태양광으로 가는 우주 범선

글쓴이
최성우
등록일
2004-10-13 13:12
조회
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댓글
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Image: Babakin Space Center, The Planetary Society (c).


SF소설이나 영화에서나 나오던 것들이 속속들이 현실화되고 있는 시대이기는 하지만, 최근 들어서 인간의 상상력에 대하여 감탄하지 않을 수 없는 경우가 더욱 많아지고 있다. 작년 9월에는 미국 로스 알라모스에서 탄소나노튜브로 만들어진 천 등을 이용한 ‘우주 엘레베이터’의 실현 가능성을 검토하는 회의가 열린 적이 있다. 바벨탑을 연상시키는 우주 엘리베이터는 수십 년 전에 통신위성을 제안한 장본인이자 현존하는 최고의 SF작가로 불리는 아서 클라크의 소설 ‘파운틴 오브 파라다이스(Fountain of Paradise)’에서 등장한 바 있다.

또 얼마 전에는 ‘태양광으로 가는 우주범선’에 관한 외신보도가 우리의 관심을 모은 바 있다. SF만화 등에서나 자주 등장했을만한 이 우주범선은 미국과 러시아의 과학자들이 올 연말이나 내년 초에 지구 궤도에 쏘아 올려 시험할 예정이라고 한다. ‘코스모스 1호(Cosmos Spacecraft, ISZ Kosmos 1)’ 라 이름 붙은 우주범선의 발사는 ‘콘택트’의 원작자이기도 했던 저명한 천문학자 칼 세이건의 부인 등이 설립한 영화제작사 코스모스 스튜디오와 미국 행성협회가 공동으로 추진하고 있다.
코스모스 1호는 폭이 10m가 넘는 돛을 여러 개 달게 되는데, 돛은 거울처럼 태양광을 반사할 수 있는 재질로 코팅되어 있고 두께가 대단히 얇기 때문에, 범선 전체의 무게는 100kg 정보밖에 되지 않는다고 한다. 그런데 코스모스 1호는 어떤 동력으로 머나먼 우주를 항해할 수 있으며, 얼마나 빠르게 움직일 수 있을까?

빛이 물체에 부딪히거나 반사하게 되면 아주 미약하나마 힘을 받게 되는데, 그것을 ‘광압(Light Pressure)’라고 한다. 미시적으로 해석하자면 빛은 전자기파인 파동의 일종이면서도 입자의 성질을 함께 지니고 있기 때문에, 빛의 입자 상태인 광자는 정지 질량은 없지만 에너지와 운동량을 지니고 있다. 따라서 광자들이 우주범선의 돛에 충돌, 반사하게 되면 그 힘을 통해서 범선이 전진하는 것이다.

태양에서 비교적 가까운 곳에서는 우주 범선이 순수한 광압만을 받는 것은 아니다. 태양에서는 가시광선 등과 같은 전자기파만 나오는 것이 아니라, 양성자, 전자, 원자핵 등과 같은 상대적으로 무거운 입자들도 방출되고 있는데, 이를 ‘태양풍(Solar Wind)’이라고 부른다. 지구 부근에서도 세제곱 센티미터당 100개 정도까지의 태양풍 입자가 초속 수백킬로미터의 속력으로 날아오고 있고, 태양 표면에서 흑점 폭발과 같은 변화가 있을 때에는 태양풍의 양과 속력은 더욱 급증하게 된다. 혜성의 꼬리가 태양과 항상 반대방향으로 보이고 태양에 근접할수록 커지는 것도 순수한 광압에 의한 영향이라기보다는, 태양풍으로 인한 효과가 더욱 큰 것으로 알려져 있다.
그러나 태양풍 입자들은 빛의 속도에 비하면 상당히 느리고, 돛에 의하여 반사하거나 정지하지는 않기 때문에 범선에 미치는 힘은 광압의 백분의 일 이하인 것으로 알려져 있다.

태양광에 의해 동력을 얻는다고는 하지만, 우주 범선이 맨 처음에 받는 압력은 매우 미약한 수준이다. 그러나 우주 공간에는 마찰이나 공기 저항 등이 없기 때문에 시간이 지날수록 범선은 급속하기 가속을 받게 되어, 하루가 지나면 시속 160km, 100일이 지나면 시속 16,000km 정도로 빨라질 것이라고 한다.

이론상으로는 명왕성까지 가는 데에도 5년 정도면 가능할 것으로 얘기되는데, 이는 화학연료를 쓰는 현재의 로켓보다도 더 빠른 셈이다. 더구나 고가의 연료가 전혀 들지 않으므로 훨씬 저렴한 비용으로 먼 곳까지 항해할 수 있다는 장점이 있다. 다만 빛의 세기는 거리의 제곱에 비례하여 약해지기 때문에, 우주 범선이 목성 바깥으로는 제대로 항해하기 어렵지 않겠느냐는 지적도 있다. 그러나 이런 경우에는 태양광 대신에 강력한 레이저 빔을 이용하여 돌파할 수 있을 것이라고 주장하기도 한다.

우주범선에 대한 개념이 처음 나온 것은 놀랍게도 약 400년 전으로, 행성의 운행 법칙을 세운 저명한 천문학자 ‘케플러(Johannes Kepler; 1571-1630)’가 큰 거울로 우주범선을 만들면 우주여행을 할 수 있을 것이라고 제안한 바 있다. SF와 상상 속에서만 가능할 것으로 생각되었던 우주범선이 현실화된다면, 우주여행뿐 아니라 혜성이나 소행성의 표본 등을 채취하여 우주의 여러 비밀을 밝히는 데에도 활용할 수 있을지도 모른다.


  • 공학자 ()

      근데 태양에서 멀어지는건 광압으로 어떻게 한다고 해도, 다시 돌아오는건 어떻게 하나요? 예전에 물리시간에 배운 기억에 따르면, 거울 대신 빛을 흡수하는 검정 종이 같은 것을 쓰면 '빨려'들어갈 수도 잇다고 한것 같은데..

  • 공학자 ()

      하지만 좀 이상하죠. 운동량은 방향이 있는 벡터량인데.. 그 방향을 뒤집는다.. 어쩌면 우주 범선은 태양에서 멀어지는건 되도 영영 돌아올 수 는 없는것 아닌가요?

  • 최성우 ()

      돛의 각도를 바꿔 줌으로써 태양 쪽으로도 항해할 수 있다고 합니다.  '주최측'의 설명을 그대로 옮기자면, 다음과 같습니다.
    Thrust can be generated inward or outward with respect to the sun. By turning the sail at different angles, we can add or subtract velocity to the spacecraft. When we add velocity, the sail flies away from the Sun. When we subtract velocity, its orbit spirals inward.

  • 박정규 ()

      정말 마찰이나 저항이 없나요.. 모래알 수준도 속도가 저정도 되면 무시 못할꺼 같은데.....

  • 박성주 ()

      돛의 크기에 약간의 수정이 필요한것 같습니다. 제가 알기로는 수십km 로 펼친다는것으로 알고 있습니다만..그리고 이론상 빛의 속도 몇십분의 일까지 속업이 가능하다고 하더군요.  그리고 일단 목적지 까지 속도가 붙게 되면 3분의 1 지점까지는 정가속도이고 그쯤가면 이제 멈출준비를 해야죠.

  • 최성우 ()

      우주공간은 거의 진공이라고 볼 수 있기 때문에, 마찰이나 저항은 0으로 봐도 무방합니다. (즉 지구 대기층의 공기 저항 등에 비한다면 무시할만한 수준이라는 것이지요...) 
    제 생각에는 더 우려되는 것이, 소행성이나 혜성(혹은 그 조각이나 운석), 우주 쓰레기 등과 충돌하여 돛에 손상이 가는 경우가 아닐까 합니다. (그 확률이 얼마나 될지는 잘 모르겠습니다만...) 우주범선은 기존의 우주탐사선에 비해 면적이 넓고 돛은 매우 얇은 막(두께 5미크론)으로 구성되어 있어서 운석 등과 충돌 시에 훨씬 큰 피해를 입지 않을까 생각됩니다...

  • 최성우 ()

      그리고 돛의 크기에 대해서... 수십km까지 펼쳐지도록 크지는 않습니다.  약간 더 정확히 하자면 긴 쪽이 약 15m 정도입니다... (역시 '주최측'이 밝힌 바입니다.) The Cosmos 1 has eight rotating solar sail blades. Each one is triangular in shape, about 15 meters (50 feet) in length. The total area is 600 square meters.
    그리고 이론상 빛의 속도의 1/10정도까지 가속이 되려면 약 1,000년이 걸린다고 합니다.

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