1960년대에 사람들이 처음 우주 탐사를 시작했을 때 1파운드의 페이로드를 지구 저궤도에 넣는 데 80,000달러(인플레이션 조정) 이상이 들었다.

이렇게 높은 비용이 드는 주된 이유는 매번 발사할 때마다 값비싼 새 로켓을 제작해야 하기 때문이다. 그것은 SpaceX가 저렴하고 재사용 가능한 로켓을 만들기 시작했을 때 실제로 바뀌기 시작했으며 현재 회사는 파운드당 단 1,300달러의 가격으로 고객 페이로드를 LEO에 운송하고 있다.

이것은 이전에는 결코 감당할 수 없었던 과학자, 신생 기업 및 관광객이 접근할 수 있는 우주를 만들고 있지만 궤도에 도달하는 가장 저렴한 방법은 로켓이 아니라 엘리베이터일 수 있다.

우주 엘리베이터

우주 엘리베이터의 씨앗은 1895년 러시아 과학자 콘스탄틴 치올코프스키에 의해 처음 심어졌다. 그는 1,000피트 높이의 에펠탑을 방문한 후 22,000마일 높이의 구조물 건설에 관한 논문을 발표했다.

이렇게 하면 물체가 지구 표면 위에 고정되어 있는 것처럼 보이는 고도인 정지 궤도에 접근할 수 있지만 치올코프스키는 어떤 물질도 그러한 탑의 무게를 지탱할 수 없다고 인정했다.

1959년, 스푸트니크 직후 러시아 엔지니어 유리 N. 아르슈타노프는 이 문제를 해결하는 방법을 제안했다.

더 구체적으로, 그는 정지궤도에 인공위성을 배치하고 그 위성에서 지구의 적도까지 밧줄을 떨어뜨릴 것을 제안했다. 테더가 하강하면 위성이 상승한다. 지구 표면에 부착되면 중력과 원심력의 조합 덕분에 끈이 팽팽하게 유지된다.

그런 다음 전기로 구동되는 "등반" 차량을 테더 위아래로 보내 페이로드를 지구 궤도에 전달할 수 있다.

약 20년 전 NASA에서 이 개념을 연구한 물리학자 브래들리 에드워즈(Bradley Edwards)에 따르면 우주 엘리베이터를 만드는 데 100억 달러가 소요되고 15년이 걸리지만 일단 작동되면 페이로드를 지구 궤도로 보내는 데 드는 비용은 파운드당 100달러로 낮다.

에드워즈는 2005년 Space.com에 "비용을 거의 Fed-Ex 수준으로 낮추면 많은 사람, 많은 국가 및 많은 회사가 우주에 참여할 수 있는 문이 열린다."고 말했다.

경제적 이점 외에도 우주 엘리베이터는 로켓을 사용하는 것보다 더 깨끗할 것이다. 연료가 연소되지 않고 유해한 온실 가스 배출이 없을 것이다. 새로운 운송 시스템은 우주 쓰레기 문제에 기여하지 않을 것이다. 소모성 로켓이 하는 정도.

그런데, 왜 아직 가지고 있지 않을까?

테더 문제

에드워즈는 NASA에 제출한 보고서에서 우주 엘리베이터를 만드는 데 필요한 모든 기술은 가벼우면서도 가해지는 모든 거대한 힘을 견딜 수 있을 만큼 충분히 강해야 하는 밧줄을 만드는 데 필요한 재료를 제외하고 이미 존재한다고 썼다.

보고서에 따르면 희소식은 탄소의 초강력 초소형 "나노튜브"라는 완벽한 소재가 불과 2년 안에 가능하다는 것이다.

"강철은 충분히 강하지 않으며 케블라, 탄소 섬유, 거미줄 또는 탄소 나노튜브 이외의 다른 재료도 강하지 않다."고 에드워즈는 썼다. "다행히 우리에게 탄소 나노튜브 연구는 현재 매우 뜨겁고 상업 생산으로 빠르게 진행되고 있다."

불행하게도, 그는 탄소 나노튜브를 합성하는 것이 얼마나 어려운지 잘못 판단했다. 지금까지 아무도 21인치보다 더 길게 만들 수 없었다.

이 소재에 대한 추가 연구 결과 극한의 스트레스 하에서도 해어지는 경향이 있는 것으로 나타났다. 그들은 우주 엘리베이터를 파괴할 뿐만 아니라 지구상의 생명을 위협하는 스냅의 위험에 처할 것이다.

전망

탄소 나노튜브는 우주 엘리베이터용 테더 소재로서 초기 선두주자였을지 모르지만, 나노튜브보다 이미 확장하기 쉬운(여전히 쉽지는 않지만) 기본적으로 탄소의 2차원 형태인 그래핀을 포함한 다른 옵션이 있다.

에드워즈의 보고서와는 달리 존스홉킨스대학교 연구원인 션 선과 댄 포페스쿠는 케블라 섬유가 작동할 수 있다고 말한다.

연구원들은 2018년 Aeon에 "센서와 인공지능 소프트웨어를 사용하여 섬유가 언제, 어디서, 어떻게 끊어질지 예측하기 위해 전체 테더를 수학적으로 모델링하는 것이 가능할 것"이라고 썼다.

"그들이 그렇게 했을 때, 밧줄을 위아래로 순찰하는 빠른 로봇 등반가가 그들을 교체하고 필요에 따라 유지 관리 및 수리 비율을 조정하여 생물학적 과정의 민감성을 모방했다."라고 그들은 계속했다.

케임브리지 대학과 컬럼비아 대학의 천문학자들은 지구가 아닌 달에서 제작한다면 케블라가 우주 엘리베이터에 사용될 수 있을 것이라고 생각한다.

그들은 그들의 개념을 Spaceline이라고 부르며, 아이디어는 달 표면에 부착된 밧줄이 지구의 중력에 의해 팽팽하게 유지되는 지구의 정지 궤도를 향해 확장될 수 있다는 것이다. 그런 다음 로켓을 사용하여 이 200,000마일 이상의 테더 끝에 위치한 태양광 동력 등반 로봇에 페이로드와 잠재적으로 사람을 전달할 수 있다. 그런 다음 봇은 줄을 타고 달 표면까지 이동할 수 있다.

이것은 지구 궤도에 진입하기 위해 로켓의 필요성을 없애지는 못하지만 달에 도달하는 데 더 저렴한 방법이 될 것이다. 연구원에 따르면 달 우주 엘리베이터에 작용하는 힘은 지구 표면에서 확장되는 힘만큼 강하지 않아 테더 재료에 대한 더 많은 옵션을 제공한다.

"재료의 필요한 강도는 지구 기반 엘리베이터보다 훨씬 낮기 때문에 이미 대량 생산되고 비교적 저렴한 섬유로 제작할 수 있다."고 그들은 사전 인쇄 서버 arXiv에서 공유되는 논문에 썼다.

한편, 일부 중국 연구자들은 우주 엘리베이터에 탄소 나노튜브를 사용하는 아이디어를 포기하지 않고 있다. 2018년 칭화 대학의 한 팀은 그들이 밧줄에 충분히 강하다고 말하는 나노튜브를 개발했다고 밝혔다.

연구원들은 여전히 생산 규모 확대 문제에 대해 연구하고 있지만 2021년 국영 뉴스 매체인 Xinhua는 지구와 달 위의 우주 엘리베이터로 구성되는 "Sky Ladder"라는 개발 중인 개념을 묘사한 비디오를 공개했다.

지구 기반 우주 엘리베이터를 타고 올라간 후 캡슐은 달 기반 우주 정거장의 밧줄에 연결된 우주 정거장으로 날아간다. 만약 프로젝트가 성사된다면 중국은 Sky Ladder가 사람과 물품을 달에 보내는 비용을 96%까지 줄일 수 있을 것으로 예측한다.

결론

치올코프스키가 에펠탑을 바라보고 훨씬 더 크게 생각한 이후 120년 동안 우주 엘리베이터에 필요한 특성을 가진 재료를 개발하는 데 엄청난 발전이 있었다. 이 시점에서 우리는 언젠가 테더에 필요한 규모로 제조할 수 있는 재료를 가질 수 있을 것 같다.

몇몇 항공 우주 회사는 자체 재사용 가능한 로켓으로 진전을 이루고 있으며 SpaceX와 함께 시장에 합류함에 따라 경쟁으로 인해 발사 가격이 더 떨어질 수 있다.

한편, 캘리포니아 스타트업인 SpinLaunch는 페이로드를 우주로 날려 보낼 수 있는 거대한 원심분리기를 개발하고 있다. 회사가 성공하면(또 다른 큰 조건 중 하나) 시스템이 궤도에 도달하는 데 필요한 연료의 양을 70%까지 줄일 것이라고 말한다.

SpinLaunch가 시작되지 않더라도 여러 그룹에서 유해한 배출물을 훨씬 적게(또는 전혀) 배출하지 않는 환경 친화적인 로켓 연료를 개발하고 있다. 생산 규모를 효율적으로 늘리려면 더 많은 작업이 필요하지만 그 장애물을 극복하는 것이 22,000마일의 우주 엘리베이터를 건설하는 것보다 훨씬 쉬울 것이다.