2050년에 나온다는 우주엘리베이터
21C 잭과 콩나무 프로젝트…방사선 노출·지구환경변화 난제
우주엘리베이터는 지구상 한 지점에 엘리베이터 승강장을 만들고 지상 위 3만6000㎞ 고도 정지궤도상에 우주정거장을 건설해 두 지점을 엘리베이터로 오르내린다는 계획이다.
지상에서 몇 만㎞ 상공에 구조물을 만들어 이를 지상과 연결하는 것은 매우 어려운 일이다. 강철 등 현재 우리가 사용하는 일반적 소재로는 건설이 불가능하다. 그래서 공상과학영화에나 등장하는 상상 속 구조물로 여겨져왔다.
하지만 탄소나노튜브라는 소재가 개발되면서 우주 엘리베이터 실현 가능성이 커졌다. 탄소나노튜브는 육각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1㎚(나노미터, 10억분의 1m) 크기 미세한 분자 구조다. 강철보다 강도가 100배 이상이고 전기 전도와 열전도율도 매우 좋다. 속이 비어 있어 무게도 가볍다. 가벼움과 튼튼함을 모두 갖춘 '꿈의 소재'인 셈이다.
탄소나노튜브는 이런 장점에도 몇 가지 문제가 있다. 우선 굵기다. 탄소나노튜브는 '나노'라는 말처럼 굵기가 나노 단위인 작은 물질이라 우주엘리베이터 건설에 사용하려면 먼저 이를 굵게 가공해야 한다.
이제욱 재료연구소 탄소복합재료연구실 박사는 "새끼를 꼬듯 탄소나노튜브를 여러 가닥으로 꼬아서 굵게 만들어 볼 수 있지만 탄소나노튜브가 워낙 가늘다 보니 수천 가닥을 꼬아도 머리카락 정도 굵기밖에 안 되는 문제가 있다"고 지적했다.
약한 결합력도 문제다. 이건홍 포스텍 화학공학과 교수는 "탄소나노튜브는 튜브 형태 구조라 꼬아놔도 양쪽에서 잡아당기면 튜브끼리 미끄러지면서 풀려버릴 수 있다"며 "탄소나노튜브 옆면에 접착제 같은 화학 결합을 도입해 미끄러지는 현상을 막기 위한 연구가 진행 중"이라고 말했다. 이 교수는 "탄소나노튜브를 꼬아서 실(섬유)을 만들면 인장 강도가 1기가파스칼(GPa·1㎡당 1000t의 압력을 견디는 힘) 정도인데 현재는 5GPa까지 가능하다"며 "최소 50GPa은 돼야 우주엘리베이터에 사용 가능하고 안전성에 큰 우려가 없으려면 100GPa은 돼야 한다"고 말했다. 그는 "여러 다발의 섬유를 꼬아놨을 때 이들 간 빈 공간이 없게 붙이는 기술이 중요하다"며 "결합성을 높이는 방법을 찾는 것이 과학자들이 해결해야 할 숙제"라고 말했다.
탄소나노튜브는 결합력 외에도 단점이 하나 더 있다. 대기권 상층부에서 산화하는 현상이 발생한다. 태양에서는 다양한 입자들이 방출돼 지구로 날아온다. 대기 중 산소(O2)가 '우주선(宇宙線)'을 만나 산소 원자(O)로 쪼개지고 이 산소 원자가 탄소나노튜브를 이루고 있는 탄소(C)와 반응하면 일산화탄소(CO)가 만들어진다. 말하자면 탄소나노튜브에서 탄소들이 빠져나가면서 마치 '골다공증' 환자처럼 여기저기 구멍이 뚫리는 현상이 발생할 수 있다는 것이다.
이 교수는 "나사(NASA)에서 보론나이트라이드(BN·붕소와 질소 결합물)라는 물질로 새로운 튜브를 만들기 위한 연구가 진행되고 있다"며 "보론나이트라이드는 산소와 결합해 손상될 위험은 없지만 만들기가 매우 어려워 아직 대량 양산이 불가능하다"고 덧붙였다.
우주 방사선 노출도 해결해야 할 과제다. 이창진 건국대 항공우주정보시스템공학과 교수는 "지구와 달리 우주로 나갈 경우 우주 방사선에 직접 노출된다"며 "방사선은 100% 차단할 수 없으므로 최대한 막을 수 있도록 우주엘리베이터를 설계해야 할 것"이라고 지적했다. 미국 로체스터대는 우주에서 노출되는 방사선 양이 지구의 20배가 넘는다며 우주 비행으로 알츠하이머 등 뇌 인지기능을 저하시키는 질병에 걸릴 확률이 높다는 연구 결과를 발표하기도 했다.
지구상 환경도 고려 대상이다. 현재 우주엘리베이터 지상 터미널 최적지는 적도 부근으로 알려져 있다. 바람이 적고 기상 변화가 거의 없기 때문이다. 매년 미국에서 열리는 ISEC(국제우주엘리베이터콘퍼런스)에 참가하고 있는 이건홍 교수는 "지상 터미널은 바다 위에 석유시추시설처럼 플랫폼을 띄워 두는 방식"이라며 "콘퍼런스에서 구조물이 파도, 바람 등에 견딜 수 있는 방법을 찾기 위한 논의가 진행되고 있다"고 말했다. 고영준 한국승강기대 승강기전기설계과 교수는 "다양한 우주 엘리베이터의 건설 방법이 시도·논의되고 있는데 아직 정답은 없다"면서 "가까운 미래에 충분히 설계 가능하다고 본다"고 강조했다.
[이영욱 기자]
지상에서 몇 만㎞ 상공에 구조물을 만들어 이를 지상과 연결하는 것은 매우 어려운 일이다. 강철 등 현재 우리가 사용하는 일반적 소재로는 건설이 불가능하다. 그래서 공상과학영화에나 등장하는 상상 속 구조물로 여겨져왔다.
하지만 탄소나노튜브라는 소재가 개발되면서 우주 엘리베이터 실현 가능성이 커졌다. 탄소나노튜브는 육각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1㎚(나노미터, 10억분의 1m) 크기 미세한 분자 구조다. 강철보다 강도가 100배 이상이고 전기 전도와 열전도율도 매우 좋다. 속이 비어 있어 무게도 가볍다. 가벼움과 튼튼함을 모두 갖춘 '꿈의 소재'인 셈이다.
탄소나노튜브는 이런 장점에도 몇 가지 문제가 있다. 우선 굵기다. 탄소나노튜브는 '나노'라는 말처럼 굵기가 나노 단위인 작은 물질이라 우주엘리베이터 건설에 사용하려면 먼저 이를 굵게 가공해야 한다.
이제욱 재료연구소 탄소복합재료연구실 박사는 "새끼를 꼬듯 탄소나노튜브를 여러 가닥으로 꼬아서 굵게 만들어 볼 수 있지만 탄소나노튜브가 워낙 가늘다 보니 수천 가닥을 꼬아도 머리카락 정도 굵기밖에 안 되는 문제가 있다"고 지적했다.
약한 결합력도 문제다. 이건홍 포스텍 화학공학과 교수는 "탄소나노튜브는 튜브 형태 구조라 꼬아놔도 양쪽에서 잡아당기면 튜브끼리 미끄러지면서 풀려버릴 수 있다"며 "탄소나노튜브 옆면에 접착제 같은 화학 결합을 도입해 미끄러지는 현상을 막기 위한 연구가 진행 중"이라고 말했다. 이 교수는 "탄소나노튜브를 꼬아서 실(섬유)을 만들면 인장 강도가 1기가파스칼(GPa·1㎡당 1000t의 압력을 견디는 힘) 정도인데 현재는 5GPa까지 가능하다"며 "최소 50GPa은 돼야 우주엘리베이터에 사용 가능하고 안전성에 큰 우려가 없으려면 100GPa은 돼야 한다"고 말했다. 그는 "여러 다발의 섬유를 꼬아놨을 때 이들 간 빈 공간이 없게 붙이는 기술이 중요하다"며 "결합성을 높이는 방법을 찾는 것이 과학자들이 해결해야 할 숙제"라고 말했다.
탄소나노튜브는 결합력 외에도 단점이 하나 더 있다. 대기권 상층부에서 산화하는 현상이 발생한다. 태양에서는 다양한 입자들이 방출돼 지구로 날아온다. 대기 중 산소(O2)가 '우주선(宇宙線)'을 만나 산소 원자(O)로 쪼개지고 이 산소 원자가 탄소나노튜브를 이루고 있는 탄소(C)와 반응하면 일산화탄소(CO)가 만들어진다. 말하자면 탄소나노튜브에서 탄소들이 빠져나가면서 마치 '골다공증' 환자처럼 여기저기 구멍이 뚫리는 현상이 발생할 수 있다는 것이다.
이 교수는 "나사(NASA)에서 보론나이트라이드(BN·붕소와 질소 결합물)라는 물질로 새로운 튜브를 만들기 위한 연구가 진행되고 있다"며 "보론나이트라이드는 산소와 결합해 손상될 위험은 없지만 만들기가 매우 어려워 아직 대량 양산이 불가능하다"고 덧붙였다.
우주 방사선 노출도 해결해야 할 과제다. 이창진 건국대 항공우주정보시스템공학과 교수는 "지구와 달리 우주로 나갈 경우 우주 방사선에 직접 노출된다"며 "방사선은 100% 차단할 수 없으므로 최대한 막을 수 있도록 우주엘리베이터를 설계해야 할 것"이라고 지적했다. 미국 로체스터대는 우주에서 노출되는 방사선 양이 지구의 20배가 넘는다며 우주 비행으로 알츠하이머 등 뇌 인지기능을 저하시키는 질병에 걸릴 확률이 높다는 연구 결과를 발표하기도 했다.
지구상 환경도 고려 대상이다. 현재 우주엘리베이터 지상 터미널 최적지는 적도 부근으로 알려져 있다. 바람이 적고 기상 변화가 거의 없기 때문이다. 매년 미국에서 열리는 ISEC(국제우주엘리베이터콘퍼런스)에 참가하고 있는 이건홍 교수는 "지상 터미널은 바다 위에 석유시추시설처럼 플랫폼을 띄워 두는 방식"이라며 "콘퍼런스에서 구조물이 파도, 바람 등에 견딜 수 있는 방법을 찾기 위한 논의가 진행되고 있다"고 말했다. 고영준 한국승강기대 승강기전기설계과 교수는 "다양한 우주 엘리베이터의 건설 방법이 시도·논의되고 있는데 아직 정답은 없다"면서 "가까운 미래에 충분히 설계 가능하다고 본다"고 강조했다.
[이영욱 기자]
출처: http://news.mk.co.kr/newsRead.php?year=2015&no=250623
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