기발한 아이디어로 우주에 도달

새로운 아이디어 덕분에 성간 우주에 도달하는 것이 생각보다 훨씬 간단해질 수 있습니다. 본질적으로 태양열 원심분리기로, 태양계를 벗어나는 데 필요한 탈출 속도보다 더 빠른 속도로 작은 탐사선을 발사할 수 있습니다. 아이디어를 생각해낸 과학자 데이비드 키핑은 성간 임무를 수행하는 것은 "인류가 직면하게 될 가장 어려운 문제 중 하나"라고 말했습니다. 영화 "인터스텔라"에 등장한 로봇의 이름을 딴 TARS는 다른 별들 로 여행하는 수단이 될 가능성이 있습니다. 핵융합로, 기가와트 레이저, 심지어 화학 로켓도 필요하지 않습니다. 뉴욕 컬럼비아 대학교 천문학 교수인 키핑은 두 개의 패들로 구성될 것이라고 예상했는데, 각 패들의 한쪽 면은 반사 코팅이 되어 있고 다른 쪽 면은 어두운 코팅이 되어 있습니다. 패들은 서로 다른 각도로 배치되어 반사면이 반대 방향을 향하게 됩니다. 두 패들은 끈으로 연결되어 있을 것입니다. 태양돛 처럼 햇빛이 반사면을 밀어내 회전시킵니다. 회전 속도는 점점 더 빨라져 임계 속도에 도달하면 휴대전화만 한 아주 작은 우주선이 고속으로 튕겨져 나갑니다. 배터리와도 같은 역할을 하는데, 태양 에너지로 충전한 후 운동 에너지로 방출할 준비가 될 때까지 충전합니다. 키핑은 컬럼비아대 공과대학 학생 캐서린 램포와 함께 작성한 논문에서 두 패들은 밧줄로 분리되어 있으며, 작은 우주선을 발사할 수 있습니다. 궤도 운동과 새총 속도를 합치면 이 장치는 태양계를 벗어나 성간 우주로 진입하는 데 필요한 초속 이상의 속도를 낼 수 있습니다. 하지만 그 최종 속도로 여행한다면 멀리 떨어진 알파 센타 우리에 도달하는 데 3만 년 이상이 걸릴 것입니다. 긍정적인 측면은, 속도를 더욱 높일 수 있는 방법들이 있다는 것입니다. 키핑은 기본 설계 측면에서 방출 속도를 결정하는 두 가지 요소가 있다고 말합니다. "첫 번째는 충전 시간이지만, 가장 중요한 것은 질량에 대한 인장 강도인 비인장 강도입니다." 인장 강도는 재료가 파괴되기 전까지 견딜 수 있는 최대 하중을 나타내며, 사용된 재료에 따라 결정됩니다. 키핑은 시중에서 구할 수 있는 가장 강한 재료는 시중에서 구할 수 있는 탄소 나노튜브 시트였으며, 그의 논문에서 계산은 이를 기반으로 합니다. 그러나 미래에는 그래핀을 산업적 규모로 제조할 수 있는 방법을 찾을 수 있을 것입니다. 그래핀은 탄소 나노튜브보다 훨씬 높은 인장 강도를 가지고 있기 때문에 훨씬 더 나은 재료가 될 것입니다. 키핑은 이를 통해 방출 속도가 크게 향상될 것이라고 말합니다. 다른 기술로는 "오베르트 효과"를 활용하는 것이 있습니다. 이는 우주선이 태양을 향해 이동할 때 가속도를 내어 태양의 중력에 의해 멀어질 때 우주선의 속도가 증가하는 것입니다. 시험 시설의 바닥에는 크고 반짝이는 천 조각 네 개가 놓여 있었습니다. 하지만 그쪽에 문제가 있습니다. 점차적으로 태양 복사열의 영향으로 태양으로부터 멀어지기 시작하고, 태양에서 멀어질수록 받는 햇빛이 줄어듭니다. 햇빛은 역제곱 법칙에 따라 감소하므로, 태양으로부터 두 배의 거리에서 햇빛을 네 배 적게 받게 됩니다. 키핑은 이미 해결책을 가지고 있습니다. 바로 준거점입니다. 이는 스테이타이트라는 개념의 변형으로, 일종의 태양돛입니다. 다만 햇빛의 외압과 태양 중력의 내압이 완벽하게 균형을 이루도록 설계되었습니다. 따라서 스테이타이트 태양돛은 실제로는 아무 데도 항해하지 않습니다. 이에 비해 준거점은 약간 불균형을 이루며, 외부 복사압보다 중력을 더 크게 느껴 태양을 향해 떨어지게 됩니다. 그러나 살짝 옆으로 밀면 태양 주위 궤도를 유지할 수 있는데, 이는 위성이 지구 주위를 자유낙하하는 것과 유사합니다. 즉, 항상 지구의 중력에 의해 떨어지지만, 지구의 곡선을 따르는 궤적을 따라 떨어집니다. 키핑은 "준천체의 경우 중력이 여전히 우세하기 때문에 태양으로 떨어지려고 하기 때문에 궤도를 유지하려면 약간의 움직임이 필요하지만 그 궤도는 매우 느릴 것입니다."라고 말했습니다. 콰사이트가 돋보이는 이유는 바로 요하네스 케플러의 궤도 운동 법칙을 따르지 않기 때문입니다. 예를 들어, 수성 의 궤도 속도는 지구보다 훨씬 빠른데, 이는 수성이 태양에 훨씬 더 가깝기 때문입니다. 반면, 콰사이트는 수성과 같은 거리에서 태양을 공전하지만 지구보다 느린 속도로 공전할 수 있습니다. 준성체가 되면 태양으로부터 멀어지는 것을 막을 수 있고, 거리를 유지하고 받는 태양 에너지의 양을 극대화할 수 있습니다. 이론상으로는 최대 속도 제한이 없지만, 빛의 속도 의 상당 부분에 해당하는 상대론적 속도에 도달하려면 설계 크기가 기하급수적으로 커져야 합니다. 실제로는 퀘이사이트와 오베르스 효과, 그래핀 구조, 전자기장, 그리고 초기에 회전시키는 무언가를 결합함으로써 발사된 소형 우주선은 최대 초속의 속도에 도달할 수 있는데, 이는 빛의 속도에 해당합니다. 이런 속도로 움직이는 우주선은 알파 센타우리 항성계에 도달할 수 있습니다. "사람들은 평생 알파 센타우리에 도달할 수 없을 거라고 늘 말하지만, 어떤 면에서는 누가 신경 쓰겠어요?" 키핑이 말했다. "우리가 만드는 우주 시스템이 인간의 생애 동안 완성 주기를 모두 마쳐야 한다고 고집하는 건 매우 이기적인 것 같아요. 우리가 하려는 건 우리 후손들에게 더 나은 세상을 물려주는 것이고, 성간 우주 탐사는 여러 세대에 걸쳐 점진적으로 진행되는 활동이에요. 그곳에 도착해서 사진을 찍고 다시 가져올 수만 있다면, 그럴 만한 가치가 있는 일이죠." 물론 아직은 단지 논문상의 개념일 뿐이지만, 키핑은 몇몇 민간 우주 비행 회사로부터 관심을 받았다고 밝혔습니다. 그 회사는 큐브위성 크기 프로토타입을 공급하면 다음 발사 때 무료로 우주 공간을 제공하겠다고 제안했습니다. "아직 출시할 프로젝트가 없어서 일단 보류해야 했어요!" 키핑이 말했다. "어쩌면 나중에 그 제안을 받아들일 수도 있겠네요. 공과대 학부생들이 만들 수 있는 프로젝트라고 생각합니다." 학부생이 성간 임무 구축에 도움을 줄 수 있다는 발상은 놀랍지만, 키핑이 보고 있는 잠재력은 바로 그것입니다. 시제품 개발의 핵심적인 엔지니어링 어려움은 배치 과정입니다. 마이크론 두께의 패널을 펼치고, 원격 측정 데이터를 지구로 전송하여 팀이 패널이 제대로 회전하고 공전하지 않는지 확인해야 하기 때문입니다. 움직이는 부품이 적고 디자인이 단순할수록 좋습니다. 실제로 키핑은 자신의 원래 디자인을 수정하여 고정줄을 제거하고 패들을 양쪽으로 가늘어지는 단일 구조로 결합했습니다. "사람들은 '누군가 워프 드라이브를 발명할 때까지 기다리지 않느냐'고 말하지만, 저는 지금 당장 시작하는 게 낫다고 생각합니다. 그렇게 된다는 보장은 없고, 앞으로 여러 세대가 우리 투자의 혜택을 누릴 테니까요."라고 다른 연구자들이 설계를 개선할 수 있는지 알아보기 위해 퍼블릭 도메인으로 공개한 키핑은 말했다. "제 생각은 가능한 모든 아이디어를 모아야 한다는 것입니다. 선택지가 많을수록 그 아이디어들을 조합하면 우주에 갈 수 있을지도 모릅니다."