일본의 우주 엘리베이터의 구조와 향후 과제

우주 엘리베이터의 의미

우주 엘리베이터는 지상에서 우주 공간까지 연결되는 엘리베이터 시설입니다. 정식 명칭은 "궤도 엘리베이터"라고 합니다.

엘리베이터와 해도 전철 등의 놀이 기구를 가까운 이미지로 스페이스 셔틀처럼 대량의 연료를 소비하는 것이 아니면 추락 위험도 없기 때문에 안전하고 친환경적인 우주로의 이동 수단으로 주목 받고 있습니다.

예전에는 실현이 어렵다고 생각되고 있었지만, 카본 나노 튜브 개발 이후는 충분히 실현 가능한 시설이 되고 미국이나 일본 등에서 이미 개발 프로젝트가 시작되었습니다.

우주 엘리베이터의 구조

지구를 도는 인공 위성은 지구에 낙하하는 "중력"과 우주 공간으로 나아가는 "원심력"이 균형을 이루는 고도를 유지하면서 비행하고 있습니다. 그 중에서도 지구의 자전과 같은 속도로 비행하는 인공 위성은 지상에서는 한 점에 머물고 있는 것처럼 보입니다.

이 한 점에 머물고 있는 것처럼 보이는 궤도를 "정지궤도"라고 부르며 우주 엘리베이터는 이 궤도를 이용하고 건설됩니다.

이 정지 궤도에서 지상까지 케이블을 내리면 그 무게만큼의 중력과 원심력 균형이 깨지면 중력에 의해서 낙하. 거기서 우주 공간 쪽에도 같은 길이의 케이블을 연장합니다.

이에 의해서 위성은 중력과 원심력이 어울리는 정지 궤도에서 회전합니다. 다음은 이를 케이블이 지상까지 반복합니다.

최종적으로는 정지 궤도에서 지상까지 길이와 같은 만큼 우주 공간에도 케이블을 연장하면, 약 10만㎞의 매우 긴 거리를 잇는 케이블이 완성됩니다. 이 케이블에 승강기를 부착하면 사람이나 물건을 우주 공간까지 이동할 수 있는 우주 엘리베이터가 완성되는 것입니다.

구조는 의외로 단순 합니다.

우주 엘리베이터의 과제

우주 엘리베이터에는 몇가지 기술적 과제가 존재합니다. 이를 극복하면 더 안전하고 쾌적한 설비를 구축할 수 있습니다.

케이블의 소재

우주 엘리베이터를 건설할 때 가장 큰 과제로 꼽혔던 것은 케이블의 소재였습니다. 지금까지 지구 최강의 소재였던 피아노 선, 케블라 섬유를 사용했다고 해도 강도가 부족하다는 결론에 이르렀기 때문입니다.

중력과 원심력을 이용한다면 초장거리에서의 케이블 수송에는 상당한 강도를 가진 소재가 필요했습니다. 그러나 카본나노튜브의 발견으로 우주 엘리베이터에 필요한 강도를 유지하는 방법을 알게 된 것입니다.

현재 우주 엘리베이터에 적합한 케이블의 개발이 우주 공간에서 재료 변화도 고려하면서 진행되고 있습니다.

승강기

구조상 우주 엘리베이터 케이블은 기어를 부착할 수 없습니다. 그래서 승강기는 케이블과의 마찰만으로 지구의 중력을 넘어 상승해야 합니다.

또 기구가 복잡하게 되면 중량이나 고장률이 오르기 때문에 얼마나 간단하고 가벼운 기구를 개발할지가 과제로 남아 있습니다. 그러나 이들의 문제는 지금까지 가장 난제였던 케이블의 소재보다 훨씬 실현 가능한 과제로 남아 있습니다.

운용 에너지

초장거리에 이르는 우주 공간 이동을 위한 에너지를 어떻게 공급할지도 하나의 과제입니다. 현재 동력원은 전기를 사용할 계획이고, 태양 광선을 사용한 발전과 초단파, 원적외선 레이저 등을 사용한 송전 제안이 나오고 있습니다.

안전문제

우주 엘리베이터는 우주 쓰레기와 위성 등과 충돌 사고가 예상되며 균형을 잃은 엘리베이터가 지상에 떨어질 위험성이 시사되고 있습니다. 사고 발생 시 승객의 안전 보장과 지상으로 낙하했을 때의 안전도 고려해야 합니다.

현재는 가볍고 얇은 케이블을 사용함으로써 공기 저항이 매우 커지면서 낙하했을 때의 지상으로의 영향이 거의 없어질 것으로 예상하고 있습니다. 또한, 레이더로 감시함으로써 장애물을 회수하고 충돌을 사전에 막아 가는 방향으로 예상하고 있습니다.

우주 엘리베이터의 비용

우주 엘리베이터의 건축에는 무려 10조 엔이라는 막대한 비용이 든다고 합니다. 그러나 우주 엘리베이터는 비용 대비 효과가 매우 높기 때문에 이만한 돈이 걸리더라도 건설하는 이점이 있습니다.

로켓 등은 약 1억 6000만 엔으로 쏠 수 있었지만, 수송 수단으로 생각하면 비용 대비 효과로 1㎏당 약 215만 엔의 비용이 듭니다. 인간을 옮기려고 생각하면 1인 당 1억 4000만 엔의 비용이 드는 계산입니다.

그러나 우주 엘리베이터는 1㎏당 약 2만엔 정도로 가능해지며 1/100의 저비용 수송이 가능하게 됩니다.

우주 엘리베이터 완성 후의 변화

1대의 우주 엘리베이터가 완성되면 우주에 대한 수송 비용이 대폭 감소합니다. 2번째 우주 엘리베이터는 1대째의 약 40%의 비용으로 건설할 수 있게 됩니다.

3대, 4대와 수가 늘어남에 따르는 비용은 점점 감소하고 최종적으로는 1㎏당 수송 비용은 1,000엔 정도까지 떨어질 것으로 예상합니다.

이 단계가 되면 그동안 우주에 대한 수송 비용 문제로 계속 미뤄졌던 계획이 줄줄이 실행될 것으로 예상됩니다. 태양열 발전 위성으로 인류의 에너지 문제는 해결됩니다.

또한 우주여행, 우주 호텔 등 관광 사업이 발전하며 무중력에 의한 새로운 기술, 산업이 탄생합니다. 우주 정거장의 증설에서 달과 화성에 대한 인류 이주도 진전되어 인구 증가의 문제도 해결되겠지요.

바로 인류의 "우주 시대"가 시작될 것입니다.