우주선의 미래 (1)

영화 스타워즈를 보면 다양한 종류의 우주선을 전편에 걸쳐서 볼 수 있다. 4편부터 최근에 나온 7편에까지 출현한 밀레니엄 팰콘호는 아래의 사진에서 보듯이 현재 사용되고 있는 인류의 우주선과는 많이 다르게 생겼다. 물론 우주 공간은 공기의 저항이 없기 때문에 다양한 형태의 우주선을 만들 수는 있다. 하지만, 영화에서처럼 지구와 같은 혹성에서 중력을 이기고 날아올라 우주 여행을 하는 기능을 이러한 형태의 우주선에 구현하는 것은 아직까지 불가능하다.

영화 스타워즈의 밀레니엄 팰컨호 Millennium Falcon (http://starwars.com)

또 하나의 유명한 우주선으로는 외화 스타트랙에 나오는 엔터프라이즈호가 있다. 역시 대기권 내의 공기 저항을 무시한 형태지만, 극 중에서는 우주 뿐만 아니라 대기권도 가끔 진입하는 것으로 그려진다. 우주선 자체의 쉴드가 있고 선체도 내열 설계된 것으로 설정되었다고 볼 수 있지만, 지상에 착륙하기에는 매우 어렵게 제작되어있다. 극 중에서 엔터프라이즈호는 매우 빠른 속도로 드넓은 우주를 항행한다. 그러기 위해서는 매우 효율이 좋은 엔진이 필수적인데, 적은 연료로 고속을 내는 엔진의 개발도 현재는 불가능하지만, 워프까지하는 이 엔터프라이즈호는 아직까지 환상 그 자체라고 할 수 있다.

외화 스타트랙에서 나오는 엔터프라이즈 (Enterprise)호 (http://http://onceuponageek.com)

이처럼 우주를 배경으로 하는 SF 영화에 나오는 우주선들은 대부분 현재의 기술력으로 제작할 수 없다. 영화에서는 혹성과 혹성 또는 별과 별 사이의 까마득한 공간을 쉽게 이동하는 우주선이 대거 등장하지만, 우리가 만든 유인 우주선은 아직까지도 달까지 여행한 것이 최고일 뿐이다. 얼마나 시간이 흐르면 이런 기술적인 부분들이 해결될 수 있을까?

현재의 우주선은 로케트라고 부르는 발사체에 실려 우주 공간으로 발사된다. 로케트는 지구의 중력을 벗어나기위해 엄청난 양의 액체 산소와 등유 또는 고체 연료를 태우며 날아오른다. 중력을 이길 수 있는 초속 11km의 속도를 내기 위해서 거대한 엔진과 무지막지한 양의 연료가 필요한 것이지만, 다시 말하면 엔진의 효율 자체가 충분하지 않기 때문이다. 그렇기 때문에 한번의 발사에 많은 비용이 들고, 가득 채워진 연료로 인하여 폭발 사고도 간혹 발생한다. 

Space X사의 로케트 Falcon 9의 발사 장면 (http://www.spacex.com)

또한, 엔진이 충분하지 않기 때문에 로케트가 우주 밖으로 올릴 수 있는 우주선의 크기도 상당히 제한적이다. 미국 항공우주국이 달과 화성의 탐사를 위하여 현재 야심차게 준비하고 있는 유인우주선 오리온의 무게는 23톤 정도에 불과하다. 하지만, 이 우주선을 올리기 위한 로케트 1단 부분의 중량만 980톤에 이를 정도로 어마어마한 연료의 소비가 불가피하다. 엔진 추력 부족 문제는 우주 공간에서도 나타난다. 우주선이 중력권에서 벗어났기 때문에 날기 위한 연료 소모는 필요치 않지만, 화성같은 다른 혹성을 가기 위해서는 그 혹성 근처로 가는 궤도의 진입이 필요한데, 그러기 위해서는 순간적으로 큰 출력이 필요하다. 다시 한번 많은 양의 연료가 필요한 순간이지만, 로케트의 한계로 충분한 양의 연료를 실어오기도 어렵다. 그래서 우주 공간에 있는 유성이나 혜성 등에 있는 물과 같은 자원을 채취해서 사용하는 방안이 논의 중이기는 하지만, 실용화 되기까지는 시간이 필요할 것으로 생각된다. 우주 공간에서 사용하는 엔진도 출력이 부족한 것은 마찬가지다. 인공위성이나 유인 우주선에 사용되는 엔진은 단일 또는 다중 추진제를 사용하는 고전적인 것에서 이온젯, 아크젯 등의 새로운 기술이 적용되고는 있지만 출력은 생각보다 매우 작다.

미 항공우주국의 차세대 유인 우주선 오리온 Orion (https://en.wikipedia.org)

 

결국 SF 영화에서처럼 항성간의 자유로운 여행을 위해서는 다음과 같은 기술이 필요하다.

- 기존의 로케트 기술과는 전혀 다른 기술로 중력을 극복하고 날아오를 수 있어야 한다. 아직까지 개발되지 않은 기술이고, 개발될 가능성이 있는지조차 알 수 없는 상태이지만, 반드시 이 기술이 있어야 SF 영화처럼 저렴하고 자유롭고 또 안전한 우주 여행을 할 수 있다. 중력을 조절할 수 있다면 우주 공간에서도 아주 적은 출력의 엔진으로도 고속을 낼 수 있다.

- 중력의 영향을 조절할 수 없다면 아주 효율이 좋고 추력이 큰 로켓 엔진이 필요하다. 그래야 빠른 궤도로 진입할 수 있고 혹성간 또는 항성간의 여행을 조금이나마 꿈꿔볼 수 있다.