보라빛 소를 만나기 위한 도약

※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1844호(2018. 5. 2. 발행)에 기고한 원고입니다.

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탄소나노튜브(CNT)로 가능성의 영역에 들어선 ‘우주 엘리베이터’.pdf

[ 요 약 ]

[ 본 문 ]

ž 우주에는 지구보다 미네랄이 풍부한 소행성들이 많지만 이들 행성으로부터 지구로 자원을 가져오려면 비용효율적인 운송 수단이 필요함

Ø 지구상의 인구는 여전히 증가하고 있고, 이 인구를 부양하기 위한 자원과 에너지는 계속해서 고갈되어 가고 있는 상황이기 때문에, 최근 들어 우주개발은 에너지 문제 해결책 마련을 위한 대안의 하나로 주목받고 있음

Ø 예를 들어 미 항공우주국(NASA)는, 우주 공간에서는 태양광을 가로막는 것이 없어 지구 표면보다 24배 효율로 태양광 발전이 가능하기 때문에 우주에서 태양광 에너지를 만들고 마이크로파를 이용해 지상에 전송해 활용하자는 아이디어를 내고 있음

Ø 우주 태양광 외에도 다양한 우주자원 개발에 대한 논의가 있는데, 게임에서 흔히 기본 설정으로 차용되고 있는, 소행성에 존재하는 미네랄을 캐서 활용하자는 제안이 대표적임

Ø 우리가 사는 지구의 표면에는 사실 광물 자원이 풍부한 곳이 별로 없는데, 지구가 부글부글 끓는 마그마 상태일 때 무거운 원소가 내부에 가라 앉아 버렸기 때문임

Ø 이에 비해 태양계의 우주 공간에는 미네랄이 풍부한 소행성이 많이 떠돌고 있는데, 예를 들어 지난 2015년 미국 기업 플래너테리 리소스는 소행성 511번 ‘다비다(Davida, 일명 1903LU)’에 1,538경 달러의 자원이 매장되어 있다고 추정한 바 있음

Ø 그러나 우주개발을 통해 미네랄 같은 자원을 확보하더라도 문제는 지구로 가져오기 위해서는 대량수송 기관이 필요하다는 것인데, 우선 생각해 볼 수 있는 대량수송 로켓은 비용효과성이 전혀 맞지 않으며, 로켓은 짐을 ‘가져 갈’ 수는 있으나 ‘가져 올’ 수는 없음

Ø SF 처럼 워프(Warp) 같은 것이 실현 가능하다면 모르겠지만 그야말로 꿈 같은 이야기이고, 현재로서는 건설하는 데 50년이 걸릴지 100년이 걸릴지 모르지만 그나마 가능성이 보이고 가장 비용효과성이 좋을 것으로 기대되는 수송기술이 ‘우주 엘리베이터’임

ž ‘우주 엘리베이터’는 우주 공간에서 길이 수만 ㎞의 와이어를 지상에 늘어뜨려 ‘클라이머(Climber)’라 부르는 차량이 오르내리게 하는 인류 최대의 수송 인프라 계획임

Ø 우주 엘리베이터라는 아이디어 1960년대부터 존재해 왔는데, 지구의 정지위성 궤도, 즉 적도 상의 고도 3만 6천 km에서 지상으로 밧줄(와이어)를 매달고 이를 오르내리는 기계를 이용해 물자와 사람을 수송해 보자는 것임

Ø 지구에서 달까지의 거리가 약 38만 3천 km이므로 현재 미국, 일본 등에서 현재 연구의 목표로 하고 있는 우주 엘리베이터의 와이어 길이는 정지위성 궤도까지 거리보다 훨씬 긴 약 10만 ㎞ 내외임

Ø 우주 엘리베이터 구상도를 보면 ‘수직으로 이동하는 모노레일’의 이미지에 가까운데, 늘어뜨려진 와이어 위를 기차 차량과 비슷한 ‘클라이머(climber)’가 오르내리는 방식임

Ø 와이어의 길이가 10만 km이고 클라이머가 시속 200㎞로 오르내린다고 가정하면 끝에서 끝까지 이르는 전 과정은 약 3주가 소요되는 셈인데, 중간 지점인 되는 정지 궤도(적도 상공 약 3 만 6천 ㎞)에 가까워질수록 지구의 중력에서는 벗어나게 됨

ž 우주 엘리베이터의 연구가 시작되고는 있지만 아직은 초보 단계이며, 전문가들은 대략 2050년경에 실현 가능할 것으로 전망하고 있음

Ø 우주 엘리베이터는 천체의 자전에 의한 원심력에 의해 사람과 물자를 우주로 전송하는데 사용할 수도 있음

Ø 해머 던지기에서는 선수가 스스로 회전하며 해머를 휘두르고 그 원심력으로 해머를 멀리 날리는데, 그와 동일한 방식으로 우주 엘리베이터 맨 끝부분에서는 큰 원심력을 얻을 수 있기 때문에 효율적으로 우주 공간에 물자를 날려보낼 수 있다는 것임

Ø 이런 식으로 지구뿐 아니라 소행성, 화성, 목성, 토성의 위성에 우주 엘리베이터를 건설함으로써 ‘태양계 물류망’을 구축하게 된다면 우주 개발을 효율적으로 추진할 수 있는 수단이 될 수 있을 것으로 기대하고 있음

Ø 과학자들은 우주 엘리베이터가 2050년경에 구현될 것으로 보는데, 지구에 앞서 소행성, 화성, 달에 먼저 구축한 뒤 마지막으로 지구에 연결될 것으로 보고 있음

ž 우주 엘리베이터가 오랫동안 아이디어로만 존재하다 실현 가능성을 보이기 시작한 것은 실현 가능한 강도(強度)를 제공하는 ‘탄소나노튜브(CNT)’ 소재가 등장하면서부터임

Ø 물자뿐 아니라 사람도 실어 나르려는 이 장대한 우주 인프라가 실현되려면 와이어가 말 그대로 생명줄이 되는데, 설계상 70~80 GPa(기가파스칼, 1GPa는 약 1천 기압) 정도의 높은 장력을 요구함

Ø 또한 길이가 10만 km에 달하는 긴 와이어를 내려뜨리더라도 자체의 무게로 인해 끊어지지 않을 정도의 강도(強度)를 가진 소재가 필요한데, 그 후보 소재로 유력시되고 있는 것이 ‘탄소나노튜브(CNT)’임

Ø 탄소나노튜브(CNT)는 탄소 원자가 그물망처럼 결합하며 통 모양으로 된 구조를 하고 있는데, CNT 하나의 직경은 20 나노미터 임(1나노미터는 10억 분의 1 미터)

Ø CNT의 단면적당 인장 강도는 철강의 약 20 배에 이르며, 무게는 철근의 4분의 1에서 3분의 1, 전류 밀도는 구리의 100 배 이상, 열전도율은 구리보다 5 배 이상임

Ø 이러한 우월한 특성을 가진 CNT는 다양한 응용이 기대되고 있는데, 특히 전류 밀도의 특성을 살려 연료 전지와 전기를 모아 두는 커패시터(capacitor)로 활용이 기대되고 있음

Ø 이 밖에도 건설용 재료로서는 높은 인장 강도의 특성이 기대되며, 철근 및 강재 케이블의 대체재로 사용 가능성도 적극 고려되고 있음

Ø 가령 콘크리트 빔 속에 들어가는 직경 32mm의 철근을 1mm 이하의 CNT로 대체할 수 있는 것으로 알려져 있는데, 실용화된다면 구조물의 대폭적인 경량화에 기여할 수 있음

ž 이론적 가능성을 넘어 우주에서 실제로 CNT를 사용하려면 길이, 무결함, 내구성 등 산적한 과제를 해결해야 하는데, 현 시점에서 요원한 것들이지만 여러 실험이 시작되고 있음

Ø 일본에서는 2015년 4월부터 CNT의 내구성 연구와 관련해 우주 환경에서 노출하는 실험을 시작했으며, 2017년 7월에 2년간의 노출 기간을 마치고 시험체를 회수하여 손상 정도를 확인하였음

Ø 자외선, 방사선, 원자상 산소 등에 일정 기간 동안 노출된 CNT에 어떤 열화가 발생하는지 확인한 것인데, 자외선 등 한 가지 요소에 대한 환경 평가는 지상에서도 있었지만, 우주 공간처럼 여러 요소가 복합적으로 영향을 끼치는 환경에서 열화 평가로는 첫 시도였음

Ø 노출 실험에서는 CNT를 뭉친 소재를 사용했는데 직경은 20 마이크로미터였고, 비교를 위해 피복하지 않은 꼰 실과 에폭시 수지로 피복한 꼰 실을 준비하였음

Ø 에폭시 수지는 방사선이나 자외선으로 즉시 열화될 것을 알고 있었으므로, 고온, 마찰, 방사선, 여러 화학 약품 등에 대한 내구성이 강한 수지로 인공위성의 표면을 덮는 데 사용되는 폴리이미드 필름을 에폭시로 피복한 CNT 위에 깔았음

Ø 노출 실험 장소는 지상에서 400 km 부근을 비행하는 국제우주정거장(ISS) 일본 실험 구간의 선외 실험 플랫폼이었으며, CNT를 붙인 간이 노출 실험 장치(ExHAM)을 우주정거장 밖에 부착하였음

Ø  ISS 진행 방향의 전면과 후면에 CNT의 시험체가 오도록 배치하였고, 전면에서는 1년 동안, 후면에서는 1년 및 2년 동안 노출시킨 두 회수하였음

Ø 회수한 시험체를 전자 현미경으로 검토한 결과, ISS 진행 방향의 뒤쪽보다 앞쪽의 시험체가 더 크게 손상되었는데, 국제우주정거장은 초속 9km로 나아가기 때문에 전면의 원자상 산소가 CNT에 부딪쳐 산화가 보다 쉽게 된 것으로 분석됨

Ø 노출 실험이 이루어진 지상 400km 부근은 전리층의 열권이라 불리는 공간인데, 산소 등의 분자 상태가 유지되지 않고 원자 별로 나누어 ‘원자상 산소’가 존재하는 것으로 나타났음

Ø CNT의 인장 강도 저하율은 전면의 경우 노출 후 50% 정도. 뒷면의 경우 20% 정도로 확인되었으며, 노출 기간의 차이가 손상 정도에 미치는 영향은 작은 것으로 밝혀졌음

Ø 이번 실험의 의의는 지구에서 우주 엘리베이터의 와이어를 연장해 갈 때, 원자상 산소의 영향을 받는 구간이 있다는 것을 밝혀낸 것임

Ø 앞으로 일본은 방사광 측정 등을 통해 상세한 분석을 진행하여 원자 수준에서 손상 메커니즘을 규명할 예정이며, 또한 CNT의 손상을 억제하기 위해 코팅 등의 내구성 향상 대책을 연구개발해 나간다는 계획임

ž CNT 외에도 우주 엘리베이터를 구현하기 위해 필요한 기술 요소는 다양하지만, CNT와 같은 신소재의 등장은 공상으로 여겨지던 아이디어의 현실화에 강한 모멘텀이 되고 있음

Ø 우주 공간에서 열화 문제 외에도, 아직 긴 섬유 형태로 CNT를 양산하는 기술을 아직 발견하지 못하는 등 와이어 자체만 해도 앞으로 기술 개발이 필요한 부분이 많이 있음

Ø 와이어 이외에도 연구개발 해야 할 과제는 아주 다양한데, 가령 각국의 우주 엘리베이터 협회는 와이어를 오르내리는 자율주행 클라이머 개발을 이벤트 형식으로 진행하고 있음

Ø 수백 kg 무게를 감당할 부력이 있는 풍선을 띄우고 거기에서 CNT가 아닌 기존 소재로 만든 밧줄을 지상에 내려뜨린 뒤 이를 클라이머가 오르내리게 하는 대회를 개최하고 있음

Ø 대회에 출전하는 클라이머는 열차 모양의 소형 로봇으로 보면 되는데, 풍선과 지상의 거점을 어떤 경로, 어떤 방식으로든 이동해 가장 먼저 왕복하는 로봇이 승자가 됨

Ø 현재 대회에 사용되는 와이어의 길이는 최대 1250m로 3만 6천 km에 도달하기 위한 장대한 로드맵을 감안하면 겨우 첫발을 뗀 셈이라 할 수 있음

Ø 기술적으로는 30 km 높이까지는 실험이 가능하다고 하는데 클라이머에 가장 어려운 것이 바로 그 높이로. 아래쪽은 1기압에 더우면 40℃까지 올라가고, 위쪽은 0.05 기압에 영하 50℃ 정도까지 내려가기 때문

Ø 그만큼 환경이 급변하는 구간을 시속 100km 이상으로 승강하려면 최대한의 신뢰성이 필요한데, 우주 엘리베이터 구현까지는 이런 류의 수 많은 과제를 해결해 나가야 함

ž 중국이 우주산업 굴기를 표방하고 있고 미국도 우주 개발 리더십 회복을 기치로 내거는 등 연구가 본격화 될 조짐이어서 향후 더 풍부한 연구 성과들이 소개될 것으로 전망

Ø 우주 개발은 여전히 공상의 영역으로 인식되며 한동안은 투자가 주춤한 모양새였지만, 인공지능(AI), 로보틱스, 나노, 3D 프린팅 등 기술이 급속히 발전하고 여러 신소재가 등장함에 따라 선진국들은 우주개발 연구를 다시 본격화 할 움직임을 보이고 있음

Ø 중국은 지난 2016년 12월 ‘중국 항천 백서’를 발표하고 우주개발 5개년 계획을 발표했는데, 이에 따르면 2018년 달의 뒷면을 탐사하고 2020년에 화성을 탐사하는 것으로 되어 있으며, 만일 성공한다면 중국의 우주개발 능력은 미국과 러시아 수준으로 올라서게 됨

Ø 미국도 현재 시점을 우주에서 인류의 활동이 시작되려는 여명으로 규정하고, 인류가 새로운 기회와 새로운 도전을 가져 올 전환점에 서 있다는 점을 강조하고 있음

Ø 마이크 펜스 미국 부통령은 지난 달 열린 우주 재단(Space Foundation)의 34회 연례 심포지엄에서 트럼프 행정부는 우주에서 미국의 리더십을 복구하겠다고 약속하며 우주 탐사에 대한 대담한 계획을 발표하였음

Ø 이에 따르면 미국은 2024년까지 화성에 초대형 우주선을 보낼 것이며, 달에 얼음으로부터 로켓 연료를 만들어내는 작업기지를 건설하게 될 것이고, 최초의 소행성 채굴 프로젝트를 통해 상당 량의 가치 있는 미네랄을 확보할 수 있게 될 것임

Ø 그리고 이러한 성과들이 계획대로 이루어지면, 비록 30여년 정도 더 걸릴 것으로 보이지만, 달에 최초의 우주 엘리베이터를 구축하는 차세대 우주기술 혁신의 단계로 접어들 수 있을 것으로 보고 있음

Ø 손에 와 닿는 우주 개발은 아직 요원해 보이지만, 최근 수년간 특이점을 넘어선 기술이 얼마나 혁명적 변화를 가져올 수 있는지 목도하고 있는 점을 감안하면, 우주 개발 역시 예상보다 훨씬 이른 시점에 이론적 가능성을 현실로 바꾸어낼 수 있을 지 모름