는게 현실입니다만 미국이 오리온이랑 같이 개발중인 수송용 발사체도 있으니까
케이블 제작이 시작될 시점 즈음해서 케이블과 각종 제조설비를 위로 올릴 발사체 하나쯤 만드는건 일도 아닐 듯 합니다.
일단 케이블 하나를 추에 달아 늘어 뜨리고, 지상에선 기구 띄워서 그거랑 연결만 시키면 그뒤엔 그 케이블 타고 엘리베이터에 케이블 달고 하나씩 여러번 올라가주면 됩니다.
참고로 리프트포트 그룹은 2031년을 프로젝트 성공예정으로 잡고 열심히 기부도 받고 연구 및 실험을 하는 중입니다.
http://www.liftport.com/
먼저 딴지 하나...
케이블의 '두께'가 아니라 '굵기'가 맞습니다. 요즘 자꾸만 두께와 굵기를 헷갈리는 사람이 많더군요, 이러다 '굵다, 가늘다'란 말이 아예 사라지지나 않을지 걱정입니다.
어느 동화책에선가 이런 글이 있었는데요.. 높은 탑 꼭대기에 갇힌 왕자인지 공주인지가 탈출해야 하는데 밑에 부하들이 와 있지만 밧줄을 올릴 수가 없었습니다.
위에서는 옷감을 풀어 길고 가느다란 실을 만들어서 늘어뜨립니다. 밑에서는 그 실 끝에 약간 굵은 실을 묶어 끌어올리게 합니다. 굵은 실을 다 올리면 더 굵은 실을 묶어서 올리고... 마침내 굵은 밧줄을 끌어올려 탈출하게 만드는 이야기였죠.
부대비용이 더 들긴 하지만(가느다란 케이블부터 점점 굵은 케이블을 모두 만들어야 하니) 이 방법도 가능하지 않을까요? 최초에 올라갈 것은 가장 가느다란 케이블 뭉치일 테니까요.
앞서 제가 이야기한 것이 바로 말씀하신 방식과 같습니다.
산의 계곡에서 줄다리를 놓을 때 바로 그 방식을 이용하죠.
처음에 가는 줄을 도구를 이용해서(끈에 돌이나 갈고리 등을 묶기도 하고 활을 쏘기도 합니다.) 반대편까지 보냅니다. 그리고 그 줄에 굵은 끈을 묶어서 반대쪽까지 연결합니다. 일단 양쪽을 연결하는 것만 가능하다면 그 다음에 줄을 더 늘리거나 하는 건 그다지 어렵지 않습니다.
마찬가지로 처음에 가는 케이블을 내리고 이 케이블을 따라서 작은 장치들이 위아래로 오르내리며 케이블을 하나씩 하나씩 위로 올립니다.
어느 정도 안정되면 본격적으로 엘리베이터 장치를 연결하고 기지 건설 등에 필요한 장비를 올리기 시작합니다. 이 과정을 반복하면서 튼튼한 궤도 엘리베이터를 완성하는 것이지요.
여담) 더 정확하게 말하면 폭이 넓고 두께가 얇은, 리본 같은 케이블을 이용합니다. 이 경우 굵기와는 조금 다르겠지요.
전 이것보다는 우주엘리베이터를 만들고 난 다음에 운용에 관한 부분이 더 궁금합니다.
우주엘리베이터에 걸리는 힘은 중력이 아닌 인장력이라는 말을 들은 뒤부터 계속해서 생각하던건데, 인장력이 걸리는거라면 우주 엘리베이터 전체의 무게 중심은 우주에 정지위성궤도에 있어야 합니다. 그리고 엘리베이터의 가장 큰 목적은 위에서 내려오는것이 아니라 밑에서 끌어올리는거고요. 그런데 이런식으로 우주엘리베이터의 사용 방향이 한 방향으로만 작용한다면 지상에서 끌어올린 무게만치 반작용으로 우주엘리베이터의 고도 또한 낮아질수 밖에 없습니다. 물론 무게 중심이 이동하게 된다면 이건 말 그대로 우주 엘리베이터의 수명이 왔다갔다하는 문제가 되지 않나 하는겁니다. 무게 중심을 원래 고도로 올리기 위해서 추진체를 엘리베이터로 올린들, 추진체의 추력이 충분치 않다면 언발에 오줌누기도 안될겁니다.
이후에 우주자원을 가져오기 시작한다면 양상이 달라지기야 하겠지만, 우주엘리베이터가 만들어지고 난 다음 그 무게중심이 정지궤도에서 벗어나기 전에 충분한 양의 우주수확을 얻을 수 있는가 하는 문제는 또 남아 있지요.
이런 우주 엘리베이터 운용에 따른 무게중심 이동에 관한 문제의 해결책은 논의된 바가 없습니까?
무게 중심에 대한건 이론적으로는 논의가 끝났습니다.
일단 엘리베이터를 지지하는 케이블이 무지 깁니다. 35785 km 나 위로 뻗어 올라가고
맨 위에 GTO 위치에 기지를 설치하는게 기본 구조입니다. 거기에 지구 자전에의한 원심력으로 버티는 거죠
그러나 이것만으로는 말씀하신대로 끝부분이 무거워지면 지구로 가라앉게 되겠죠.
그래서 여기서 우주로 더 뻗어 올라가서 반대쪽에 카운터 웨이트 이른바 균형추를 달아버립니다.
그러면 평형을 이루게 되죠.
그리고 초기 리프터는 끌어올리는 방식이 아니라 타고 올라가는 방식을 이용할 겁니다.
그러면 무게 중심이 점점 올라가니 리프터가 많이 올라가서 정지궤도에 많이 도달할수록
안정적이 되는거죠
또한 위쪽으로 길게 늘이는것 이외의 방법이
궤도 링 방식입니다.
적도위 정지궤도에 거대한 고리형 구조물을 만들어 거기에 엘리베이터를 매다는거죠
뭐 엘리베이터 운용 후기에 이르면 자연스레 궤도링 형태를 갖게 될 겁니다.
자세한 내용은
http://en.wikipedia.org/wiki/Space_elevator
여기에 잘 정리돼 있습니다.
저도 그걸 생각해 봤는데, 첨엔 아예 추진제가 필요없을거 같았지만, 조금 더 생각해 보니 필요하긴 할거 같더군요. 그렇다 해도 로켓과는 효율적으로 비교도 안되는게, 로켓은 전채 중량의 90%가 넘는 추진제를 단지 궤도 까지 올리는데 소모하고 10% 이하의 추진제만 궤도에 도착 할 수 있는데 반해(정지궤도 까지 간다면 더 심하죠), 우주 엘리베이터는 제어에 필요한 추진제의 100%를 궤도로 올릴수 있죠.
게다가 순간적으로 급격한 추진력이 필요한게 아니라서 이온드라이브 같이 추진력보단 지속력이 좋은 방식을 쓴다면 추진력을 얻는데 전기만 필요하거나 그 마저도 스스로 태양광 발전으로 충당 할수도 있게 되겠죠. 물론, 이 외에도 로켓에 적용하기 힘든 다른 고효율 추진 방식들이 있구요
우주 엘리베이터가 일단 하나 건설되면, 마치 강아지 분양 하듯 분양도 가능 합니다. 이미 완성된 엘리베이터에서 케이블(리본) 한가닥을 떼어내서, 그걸 가지고 원하는 위치에 가서 새로운 엘리베이터를 건설할 수 있는 거죠. 그렇게 되면, 새로운 케이블을 로켓으로 실어나르는 비용이 절약되니 오리지널 엘리베이터 건설비용보다 훨씬 저렴한 비용으로 새로운 엘리베이터 건설이 가능해 집니다.
어... 만약 처음 건설한 곳이 개인 회사라면 엘리베이터 주도권을 쥐고 적도상의 모든 엘리베이터 건설을 독점 할 수도 있겠네...
회사가 아니고, -진행 중인 것도 아니고- 전미 우주 협회 등에서 가능성에 대해 여러가지로 논하고 실제로 진행하자고 의견을 제시하는 수준이지요. 궤도 엘리베이터라는 것을 실현하려면 꽤 강력한 로켓이 필요하고, 그것을 가진 것은 미국에서 NASA 뿐...
하지만, NASA는 현재 예산 삭감으로 개발 중이던 로켓조차 제 시간에 만들기 어려운 상황입니다. 하지만, 재질 등의 기술적 문제가 해결된다면 궤도 엘리베이터 계획은 충분히 실현될 것이며, NASA나 세계 각지의 국제 우주 단체들이 열심히 뛰어들 것이라 생각합니다.
추가로, 이건 희망을 더한 생각이지만, 궤도 엘리베이터는 세계 각지의 공동 프로젝트가 될 가능성이 높다고 생각합니다. 우선 한 나라의 우주 개발 단체가 부담하기엔 지나치게 많은 비용이 들어가는 대규모 사업인데다, 운영비 등을 생각해도 여러 국가가 협력하는게 편하고, 설사 한 나라에서 진행할 수 있다고 해도 여러 나라가 같이 참여하는 쪽이 개발시의 문제를 줄이고 개발 이후의 운영에도 도움이 됩니다.
실제로 근래에 들어 우주와 관련하여 여러 나라의 공통 계획이 많이 진행되고 있습니다. 국제 우주 정거장은 그 중 가장 대표적인 사례지요.
물론, 이와 관련한 주도권은 미국 등 강대국이 차지하겠지만, 여기에 참여한다는 점만으로도 우주 개발의 선도 국가로서 많은 이익을 얻을 수 있겠지요. 당연히 여기에 참여하는데에도 자격 조건이 필요할테니, 우리나라도 열심히 노력해야 할 것입니다. 국제우주정거장처럼 단지 구경만 하거나 비싼 돈 내가면 관광 여행 보내는 정도로 만족하는 상황을 겪지 않으려면...
UP 처럼 케이블 끝에 풍선을 잔뜩 달아서 하늘 끝까지 올리는겁니다. 이건 너무 유치한가요?