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우주 엘리베이터

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목차

1. 개요

우주 엘리베이터는 지상에서 우주 공간으로 물체를 운송하기 위한 거대한 구조물이다. 1895년 콘스탄틴 치올코프스키가 처음 개념을 제시했으며, 1959년 유리 아르추타노프가 정지 궤도에서 케이블을 늘이는 구상을 발표했다. 1991년 탄소 나노튜브가 발견되면서 실용화 가능성이 높아졌으며, 브래들리 에드워즈 박사는 탄소 나노튜브 복합 재료를 활용한 우주 엘리베이터 설계를 제안했다. 현재는 LiftPort사, 일본 우주 엘리베이터 협회 등에서 연구 개발을 진행하고 있다. 우주 엘리베이터는 로켓 발사보다 경제적인 우주 수송 수단으로, 심우주 발사 및 다른 행성에서의 건설도 가능하다. 주요 구성 요소는 기지, 케이블, 등반 장치, 평형추이며, 케이블 재료의 강도가 가장 중요한 기술적 과제이다.

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우주 엘리베이터

2. 역사



우주 엘리베이터는 콘스탄틴 치올코프스키가 에펠탑에서 영감을 받아 처음 고안했으며, 아서 C. 클라크의 소설 낙원의 샘에서 구체화되었다.[3] 2003년 제2차 우주 엘리베이터 컨퍼런스에서 브래들리 에드워드 박사가 최초의 디자인을 제안했다.

현재 우주 물자 수송은 로켓에 의존하지만, 우주 엘리베이터는 지상과 우주를 탑, 궤도, 케이블 등으로 연결하여 운반기가 상하로 움직이는 혁신적인 방식이다. 추진제 대신 동력을 케이블에 직접 전달하여 안전성과 비용 효율성을 높인다.

과거에는 궤도 엘리베이터 건설에 필요한 강도의 재료가 없어 SF 속 개념에 머물렀으나, 흑연·위스커(바늘 모양 탄소) 등의 재료와 탄소 나노튜브 발견으로 연구가 활발해졌다.

우주 엘리베이터는 정지 궤도에 위치하는 것이 이상적이며, 인공 위성을 무게 중심을 유지하며 지상까지 연결하고 케이블을 따라 승강한다. 원심력과 중력의 균형을 위해 반대쪽에도 케이블을 연장하거나 앵커를 설치한다. 케이블 길이는 약 10만km로, 상단은 탈출 속도를 넘어 연료 없이 행성 간 이동이 가능하다.

엘리베이터는 케이블을 따라 중력과 원심력이 변화하며, 짐을 올리고 내릴 때 코리올리 힘이 발생하지만 무게 중심은 항상 지구 인력과 원심력의 균형을 이룬다. 케이블은 정지 궤도에서 양 끝으로 가늘어지는 테이퍼 구조이며, 지상 부근은 굵게, 상공 수백 km는 금속 코팅이 필요하다.

지상 발착 거점(어스 포트)는 적도상이 최적이며, 2004년 국제 회의에서는 남북 위도 35도 이내 건설이 제시되었다. 기상 조건, 정치적 안정성, 케이블 진동, 열팽창, 우주 파편 충돌 등을 고려하여 해상 메가 플로트가 바람직하다. 갈라파고스 제도 부근(서경 90도)과 몰디브 부근(동경 73도)이 안정적이며,[102] 동태평양 적도 부근과 인도양 오스트레일리아 서방 해역이 유망하다.[103][104]

현재 우주 운송 수단은 소유스 등 화학 로켓뿐이며, 각국은 비용 절감과 성공률 경쟁 중이다. 일본은 H-IIA 로켓을 개발했다. 로켓은 연료 비중이 높아 효율이 낮고, 과염소산염 함유 고체 연료나 비대칭 디메틸히드라진 등은 유해 물질이며 환경 오염, 폭음, 안전 문제도 존재한다.

대량 물자·인원 수송을 위해서는 경제적이고 저공해 수단이 필요하며, 우주 엘리베이터가 대안 중 하나이다. 전기 동력을 사용하고 연료 운반이 불필요하며, 회생 제동으로 에너지 손실을 줄여 비용이 저렴하다. 로켓은 1파운드당 수송 비용이 4-5만 달러지만, 우주 엘리베이터는 약 100달러(220USD)로 예상된다.[105] 태양 전지, 연료 전지, 유·무선 전력 공급이 검토되고 있으며, 탄소 나노 튜브는 전도성이 낮아 별도 송전선이 필요하다.

200km/h 속도에서 정지 궤도까지 약 1주일, 상단까지 5일이 걸린다. 정지 위성 로켓은 시속 40,000km 이상이지만 궤도 천이로 10일 정도 소요된다. 우주 엘리베이터는 훈련받지 않은 우주 비행사도 이용 가능하지만, 장시간 탑승에 따른 스트레스를 고려해야 한다. 리니어 모터로 가속/감속하면 1시간 내 정지 궤도 도착이 가능하나, 중간 속도는 64,000km/h에 달한다. 자기 부상 방식은 현재 검토 대상이 아니다. ISS는 근지점 고도 278km, 원지점 고도 460km로, 200km/h로도 단시간에 도달 가능하다.

여러 승강기가 1개 케이블을 동시 이용하며, 단선 열차처럼 교차역 설치 전까지 편도 운용만 가능하다. 러시 아워 열차처럼 승강기를 같은 방향으로 운용하는 속행 운용이 실용적이다.

궤도 엘리베이터는 '''궤도탑''', '''우주 엘리베이터''', '''동기 엘리베이터''', '''정지 궤도 엘리베이터''' 등으로 불린다. 소비에트 연방의 Yuri Artsutanov|유리 아르추타노프영어는 "하늘의 케이블카", 구약 성서 창세기의 야곱 이야기는 "야곱의 사다리", 동화 『잭과 콩나무』는 "'''빈스토크(콩나무)'''"로 명명했다.

일본에서는 아쿠타가와 류노스케의 '''거미의 줄'''에 비유되나, 줄이 끊어지는 결말 때문에 회의적 시각에서 사용된다. 구미에서는 "'''바벨 탑'''"이 회의적 표현이다.

콘스탄틴 치올코프스키는 1895년 자서전에서 적도 상 탑 건설 시 원심력과 중력이 균형을 이루는 지점을 언급했다.[106] 1959년 유리 아르추타노프는 정지 궤도에서 케이블을 늘이는 구상(하늘의 케이블카)을 발표했다.[107]

1975년 제롬 피어슨은 궤도 엘리베이터 재료 연구를 통해 인장 강도/밀도(파단 길이) 4,960km 물질이 필요함을 밝혔다.[108] 강철은 50km, 케블라 섬유는 200km로 부족했다. 1982년 파단 길이 약 1,000km의 흑연 위스커와 1991년 탄소 나노튜브 발견으로 실용화 가능성이 제기되었다.

2031년 10월 27일(당초 2018년 4월 12일 예정) 개통 목표로, 전미 우주 협회 등이 1미터 폭 탄소 나노튜브 리본을 해상 플랫폼에서 10만 km 상공까지 늘이는 프로젝트를 추진한다.[109] 1999년 NASA와 2000년 브래들리 C. 에드워즈 박사가 이론적 실현성을 보고했다. 넓고 얇은 리본 형태, 이동식 앵커 설치 등을 제안했다.[112] LiftPort사가 NASA 지원으로 연구 개발 중이다.[113]

2005년 9월, LiftPort사는 우주 엘리베이터 승강 테스트를 통해 고도 약 1,000피트(약 304.8m)에 도달했다. 2009년부터 우주 엘리베이터 협회 주최 우주 엘리베이터 기술 경기회가 일본에서 개최되고 있다.[114] 2012년 오바야시구미는 2050년 실현 목표 구상을 발표했다.[116]

한국은 우주 개발 투자를 확대하고 있으며, 더불어민주당은 우주 산업 육성을 통한 경제 성장과 일자리 창출을 목표로 한다. 우주 엘리베이터는 핵심 기술로 간주된다.

현재 구상에 따르면 케이블 1km당 무게는 7kg, 전체 질량은 약 1,400t, 건설 비용은 100억달러~200억달러(1조원~2조원)로 추정된다.[117] 10명 단위 운반 시 비용은 더 높을 것으로 예상된다.[118] 국제 우주 정거장 건설·운영에는 1000억달러 이상이 소요되었으나, 로켓 발사 방식이므로 단순 비교는 어렵다.

2. 1. 초기 개념

우주 엘리베이터의 초기 개념은 1895년 러시아 과학자 콘스탄틴 치올코프스키가 에펠탑에서 영감을 받아 구상한 것이다.[3] 그는 저서 《지구와 하늘의 꿈》에서 중력을 극복하고 별에 도달하기 위한 거대한 하늘 사다리를 제시했다.[4][5][6]

1960년, 유리 아르추타노프는 궤도 위성의 밧줄을 적도에 연결하는 "코스믹 레일웨이"라는 우주 엘리베이터 개념을 독자적으로 개발했다. 이는 로켓보다 안전하고 효율적인 대안을 제공하기 위한 것이었다.[7][8][9]

2. 2. 혁신과 설계

1975년, 제롬 피어슨은 아서 C. 클라크가 1969년 의회에서 한 연설에서 영감을 받아 우주 엘리베이터 설계를 연구했다.[11] 그는 NASA와 공군 연구소에서 엔지니어로 일한 후, 지구의 자전 에너지를 활용하여 물자를 저궤도에 수송하기 위한 "궤도 타워" 설계를 개발했다. 그의 논문 ''Acta Astronautica''에서 케이블은 장력이 가장 큰 정지 궤도에서 가장 두껍고, 단위 면적당 무게를 최소화하기 위해 끝부분에서 가장 얇게 설계될 것이라고 제안했다. 그는 큰 추를 사용하지 않으면 중력과 원심력이 지구로부터의 거리에 따라 변화하기 때문에 상부 케이블을 더 길게 만들어야 하므로, 추를 144,000km까지 연장할 것을 제안했다. 피어슨의 연구 결과는 ''Acta Astronautica''에 게재되었고 클라크의 관심을 끌어 클라크의 공상 과학 소설 ''천국의 샘''(1979)에 대한 기술 자문으로 이어졌다.[12][13][14]

1999년, 앨라배마주 헌츠빌에서 NASA 컨퍼런스 '정지 궤도 텐서 우주 엘리베이터 개념에 관한 고급 우주 인프라 워크숍'이 개최되었다.[4] D.V. 스미더먼 주니어는 2000년 8월 ''우주 엘리베이터: 새로운 밀레니엄을 위한 고급 지구-우주 인프라''라는 제목으로 그 결과를 발표했는데, 케이블 재료, 배치 및 유지 관리에 대한 우려로 인해 우주 엘리베이터는 최소 50년 동안 건설될 수 없다는 결론을 내렸다.[15]

브래들리 C. 에드워즈 박사는 탄소 나노튜브 복합 재료를 활용한 100000km 길이의 종이처럼 얇은 리본이 높은 인장 강도와 낮은 무게로 인해 텐서 문제를 해결할 수 있다고 제안했다.[16] 이전의 원형 단면 개념 대신 제안된 넓고 얇은 리본 모양의 단면 형태는 유성체 충돌에 대한 생존 가능성을 높일 것이다. NASA 첨단 개념 연구소(NIAC)의 지원을 받아 그의 연구에는 20개 이상의 기관과 50명의 참가자가 참여했다.[17] 우주 엘리베이터 NIAC 2단계 최종 보고서는 책 ''우주 엘리베이터: 혁신적인 지구-우주 수송 시스템''(에드워즈와 웨스트링, 2003)과 함께 배치 시나리오, 등반기 설계, 전력 공급 시스템, 우주 파편 회피, 앵커 시스템, 원자 산소 생존, 서부 적도 태평양에 앵커를 배치하여 번개와 허리케인 회피, 건설 비용, 건설 일정 및 환경 위험을 포함하여 우주 엘리베이터를 설계하기 위한 모든 노력을 요약했다.[2][15][19] 또한 그는 우주 엘리베이터 케이블의 구조적 완전성과 하중 지지 능력을 연구하여 높은 인장 강도와 탄력성의 필요성을 강조했다. 그의 우주 엘리베이터 개념은 NIAC의 3단계를 거치지 못했는데, 그는 최종 제안서를 우주왕복선 컬럼비아 참사 주간에 제출했기 때문이라고 말했다.[4]

2. 3. 21세기 발전

우주 엘리베이터 개발을 가속화하기 위해 안사리 X 프라이즈와 유사한 대회가 여러 차례 조직되었다.[20][21] 2005년부터 2009년까지 클라이머, 리본 및 전력 빔 시스템에 대한 연례 대회를 조직한 Elevator:2010과 로보게임즈(Robogames) 우주 엘리베이터 리본 등반 대회가 있었다.[22] 2005년 3월에는 Spaceward Foundation (Elevator:2010의 운영자)과 파트너십을 발표하여 총 상금을 400000USD로 인상한 NASA의 센테니얼 챌린지(Centennial Challenges) 프로그램도 있었다.[23][24]

최초의 유럽 우주 엘리베이터 챌린지(EuSEC)는 2011년 8월에 개최되었다.[25]

2007년, Elevator:2010은 2007년 우주 엘리베이터 게임을 개최하여 두 개 대회 각각에 500000USD(총 100만달러)의 상금을 수여했으며, 향후 5년 동안 우주 엘리베이터 관련 기술에 400만달러를 추가로 수여할 예정이었다.[29] 어느 팀도 대회에서 우승하지 못했지만, MIT 팀은 최초의 2그램 (0.07 oz)의 100% 탄소 나노튜브를 출품했다.[30] 2008년 11월 일본은 엘리베이터 건설 일정을 세우기 위한 국제 회의를 개최했다.[31]

2012년, 오바야시 건설(Obayashi Corporation)은 탄소 나노튜브 기술을 사용하여 2050년까지 우주 엘리베이터를 건설할 수 있다고 발표했다.[32] 이 설계의 승객 클라이머는 8일의 여행 후에 정지 궤도(GEO) 수준에 도달할 수 있다.[33]

2013년, 국제 우주 학술원(International Academy of Astronautics)은 기술적 타당성 평가를 발표하여 필요한 중요한 기능 개선 사항은 테더 재료이며, 20년 이내에 필요한 비강도(specific strength)를 달성할 것으로 예상된다고 결론지었다.[79][35]

2014년, 구글 X의 신속 평가 R&D 팀은 우주 엘리베이터 설계를 시작했으나, 1미터보다 긴 완벽하게 형성된 탄소 나노튜브 스트랜드를 제조한 사람이 없다는 것을 발견했다. 따라서 그들은 프로젝트를 "동결"하고 탄소 나노튜브 분야의 발전에 대한 정보를 주시했다.[36]

2018년, 일본 시즈오카 대학교(Shizuoka University)의 연구자들은 미니 엘리베이터가 이동할 테더로 연결된 두 개의 큐브샛(CubeSat)인 STARS-Me를 발사했다.[37][38]

2019년, 국제 우주 학술원(International Academy of Astronautics)은 2018년 여름 현재 우주 엘리베이터에 대한 평가를 요약한 연구 보고서인 "우주 엘리베이터 시대의 길"을 발표했다.[40] 이 보고서의 핵심은 탄소 나노튜브보다 높은 비강도를 가진 매크로 스케일 단결정 그래핀[41] 제조 가능성에 기반하여 지구 우주 엘리베이터는 실행 가능해 보이며, 우주 엘리베이터 개발 시작은 대부분의 사람들이 생각하는 것보다 더 가깝다는 것이다.

2009년부터 우주 엘리베이터 협회 주최의 우주 엘리베이터 기술 경기회가 일본에서 개최되고 있다. 2010년 제2회 대회에서는 상공의 기구에서 폭 5cm의 벨트형 테더를 늘어뜨려, 고도 300m까지 상승·하강하는 것이었다.[114]

2018년 8월 14~15일, 우주 엘리베이터 협회 등은 상공 100m의 기구에서 매달린 케이블을 승강기로 오르게 한 로봇을, 고도 90m에서 낙하산을 사용하여 지상에 연착륙시키는 실험을 후쿠시마현미나미소마시의 후쿠시마 로봇 테스트 필드 실증 용지에서 실시했다.[115]

2012년 2월에는 오바야시구미가 건설 관점에서 우주 엘리베이터의 가능성을 탐구하는 구상을 홍보지 '계간 오바야시'에 게재하고, 2050년 실현을 목표로 한다고 보도되었다.[116]

2. 4. 한국의 우주 엘리베이터 개발 노력

한국은 우주 개발에 대한 투자를 확대하고 있으며, 우주 엘리베이터 기술 개발에도 관심을 기울이고 있다. 더불어민주당은 우주 산업 육성을 통해 경제 성장과 일자리 창출을 도모하고 있으며, 우주 엘리베이터는 이러한 목표 달성에 기여할 수 있는 핵심 기술로 간주된다.

현재 구상에 따르면, 우주 엘리베이터의 케이블 1km당 무게는 7kg이며, 앵커(닻)를 포함한 전체 질량은 약 1,400t으로 예상된다. 건설 비용은 100억달러에서 200억달러 (1조원에서 2조원) 사이로 추정된다[117] . 다만, 실제로 10명 단위의 사람을 운반할 수 있는 우주 엘리베이터를 건설하는 경우, 비용은 더욱 높아질 것이라고 보는 연구자도 있다[118] . 국제 우주 정거장 건설 및 운영에는 1000억달러 이상의 비용이 들었지만, 이는 모든 것을 로켓으로 발사했기 때문에 우주 엘리베이터와 단순 비교는 어렵다.

3. 재료

우주 엘리베이터 건설의 가장 큰 난관은 자체 무게와 탑재 하중을 모두 견딜 수 있는 고강도, 경량 재료를 확보하는 것이다. 구조물은 운반할 수 있는 탑재량뿐만 아니라 자체 무게도 지탱해야 하기 때문에, 구조물을 만드는 재료의 비강도가 매우 높아야 한다.[42]

현재 사용 가능한 재료(예: 케블라)는 지구 우주 엘리베이터를 실용적으로 만들 만큼 강하고 가볍지 않다.[43][44][45] 미래에는 탄소 나노튜브(CNT), 질화 붕소 나노튜브, 다이아몬드 나노스레드, 매크로 스케일 단결정 그래핀 등의 발전으로 실용적인 설계가 가능해질 수도 있지만,[2][15][26][57][58][41] CNT가 충분히 강해질 수 없을 것이라는 의견도 있다.[46][47][48]

설령 무결함의 재료가 제조될 수 있더라도, 외기권이나 우주 공간 등의 극한 환경에서는 태양풍에 포함된 고에너지 입자의 조사 손상에 의한 강도 저하는 피할 수 없다.

3. 1. 인장 구조

대부분의 우주 엘리베이터는 케이블을 팽팽하게 당기는 힘을 이용하는 인장 구조에 초점을 맞추고 있다.

3. 2. 케이블 재료

탄소 나노튜브, 질화 붕소 나노튜브, 다이아몬드 나노스레드, 단결정 그래핀 등은 현재 사용 가능한 재료보다 훨씬 더 강하고 가벼워 지구 우주 엘리베이터 케이블의 잠재적인 후보 재료로 연구되고 있다.[41][57][58]

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우주 엘리베이터 케이블은 자체 무게와 등반가의 추가 무게를 견뎌야 한다. 케이블의 강도는 길이에 따라 달라져야 하는데, 이는 다양한 지점에서 아래 케이블의 무게를 지탱하거나 위 케이블과 카운터웨이트를 유지하기 위해 아래로의 힘을 제공해야 하기 때문이다. 우주 엘리베이터 케이블의 최대 인장력은 정지 궤도 고도에서 발생하므로, 케이블은 그 지점에서 가장 두꺼워야 하며 지구로 접근할수록 가늘어져야 한다. 잠재적인 케이블 설계는 정지 궤도 고도에서의 케이블 반경과 지구 표면에서의 케이블 반경 간의 비율인 테이퍼 팩터로 특징지을 수 있다.[51]

케이블은 높은 인장 강도/밀도 비율을 가진 재료로 만들어야 한다. 예를 들어, 에드워즈 우주 엘리베이터 설계는 최소 100 기가파스칼의 인장 강도를 가진 케이블 재료를 가정한다.[2] 에드워즈는 탄소 나노 튜브 케이블의 밀도를 1300 kg/m3로 가정했으므로,[16] 이는 77 메가파스칼/(kg/m3)의 비강도를 의미한다. 테이퍼되지 않은 우주 엘리베이터 케이블은 해수면에서 4960km 길이의 자체 무게를 지탱하여 35786km의 정지 궤도 고도에 도달해야 한다.[52] 따라서 매우 높은 강도와 경량을 가진 재료가 필요하다.

비교를 위해, 티타늄, 강철 또는 알루미늄 합금과 같은 금속은 파단 길이가 20–30 km (0.2–0.3 MPa/(kg/m3))에 불과하다. 섬유 재료인 케블라, 유리 섬유 및 탄소 섬유는 파단 길이가 100–400 km (1.0–4.0 MPa/(kg/m3))이다. 탄소 나노 튜브와 최근에 발견된 그래핀 리본(탄소의 완벽한 2차원 시트)과 같은 나노 엔지니어링 재료는 파단 길이가 5000–6000 km (50–60 MPa/(kg/m3))일 것으로 예상되며, 전력도 전도할 수 있다.

지구상에서 중력이 비교적 높은 우주 엘리베이터의 경우, 케이블 재료는 현재 사용 가능한 재료보다 더 강하고 가벼워야 한다.[53] 높은 비강도를 위해 탄소는 주기율표에서 여섯 번째 원소이기 때문에 장점이 있다. 탄소는 재료의 자중 대부분을 차지하는 양성자와 중성자가 비교적 적다. 탄소의 경우, 화학 결합력의 강도와 안정성은 원자의 질량에 비해 높다. 탄소 나노 튜브를 사용하는 데 있어 과제는 현미경 규모에서 여전히 완벽한 이러한 재료의 생산을 거시적 크기로 확장하는 것이다(현미경 규모의 결정 결함은 재료 약화에 가장 큰 영향을 미치기 때문이다).[53][54][55] 2014년 현재, 탄소 나노 튜브 기술은 수십 센티미터까지 튜브를 성장시킬 수 있었다.[56]

2014년에 다이아몬드 나노 스레드가 처음 합성되었다.[57] 탄소 나노 튜브와 유사한 강도 특성을 가지고 있기 때문에, 다이아몬드 나노 스레드 또한 케이블 재료 후보로 빠르게 인식되었다.[58]

재료 강도의 측면에서 기존의 최강 소재였던 피아노선이나 케블라 섬유를 사용해도 정지 위성 궤도에서 늘어뜨리기에는 강도가 전혀 부족했다. 그러나 탄소 나노 튜브의 발견으로, 적어도 이론상으로는 가능성이 보이기 시작했다고 할 수 있다. 케이블의 자중을 지탱하기 위해 필요한 비강도(강도/밀도)는 약 50,000kN·m/kg이며, 최소 파단 길이(비강도/중력)라면 약 5,000km이다. 일반적인 CNT의 밀도 1300kg/m3의 경우, 필요한 강도는 65GPa 이상이다. 승강기를 포함한 궤도 엘리베이터 전체의 무게를 지탱하기 위해서는 2배의 비강도가 필요할 것으로 예상된다.

2000년대 이후, 일본의 연구에서는 고순도·경량 탄소 나노 튜브의 개발이 진행되었으며, 산업기술종합연구소에서는 단층 탄소 나노 튜브(SWNT)의 방사[119], 박막화(버키 페이퍼)[120], 고체의 자유로운 성형[121]이 연구 개발되고 있다. 특히 슈퍼 그로스 CVD법에 의해 제작된 SWNT에 의한 박막은 순도 99.98%, 중량 밀도 37kg/m3[122] 라는 매우 고품질의 탄소 나노 튜브의 생성에 성공했다. 또한, 촉매 조작에 의해 SWNT 시트뿐만 아니라 비강도가 높은 DWNT(이층 탄소 나노 튜브) 시트나 MWNT(다층 탄소 나노 튜브) 시트도 제작할 수 있다.[123]

케이블 재료로서의 물질은 종래에는 탄소 나노 튜브만이 생각되어 왔지만, 새롭게 발견된 물질에서도 가능성이 보이기 시작했다. 예를 들어 콜로설 카본 튜브라고 불리는 물질은, 강도 7GPa, 밀도 116kg/m3로, 파단 길이는 6,000km에 달하며, 궤도 엘리베이터의 최소 파단 길이의 조건을 충족한다고 생각된다. 탄소 나노 튜브를 사용하여 건조물을 짓기 위한, 구조 계산이나 유지 운용에 대해서는 전혀 백지 상태이다. 높은 이상 강도를 가진 탄소 나노 튜브이지만, 공유 결합성의 물질이며 결함 민감도가 높고, 절단하지 않기 위해서는 수만 km의 길이에 걸쳐 결함이 존재할 수 없다는 것이 최약 링크 모델에 의해 나타난다.

4. 구조

우주 엘리베이터는 기지, 케이블, 등반 장치, 평형추로 구성된다.[42] 지구의 자전은 평형추에 위쪽으로 작용하는 원심력을 발생시키며, 케이블은 평형추에 의해 위로, 평형추는 케이블에 의해 아래로 당겨져 팽팽하게 유지된다. 기지는 전체 시스템을 지구 표면에 고정시키고, 등반 장치는 화물을 싣고 케이블을 따라 오르내린다.

1959년 이후 대부분의 우주 엘리베이터는 순전히 인장 구조에 초점을 맞추고 있으며, 시스템의 무게는 원심력으로 위에서 지탱된다. 우주 테더는 정지 궤도 너머의 평형추에서 지상까지 뻗어 있으며, 이 구조는 거꾸로 된 추처럼 지구와 평형추 사이에 장력을 유지한다. 케이블 두께는 장력에 따라 정지 궤도에서 최대이고 지상에서 최소로 가늘어진다.

이 개념은 지구 외 다른 행성 및 천체에도 적용 가능하다. 지구보다 약한 중력을 가진 달, 화성 등에서는 테더 재료의 강도 대 밀도 요구 사항이 비교적 덜 까다롭다. 케블라와 같이 현재 사용 가능한 재료도 충분히 강하고 가벼워 실용적일 수 있다.[42]

그러나 현재 사용 가능한 재료는 지구 우주 엘리베이터를 실용적으로 만들 만큼 충분히 강하고 가볍지 않다.[43][44][45] 탄소 나노튜브(CNT)의 미래 발전이 실용적인 설계를 이끌 수 있을 것으로 예상되지만,[2][15][26] CNT가 충분히 강해질 수 없을 것이라는 의견도 있다.[46][47][48] 질화 붕소 나노튜브, 다이아몬드 나노스레드[57][58], 매크로 스케일 단결정 그래핀[41] 등이 미래 대안으로 거론된다.

궤도 엘리베이터는 궤도탑, 우주 엘리베이터, 동기 엘리베이터, 정지 궤도 엘리베이터 등으로도 불린다. 구 소비에트 연방의 유리 아르추타노프는 "하늘의 케이블카", 구약 성서 창세기의 야곱의 이야기를 따 "야곱의 사다리", 동화 『잭과 콩나무』에서 "빈스토크(콩나무)"라고 불렀다.

일본에서는 아쿠타가와 류노스케의 '''거미의 줄'''에 비유되기도 하는데, 매달린 구조상 가장 가까운 표현이지만, 이야기 결말이 줄이 끊어지는 내용이기에 궤도 엘리베이터 실현에 회의적인 시각에서 사용된다. 서구권에서는 마찬가지로 회의적인 표현으로 "바벨 탑"이 있다.

이 외에도 다양한 행성 및 기타 아이디어들이 존재한다.

다른 행성 및 기타 아이디어
종류내용
달에서의 건설달은 지구보다 중력이 작고 대기 영향이 없지만, 자전 속도가 느리고 공전과 동기하므로 달-지구 인력 중심점(라그랑주 점)에 앵커를 둬야 한다. 이는 건설 지점 및 운용이 크게 제한됨을 의미한다. 지표면-라그랑주 점(L1) 거리는 56,000km로, 지구-정지 궤도(36,000km) 이상이다. 저중력・진공 환경에서는 SSTO, 매스 드라이버 등 다른 저비용 발사 수단도 현실적인 선택지다.
화성에서의 건설아서 C. 클라크는 소설 『낙원의 샘』에서 화성 건설 가능성을 언급했다. 지상역은 적도 직하 거봉 파보니 산, 종단은 위성 데이모스를 사용하며, 저중력과 대기 영향이 없어 지구의 1/10 비용으로 건설 가능하다고 한다. 데이모스의 탄소를 이용해 초탄소 섬유를 현지 생산하고, 위성 포보스와의 충돌 회피 수단도 제시한다. 문제는 화성 건설 필요성인데, 소설에서는 화성 테라포밍을 위해 지표면 가열 반사경을 화성에서 제조하여 우주로 올리기 위해 사용한다고 한다. 케이블을 2개 이상으로 분기시켜 여러 어스 포트를 설치하는 아이디어도 제창되었으나, 기술적 문제점이 지적되었다.
우주의 목걸이적도상 다수 궤도 엘리베이터를 건설, 정지 궤도보다 약간 위에서 케이블로 연결해 역학적으로 안정시키는 방법이다. 케이블은 원심력으로 원형으로 펼쳐져 각 궤도 엘리베이터를 좌우에서 잡아당기므로, 적도상 어디든 건설 가능하다. 1977년 소련의 G. 폴랴코프가 제창했다.
스카이 훅, 테더 위성정지 궤도보다 저궤도 지구 주회 궤도를 사용한다. 궤도 엘리베이터를 고정하지 않고 중심을 중심으로 회전, 지구 접지 부분과의 상대 속도가 0이 되도록 회전 속도를 조정해 지상 물자/여객 이송을 가능하게 한다. 저궤도에 위치해 크기가 작고 건설 비용이 저렴하며, 적도 외 지역에도 접지 가능하다. 공기 저항에 의한 회전 속도/궤도 저하, 접지 부분 대기 돌입 시 단열 압축 발열, 충격파 발생 방지 문제가 있다. 공력 가열, 공기 저항은 테더 길이에 달려있다.
극초음속 스카이 훅1993년 로버트 주브린이 제창한 스카이 훅 개량형. 케이블 하단이 대기권 상단(고도 100km 부근), 지상과의 상대 속도가 극초음속(마하 10-15)이다. 회전하지 않고, 궤도 엘리베이터 대기권 내 부분을 제거한 것과 같다. 스카이 훅보다 규모가 작고(정지 천이 궤도(GTO)에 1.5t 발사 시 질량 16.5t) 대기 충돌 문제가 경감되어, 탄소 나노 튜브 없이 케블라 섬유 등으로 건설 가능하다고 한다. 케이블 하단에 로켓/우주 왕복선으로 접근, 페이로드를 옮겨 싣는다.
ORS(궤도 링)1982년 폴 버치가 발표한 개념. 자기 유체 등 유체를 지구 일주 튜브 안에 넣어 고속 이동시키면 장력이 발생해 물건을 매달 수 있다. 여기서 지상에 구조물을 내리면 궤도 엘리베이터가 된다. 궤도 엘리베이터 전체 길이가 정지 궤도 사용 시보다 훨씬 짧다.
스페이스 파운틴오비탈 링과 같은 원리로, 자기 유체가 지상-우주 왕복 튜브 배치, 궤도 측 스테이션은 분수 위 공처럼 자기 유체에 지지되어 떠 있다.
로프스트롬 루프오비탈 링과 비슷하나 전체 길이 2000km, 고도 80km 정도로 지구를 일주하지 않는다. 사슬의 분수 현상처럼 순환 에너지로 고도를 유지한다.


4. 1. 기지

현대적인 기지/앵커는 일반적으로 이동식 해상 플랫폼이다. 우주 파편을 피하기 위해 기동할 수 있다는 점에서 초기의 고정식 육상 플랫폼보다 유리하다. 해양 앵커는 공해상에 위치하여 영토 사용 협상 비용을 줄여준다.[2]

고정식 육상 플랫폼은 기지에 대한 물류 접근성이 더 좋고 비용이 적게 든다. 또한 산꼭대기와 같은 고고도에 위치할 수 있다는 장점도 있다. 또 다른 개념으로는 기지가 지상 근처의 압축 타워와 고고도의 테더 구조를 모두 포함하는 우주 엘리베이터를 형성하는 타워가 될 수 있다.[6] 압축 및 인장 구조를 결합하면 테더의 지구 쪽 대기 하중이 줄어들고 케이블 재료의 임계 강도 대 밀도 요구 사항이 줄어든다.

우주 엘리베이터의 한 개념은 이동식 해상 플랫폼에 묶여 있다.

4. 2. 케이블



thumb 역할을 할 것이다.]]

우주 엘리베이터 케이블은 자체 무게와 등반 장치의 추가 무게를 견뎌야 한다. 케이블의 강도는 길이에 따라 달라져야 하는데, 이는 다양한 지점에서 아래 케이블의 무게를 지탱하거나 위 케이블과 평형추를 유지하기 위해 아래로의 힘을 제공해야 하기 때문이다. 우주 엘리베이터 케이블의 최대 인장력은 정지 궤도 고도에서 발생하므로, 케이블은 그 지점에서 가장 두꺼워야 하며 지구로 접근할수록 가늘어져야 한다. 잠재적인 케이블 설계는 테이퍼 팩터, 즉 정지 궤도 고도에서의 케이블 반경과 지구 표면에서의 케이블 반경 간의 비율로 특징지을 수 있다.[51]

케이블은 높은 인장 강도/밀도 비율을 가진 재료로 만들어야 한다. 예를 들어, 에드워즈 우주 엘리베이터 설계는 최소 100 기가파스칼의 인장 강도를 가진 케이블 재료를 가정한다.[2] 에드워즈는 탄소 나노 튜브 케이블의 밀도를 1300 kg/m3로 일관되게 가정했으므로,[16] 이는 77 메가파스칼/(kg/m3)의 비강도를 의미한다. 이 값은 우주 엘리베이터 전체 무게를 고려한다. 테이퍼되지 않은 우주 엘리베이터 케이블은 해수면에서 4960km 길이의 자체 무게를 지탱하여 정지 궤도 고도인 35786km에 도달해야 한다.[52] 따라서 매우 높은 강도와 경량을 가진 재료가 필요하다.

비교를 위해, 티타늄, 강철 또는 알루미늄 합금과 같은 금속은 파단 길이가 20–30 km (0.2–0.3 MPa/(kg/m3))에 불과하다. 섬유 재료인 케블라, 유리 섬유 및 탄소 섬유는 파단 길이가 100–400 km (1.0–4.0 MPa/(kg/m3))이다. 탄소 나노 튜브와 최근에 발견된 그래핀 리본(탄소의 완벽한 2차원 시트)과 같은 나노 엔지니어링 재료는 파단 길이가 5000–6000 km (50–60 MPa/(kg/m3))일 것으로 예상되며, 전력도 전도할 수 있다.

지구상에서 중력이 비교적 높은 우주 엘리베이터의 경우, 케이블 재료는 현재 사용 가능한 재료보다 더 강하고 가벼워야 한다.[53] 이러한 이유로, 까다로운 비강도 요구 사항을 충족하는 새로운 재료 개발에 초점이 맞춰져 왔다. 높은 비강도를 위해 탄소는 주기율표에서 여섯 번째 원소에 불과하기 때문에 장점이 있다. 탄소는 재료의 자중 대부분을 차지하는 양성자와 중성자가 비교적 적다. 모든 원소의 대부분의 원자간 화학 결합력은 단지 외부 몇 개의 전자에 의해 기여된다. 탄소의 경우, 이러한 결합의 강도와 안정성은 원자의 질량에 비해 높다. 탄소 나노 튜브를 사용하는 데 있어 과제는 현미경 규모에서 여전히 완벽한 이러한 재료의 생산을 거시적 크기로 확장하는 것이다(현미경 규모의 결정 결함은 재료 약화에 가장 큰 영향을 미치기 때문이다).[53][54][55] 2014년 현재, 탄소 나노 튜브 기술은 수십 센티미터까지 튜브를 성장시킬 수 있었다.[56]

2014년에 다이아몬드 나노 스레드가 처음 합성되었다.[57] 탄소 나노 튜브와 유사한 강도 특성을 가지고 있기 때문에, 다이아몬드 나노 스레드 또한 케이블 재료 후보로 빠르게 인식되었다.[58]

4. 3. 등반 장치 (클라이머)



클라이머(등반 장치)는 케이블을 따라 화물과 사람을 운송하는 역할을 한다. 클라이머는 매우 다양한 디자인을 가지고 있으며, 케이블이 평면 리본인 엘리베이터 설계의 경우, 대부분 마찰을 이용하여 케이블을 잡는 롤러 쌍을 사용하는 것을 제안한다.[59]

클라이머는 케이블의 응력과 진동을 최소화하고 처리량을 최대화하기 위해 최적의 타이밍으로 속도를 조절해야 한다. 더 가벼운 클라이머는 더 자주 보낼 수 있으며, 여러 대가 동시에 올라갈 수도 있다. 이렇게 하면 처리량이 다소 증가하지만, 각 개별 페이로드의 질량은 줄어든다.[59]

차량이 올라감에 따라 코리올리 힘으로 인해 케이블이 약간 기울어진다. 케이블의 상단은 하단보다 더 빠르게 이동한다. 클라이머는 케이블의 각도에 의해 전달되는 코리올리 힘에 의해 상승하면서 수평으로 가속된다. 표시된 기울기 각도는 과장된 것이다.


케이블 각 부분의 수평 속도, 즉 궤도 회전으로 인한 속도는 고도에 따라 증가하며, 지구 중심으로부터의 거리에 비례하여 지상에서 정지 궤도까지 높이의 약 66% 지점(약 23,400km)에서 낮은 궤도 속도에 도달한다. 이 지점에서 해제된 페이로드는 대기 재진입을 간신히 피하면서, LEO와 동일한 고도에 근지점, 해제 높이에 원지점을 가지는 매우 이심률이 큰 타원 궤도에 진입한다. 해제 높이가 증가함에 따라 궤도는 근지점과 원지점이 모두 증가하면서 덜 이심률을 가지게 되며, 정지 궤도 수준에서 원형이 된다.[60][61]

페이로드가 정지 궤도(GEO)에 도달하면 수평 속도는 해당 수준의 원형 궤도 속도와 정확히 일치하므로, 해제되면 케이블 해당 지점에 인접하게 유지된다. 페이로드는 또한 GEO 너머 케이블을 따라 더 위로 올라갈 수 있어, 해제 시 더 높은 속도를 얻을 수 있다. 100,000km에서 해제되면, 페이로드는 소행성대에 도달할 만큼 충분한 속도를 가질 수 있다.[68]

페이로드가 우주 엘리베이터를 따라 올라감에 따라 고도뿐만 아니라 수평 속도(각운동량)도 증가한다. 각운동량은 지구 자전에서 얻어진다. 클라이머가 상승함에 따라, 처음에는 차례로 이동하는 케이블의 각 부분보다 느리게 움직인다. 이것이 바로 코리올리 힘이다. 클라이머는 올라가면서 케이블을 "끌어당기고"(서쪽으로) 지구 자전 속도를 약간 감소시킨다. 하강하는 페이로드의 경우 반대 과정이 발생하며, 케이블이 동쪽으로 기울어져 지구 자전 속도를 약간 증가시킨다.

케이블에 작용하는 원심력의 전체 효과는 케이블이 에너지적으로 유리한 수직 방향으로 끊임없이 돌아가도록 하므로, 물체가 케이블로 들어 올려진 후, 카운터웨이트는 추가추와 같은 방식으로 수직 방향으로 다시 흔들릴 것이다.[59] 우주 엘리베이터와 그 하중은 질량 중심이 전체 시스템을 지탱할 수 있도록 정지 궤도보다 항상 충분히 높게 설계될 것이다.[62] 들어 올리기 및 하강 작업은 추 끈 지점을 중심으로 하는 진자 운동을 제어하기 위해 신중하게 계획되어야 한다.[63]

클라이머 속도는 코리올리 힘, 사용 가능한 동력, 클라이머 가속력이 케이블을 파손시키지 않도록 하는 필요성에 의해 제한된다. 클라이머는 또한 자재를 경제적이고 신속하게 위아래로 이동시키기 위해 최소 평균 속도를 유지해야 한다.[64] 300km/h의 매우 빠른 자동차나 기차 속도로 정지 궤도까지 올라가는 데 약 5일이 걸릴 것이다.[65]

4. 4. 평형추

평형추는 케이블에 장력을 가하고 시스템을 안정적으로 유지하는 역할을 한다. 다음과 같은 여러 가지 방법이 제안되었다.

  • 무거운, 포획된 소행성[5][67]
  • 우주 정거장 또는 정지 궤도 너머에 위치한 우주 항만
  • 케이블 자체를 더 위로 연장하여 순 위쪽 당김이 동등한 평형추와 같도록 함
  • 건설 중에 케이블을 두껍게 하는 데 사용된 주차된 소모된 등반기, 기타 쓰레기 및 평형추를 늘리기 위한 목적으로 케이블을 따라 들어 올려진 물질.[68]


케이블을 연장하면 작업이 단순하고, 평형추-케이블 끝까지 가는 탑재체가 지구에 비해 상당한 속도를 얻어 행성 간 우주로 발사할 수 있다는 장점이 있다. 단점은 질량이 있는 사용 가능한 모든 것을 사용하는 대신 더 많은 케이블 재료를 생산해야 한다는 것이다.

5. 물리학

클라이머(승강 장치)의 동력과 에너지는 중요한 문제이다. 클라이머는 다음 화물을 위해 케이블을 확보하기 위해 최대한 빠르게 많은 양의 위치 에너지를 얻어야 한다.

클라이머에 에너지를 공급하기 위해 제안된 방법은 다음과 같다.


  • 클라이머가 상승하는 동안 무선 에너지 전송을 통해 에너지를 전달한다.
  • 클라이머가 상승하는 동안 어떤 물질 구조를 통해 에너지를 전달한다.
  • 클라이머가 시작하기 전에 에너지를 저장한다. (핵 에너지와 같은 극도로 높은 비 에너지 필요)
  • 태양 에너지 - 처음 40 km 이후에는 태양 에너지를 사용하여 클라이머에 동력을 공급할 수 있다.[66]


레이저 빔 전송과 같은 무선 에너지 전송이 현재 가장 유력한 방법으로 고려되고 있다. 10m 넓이의 적응형 거울과 레이저 주파수에 맞춘 클라이머의 광전지 어레이를 결합하여 메가와트급 자유 전자 또는 고체 레이저를 사용한다.[2] 동력 빔을 사용하는 클라이머 설계의 경우, 효율성이 중요한 설계 목표이다. 사용하지 않은 에너지는 열 발산 시스템을 통해 재방사해야 하며, 이는 무게를 증가시킨다.

일본 대학 정밀 기계 공학 교수이자 일본 우주 엘리베이터 협회 이사인 아오키 요시오는 두 번째 케이블을 포함하고 탄소 나노튜브의 전도성을 사용하여 동력을 공급하는 방안을 제안했다.[31]

5. 1. 겉보기 중력장

지구 우주 엘리베이터 케이블은 지구의 자전과 함께 회전한다. 따라서 케이블과 케이블에 부착된 물체는 아래쪽으로 작용하는 중력에 반대되는 방향으로 위쪽을 향하는 원심력을 경험하게 된다.[70] 케이블의 높이가 높을수록 지구의 중력은 약해지고, 회전에 의한 위쪽 원심력은 강해지므로 더 많은 원심력이 더 적은 중력에 반대한다. 원심력과 중력은 정지 궤도(GEO)에서 균형을 이룬다. GEO 위에서는 원심력이 중력보다 강해져 케이블에 부착된 물체가 케이블을 "위로" 당기게 된다.

케이블에 부착된 물체에 대한 순수 힘을 "겉보기 중력장"이라고 한다. 부착된 물체의 겉보기 중력장은 (아래쪽으로 작용하는) 중력에서 (위쪽으로 작용하는) 원심력을 뺀 값이다. 케이블에 있는 물체가 경험하는 겉보기 중력은 GEO에서 0이고, GEO 아래에서는 아래쪽, GEO 위에서는 위쪽이다.

겉보기 중력장은 다음과 같이 나타낼 수 있다.[70]

  • ''g''는 수직 케이블을 따라 아래(음수) 또는 위(양수)로 향하는 ''겉보기'' 중력 가속도(m s−2)이다.
  • ''gr''는 지구의 인력에 의한 중력 가속도로, 아래(음수)로 향한다(m s−2).
  • ''a''는 수직 케이블을 따라 위(양수)로 향하는 원심 가속도(m s−2)이다.
  • ''G''는 중력 상수 (m3 s−2 kg−1)이다.
  • ''M''은 지구의 질량 (kg)이다.
  • ''r''은 해당 지점에서 지구 중심까지의 거리 (m)이다.
  • ''ω''는 지구의 자전 속도 (radian/s)이다.


케이블의 특정 지점에서 두 항(아래쪽 중력과 위쪽 원심력)이 같고 반대 방향이다. 해당 지점에서 케이블에 고정된 물체는 케이블에 무게를 가하지 않는다. 이 고도(r1)는 행성의 질량과 자전 속도에 따라 달라진다. 실제 중력을 원심 가속도와 같게 설정하면 다음과 같다.[70]

r1 = (GM/ω2)1/3

이것은 지구 표면에서 떨어진 정지 궤도의 고도이다.[70]

정지 궤도 ''아래''의 케이블에서는 아래쪽 중력이 위쪽 원심력보다 커서 겉보기 중력이 케이블에 부착된 물체를 아래쪽으로 당긴다. 해당 고도 아래에서 케이블에서 방출된 모든 물체는 처음에는 케이블을 따라 아래쪽으로 가속된다. 그런 다음 점차적으로 케이블에서 동쪽으로 벗어날 것이다. 정지 궤도 ''위''의 케이블에서는 위쪽 원심력이 아래쪽 중력보다 커서 겉보기 중력이 케이블에 부착된 물체를 ''위쪽''으로 당긴다. 정지 궤도 ''위''에서 케이블에서 방출된 모든 물체는 처음에는 케이블을 따라 ''위쪽''으로 가속될 것이다. 그런 다음 점차적으로 케이블에서 서쪽으로 벗어날 것이다.

5. 2. 케이블 단면

주어진 케이블 재료량에 대해 사용 가능한 초과 강도를 최대화하기 위해 케이블의 단면적은 대부분 응력(단위 단면적당 장력)이 케이블 길이를 따라 일정하도록 설계되어야 한다.[70][49] 일정한 응력 기준은 고도에 따라 변하는 케이블 단면적 설계를 시작하는 지점이다.

안전 여유가 없는 일정한 응력 케이블의 경우, 지구 중심으로부터의 거리에 따른 단면적은 다음 방정식으로 주어진다:[70]

:A( r ) = A_s \exp\left[ \frac{\rho g R^2}{T}\left( \frac{1}{R}+\frac{R^2}{2R_g^3}-\frac{1}{r}-\frac{r^2}{2R_g^3} \right) \right]

여기서

  • g는 지구 표면에서의 중력 가속도(m·s−2)이다.
  • A_s는 지구 표면에서 케이블의 단면적(m2)이다.
  • \rho는 케이블에 사용된 재료의 밀도(kg·m−3)이다.
  • R는 지구 적도 반지름이다.
  • R_g는 정지 궤도의 반지름이다.
  • 1=T는 항복 없이 단면적이 견딜 수 있는 응력(N·m−2), 탄성 한계이다.


안전 여유는 T를 원하는 안전 계수로 나누어 계산할 수 있다.[70]

위 공식을 사용하여 지구 정지 궤도에서의 단면적과 지구 표면에서의 단면적 간의 비율, 즉 테이퍼 비율을 계산할 수 있다:[50]

:A(R_g)/A_s = \exp \left[\frac{\rho}{T}\times 4.85\times 10^7\right]

비강도에 따른 테이퍼 비율


일부 재료의 테이퍼 비율[70]
재료인장 강도
(MPa)		밀도
(kg/m3)		비강도
(MPa)/(kg/m3)		테이퍼 비율
강철5,0007,9000.631.6 × 1033
케블라3,6001,4402.52.5 × 108
UHMWPE @23°C3,6000,9803.75.4 × 106
단일벽 탄소 나노튜브130,0001,3001001.6



사용된 재료의 비강도가 48 (MPa)/(kg/m3)에 근접하지 않는 한 테이퍼 비율은 매우 커진다. 비강도가 낮은 재료는 매우 큰 테이퍼 비율을 필요로 하며, 이는 케이블의 총 질량이 크거나 천문학적으로 커져 관련 비용이 크거나 불가능하게 된다는 것을 의미한다.

더 자세한 설계에서 고려되는 다른 요소에는 더 많은 우주 쓰레기가 있는 고도에서의 두껍게 하기, 등반자가 가하는 점 응력 고려, 다양한 재료 사용 등이 있다.[68] 이러한 요인 및 기타 요인을 고려하기 위해 현대의 상세한 설계는 가능한 한 고도와 시간에 따른 변화가 적으면서 가능한 가장 큰 안전 여유를 달성하려고 한다.[68]

6. 응용

우주 엘리베이터는 지구뿐 아니라 다른 행성, 소행성, 위성에도 건설할 수 있다.

화성의 경우, 표면 중력이 지구의 38%이고 자전 속도는 지구와 거의 같아 정지 궤도가 표면에 더 가깝기 때문에 지구보다 훨씬 짧은 궤도 엘리베이터를 건설할 수 있다. 현재 재료로도 충분히 건설 가능하다.[71] 다만, 화성의 위성인 포보스와 데이모스가 정지 궤도 우주 엘리베이터 경로를 방해할 수 있지만, 동시에 이 위성들은 프로젝트에 유용한 자원을 제공할 수도 있다. 특히 포보스는 다량의 탄소를 함유할 것으로 예상되어 탄소 나노튜브가 테더 재료로 사용될 경우 화성 식민지에 유용한 자원을 제공할 수 있다.

우주 엘리베이터 포보스


지구 vs 화성 vs 달 중력 at elevation


포보스는 조석 고정되어 한쪽 면이 항상 화성을 향하고 있다. 포보스 안쪽에서 6000km 뻗어 있는 엘리베이터는 화성 표면에서 약 28km 위에 위치하며, 반대 방향으로 6000km 뻗어 있는 케이블은 균형을 유지한다. 총 우주 엘리베이터는 12000km 이상 뻗어 나가며, 이는 화성의 정지 궤도 (17032km) 아래에 위치한다. 로켓과 화물을 우주 엘리베이터 시작 지점까지 운반하려면 여전히 로켓 발사가 필요하다.[72][73]

지구의 달 또한 달 우주 엘리베이터 건설 가능성이 높은 위치이다. 달은 엘리베이터가 원심력에 의해 지지될 만큼 빠르게 회전하지 않지만, 차등 중력으로 인해 라그랑주 점을 통해 건설할 수 있다. 근거리 엘리베이터는 지구-달 L1 점을 지나 달 가시 부분 중심 근처의 앵커 지점에서 뻗어나가며, 원거리 달 엘리베이터는 L2 라그랑주 점을 통과한다. 기존의 엔지니어링 재료로도 이러한 엘리베이터들을 만들 수 있다.[74]

16 프시케 우주 엘리베이터 개념—표면 중력은 지구의 2% 미만이다.


세레스 (왜행성) 우주 엘리베이터 개념 – 표면 중력은 지구의 3% 미만이다.


빠르게 회전하는 소행성이나 위성은 케이블을 사용하여 물질을 지구 궤도와 같은 편리한 지점으로 방출하거나, 반대로 소행성 또는 위성의 질량 일부를 지구 궤도 또는 라그랑주 점으로 보낼 수 있다.[76] 프리먼 다이슨은 태양 전력이 경제적이지 않은 태양에서 먼 지점에서 이러한 소규모 시스템을 발전기로 사용할 것을 제안했다.

명왕성과 카론, 이중 소행성 90 안티오페와 같이 서로 조석 고정된 세계 사이에는 현재 사용 가능한 엔지니어링 재료를 사용하여 터미널 분리 없이 우주 엘리베이터를 건설할 수 있다.[77]

6. 1. 심우주 발사

우주 엘리베이터에 부착된 물체는 약 53,100km 반경에서 방출될 때 탈출 속도에 도달한다. 라그랑주 점 L1 및 L2로의 전이 궤도는 각각 50,630km 및 51,240km에서 방출하여 얻을 수 있으며, 달 궤도로의 전이는 50,960km에서 가능하다.[69]

피어슨(Pearson)이 제시한 144000km 케이블 끝에서는 접선 속도가 초당 10.93km이다. 이는 지구의 중력장을 탈출하고 적어도 목성만큼 멀리 탐사선을 보낼 수 있을 만큼 충분하다. 목성에 도달하면, 중력 보조 기동을 통해 태양 탈출 속도에 도달할 수 있다.[70]

6. 2. 외계 엘리베이터

지구 외 다른 행성, 소행성, 위성에도 우주 엘리베이터를 건설할 수 있다.

화성 궤도 엘리베이터는 지구의 궤도 엘리베이터보다 훨씬 짧을 수 있다. 화성의 표면 중력은 지구의 38%이며, 자전 속도는 지구와 거의 같다. 이 때문에 화성의 정지 궤도는 표면에 훨씬 더 가깝고, 따라서 엘리베이터는 훨씬 짧아질 수 있다. 현재 재료는 이미 이러한 엘리베이터를 건설하기에 충분히 강하다.[71] 화성 엘리베이터 건설은 낮고 적도와 정기적으로 교차하는(11시간 6분의 공전 주기마다 두 번) 화성의 위성 포보스로 인해 복잡해질 것이다. 포보스와 데이모스는 정지 궤도 우주 엘리베이터의 경로를 방해할 수 있지만, 이 프로젝트에 유용한 자원을 제공할 수도 있다. 포보스는 다량의 탄소를 함유할 것으로 예상된다. 만약 탄소 나노튜브가 테더 재료로 실현된다면, 화성 근처에 탄소가 풍부하게 존재할 것이다. 이는 향후 화성 식민지에 쉽게 이용할 수 있는 자원을 제공할 수 있다.

포보스는 조석 고정되어 있으며, 한쪽 면은 항상 모행성인 화성을 향하고 있다. 그 내면에서 6000km 뻗어 있는 엘리베이터는 화성 표면에서 약 28km 위에 위치하게 되며, 화성의 대기의 밀도가 높은 부분을 벗어납니다. 반대 방향으로 6000km 뻗어 있는 유사한 케이블은 첫 번째 케이블의 균형을 유지하므로 이 시스템의 질량 중심은 포보스에 남아 있다. 총 우주 엘리베이터는 12000km 이상 뻗어 나가며, 이는 화성의 정지 궤도 (17032km) 아래에 위치한다. 로켓과 화물을 우주 엘리베이터 시작 지점인 표면에서 28km 위까지 운반하려면 여전히 로켓 발사가 필요하다. 화성 표면은 적도에서 0.25 km/s로 회전하고 있으며, 우주 엘리베이터의 바닥은 화성 주위를 0.77 km/s로 회전하므로 우주 엘리베이터에 도달하는 데 0.52 km/s (1872 km/h)의 델타-v만 필요하다. 포보스는 2.15 km/s로 공전하고 우주 엘리베이터의 가장 바깥쪽 부분은 화성 주위를 3.52 km/s로 회전한다.[72][73]

지구의 달은 달 우주 엘리베이터의 잠재적인 위치이며, 특히 테더에 필요한 비강도가 현재 사용 가능한 재료를 사용할 수 있을 정도로 낮기 때문이다. 달은 엘리베이터가 원심력에 의해 지지될 만큼 빠르게 회전하지 않지만(지구와의 근접성으로 인해 효과적인 달-정지 궤도가 없음), 차등 중력으로 인해 엘리베이터는 라그랑주 점을 통해 건설될 수 있다. 근거리 엘리베이터는 지구-달 L1 점을 지나 달 가시 부분의 중심 근처의 앵커 지점에서 뻗어나갈 것이다. 이러한 엘리베이터의 길이는 최대 L1 고도인 59,548 km를 초과해야 하며, 필요한 정점 카운터웨이트의 질량을 줄이기 위해 훨씬 더 길어야 한다.[74] 원거리 달 엘리베이터는 L2 라그랑주 점을 통과하며 근거리보다 더 길어야 한다. 테더 길이는 선택된 정점 앵커 질량에 따라 다르지만, 기존의 엔지니어링 재료로도 만들 수 있다.[74]

빠르게 회전하는 소행성 또는 위성은 케이블을 사용하여 지구 궤도와 같은 편리한 지점으로 물질을 방출할 수 있다.[76] 또는 반대로 소행성 또는 위성의 질량의 일부를 지구 궤도 또는 라그랑주 점으로 보내기 위해 물질을 방출할 수 있다. 물리학자이자 수학자인 프리먼 다이슨은 태양 전력이 경제적이지 않은 태양에서 먼 지점에서 이러한 소규모 시스템을 발전기로 사용할 것을 제안했다.

현재 사용 가능한 엔지니어링 재료를 사용하는 우주 엘리베이터는 명왕성과 카론 또는 이중 소행성 90 안티오페의 구성 요소와 같이 서로 조석 고정된 세계 사이에 터미널 분리 없이 건설될 수 있다고 켄트 주립 대학교의 프랜시스 그레이엄은 말했습니다.[77] 그러나 궤도의 타원율로 인해 가변 길이의 케이블을 사용해야 한다.

7. 건설

우주 엘리베이터 건설에는 여러 난관이 따르는데, 그중 가장 큰 문제는 재료의 강도이다. 구조물은 운반할 탑재량뿐만 아니라 자체 무게도 지탱해야 하므로, 재료의 비강도가 매우 높아야 한다.

1959년 이후 대부분의 우주 엘리베이터는 인장 구조에 초점을 맞추고 있다. 이 방식은 우주 테더가 정지 궤도 너머의 큰 질량(카운터웨이트)에서 지상까지 뻗어 있는 형태이다. 이 구조는 거꾸로 된 추처럼 지구와 카운터웨이트 사이에 장력을 유지하며, 케이블 두께는 장력에 따라 가늘어진다. 정지 궤도에서 가장 굵고 지상에서 가장 가늘다.

달이나 화성처럼 지구보다 중력이 약한 곳에서는 케블라와 같이 현재 사용 가능한 재료로도 엘리베이터용 테더를 만들 수 있다.[42] 그러나 지구에서는 현재 재료로는 실용적인 우주 엘리베이터를 만들기 어렵다.[43][44][45] 탄소 나노튜브(CNT)의 발전이 돌파구가 될 수 있다는 예측도 있지만,[2][15][26] 회의적인 시각도 존재한다.[46][47][48] 질화 붕소 나노튜브, 다이아몬드 나노스레드,[57][58] 매크로 스케일 단결정 그래핀 등이 미래 대안으로 거론된다.[41]

결론적으로 우주 엘리베이터 건설에는 엔지니어링, 제조, 물리 기술의 발전이 필요하다.[2] 첫 번째 우주 엘리베이터가 건설되면, 이후에는 비용을 절감할 수 있다.[2]

7. 1. 건설 방법

2000년 에드워즈의 연구 이전에는,[16] 우주 엘리베이터를 건설하기 위한 대부분의 개념은 케이블을 우주에서 제조하는 것이었다. 이처럼 크고 긴 물체와 큰 평형추가 필요하다고 생각되었다. 우주에서 케이블을 제조하는 것은 원칙적으로 소행성이나 근지구 천체를 재료로 사용하여 이루어질 것이다.[15][78] 이러한 초기 건설 개념은 소행성을 필요한 궤도로 이동시키기 위해 대규모의 기존 우주 항행 인프라가 필요했으며, 대량의 정밀한 재료를 우주에서 제조하기 위한 기술 개발도 필요했다.[79]

2001년 이후, 대부분의 연구는 훨씬 작은 우주 인프라를 필요로 하는 더 간단한 건설 방법에 집중되었다. 이 방법은 대형 스풀에 긴 케이블을 발사한 다음 우주에서 배치하는 것이다.[2][16][79] 스풀은 처음에 계획된 앵커 지점 위의 정지 궤도에 주차될 것이다. 긴 케이블이 "아래로"(지구를 향해) 떨어지고, 전체 시스템이 정지 궤도에 유지되도록 질량이 "위로"(지구에서 멀리) 떨어지면서 균형을 이룬다. 이전 설계에서는 균형 질량을 상단으로 뻗어 있는 또 다른 케이블(평형추 포함)로 상상했으며, 주 스풀은 원래 정지 궤도 수준에 유지되었다. 현재 대부분의 설계에서는 주 케이블을 풀면서 스풀 자체를 들어 올리는 더 간단한 과정을 사용한다. 케이블의 하단이 지구 표면(적도)에 도달할 수 있을 만큼 충분히 길어지면 앵커된다. 앵커되면 질량 중심이 더 높아질 것이다(상단에 질량을 추가하거나 더 많은 케이블을 풀어서). 이것은 전체 케이블에 더 많은 장력을 가하게 되며, 이를 엘리베이터 케이블로 사용할 수 있다.

건설을 위한 한 계획은 기존 로켓을 사용하여 단 19,800 kg의 "최소 크기" 초기 시드 케이블을 배치하는 것이다.[2] 이 첫 번째 매우 작은 리본은 첫 번째 619 kg의 클라이머를 지지하기에 충분할 것이다. 처음 207개의 클라이머는 더 많은 케이블을 운반하여 원래 케이블에 부착하여 단면적을 늘리고 초기 리본을 가장 넓은 지점에서 약 160 mm로 넓힐 것이다. 그 결과 클라이머당 20톤의 리프트 용량을 가진 750톤 케이블이 될 것이다.

7. 2. 안전 문제 및 건설 과제

우주 엘리베이터는 항공기, 우주선, 그리고 우주 파편과의 충돌 위험에 노출되어 있다.[2] 이러한 충돌을 방지하기 위해, 케이블은 작은 파편의 충격을 흡수하거나 큰 파편을 피할 수 있도록 설계되어야 한다.

초기 시스템에서는 지표면에서 정지 궤도까지 이동하는 데 약 5일이 소요될 것으로 예상된다. 이 시간 동안 승객들은 밴 앨런대를 통과하면서 방사선에 노출되므로, 차폐를 통해 보호받아야 한다.[80] 이는 등반체의 질량을 증가시켜 탑재량을 감소시키는 요인이 된다.

움직이는 앵커(해상 앵커)를 사용하여 테더가 큰 우주 파편을 피하도록 하는 방법이 에드워드에 의해 제안되었다.[2]

궤도 엘리베이터의 케이블은 유성, 미세 운석, 궤도상의 인공 파편과 같은 우주 물체와의 충돌에 취약하다. 케이블은 이러한 파편을 피하거나, 작은 파편의 충격을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다.

8. 경제학

우주 엘리베이터를 사용하면 현재 비용보다 훨씬 적은 비용으로 물자를 궤도로 보낼 수 있다. 2022년 기준으로, 기존 로켓 설계는 정지 궤도로 수송하는데 킬로그램당 약 12125USD(파운드당 5500USD)의 비용이 든다.[81] 현재 우주 엘리베이터는 페이로드(Payload) 가격이 킬로그램당 220USD(파운드당 100USD)에서 시작할 것으로 예상되며,[82] 이는 발사 루프의 킬로그램당 5~300달러 추정치와 유사하지만, 500km 궤도까지 톤당 310달러로 제리 푸르넬 박사에게 제시된 궤도 비행선 시스템보다는 높다.[83]

운송 수단kg 당 비용
로켓2천만원 ~ 3천만원
우주 엘리베이터20만원 ~ 30만원



저서 ''스페이스 엘리베이터로 지구 떠나기''의 공동 저자인 필립 레이건은 "우주 엘리베이터를 처음으로 배치하는 국가는 95%의 비용 우위를 점하며 잠재적으로 모든 우주 활동을 제어할 수 있을 것"이라고 말한다.[84]

9. 국제 우주 엘리베이터 컨소시엄 (ISEC)

국제 우주 엘리베이터 컨소시엄(ISEC)은 "인류 모두를 위한 혁신적이고 효율적인 우주 접근 방식"으로서 우주 엘리베이터의 개발, 건설 및 운영을 촉진하기 위해 설립된 미국의 비영리 법인이다.[85] 2008년 7월 워싱턴주 레드먼드에서 열린 우주 엘리베이터 컨퍼런스 이후 설립되었으며, 2013년 8월 국립 우주 협회와 제휴 단체가 되었다.[86] ISEC는 매년 시애틀 플라이트 박물관에서 우주 엘리베이터 컨퍼런스를 개최한다.[88][89][90]

ISEC는 우주 엘리베이터에 초점을 맞춘 다른 두 주요 단체인 일본 우주 엘리베이터 협회[91] 및 유로스페이스워드와 협력한다.[92] ISEC는 매년 국제 우주 학술원[93] 및 국제 우주 연맹 총회[94]에서 심포지엄 및 발표를 지원한다.

10. 관련 개념

"우주 엘리베이터"라는 용어는 국제 우주 엘리베이터 컨소시엄에서 고려하는 치올콥스키-아르추타노프-피어슨(Tsiolkovsky-Artsutanov-Pearson) 형을 지칭한다. 이는 지면에 고정되어 화물을 궤도에 진입시킬 수 있을 만큼 높은 곳까지 뻗어 있는 정적인 인장 구조이다.[95]

이 기본 개념 외에도 "우주 엘리베이터"라고 불리거나 유사한 아이디어들이 있다. 에어로베이터는 야후 그룹에서 논의되어 2009년 책에 포함된 개념으로, 1000km 이상 길이의 리본이 항공기의 힘과 원심력으로 공중에 떠 있고, 탑재체를 빠른 속도로 궤도에 발사하는 방식이다.[100] 이 외에도 궤도 링, 우주 분수, 발사 루프, 스카이훅, 우주 테더 등 비로켓 우주 발사와 관련된 다양한 개념들이 있다.[101]

10. 1. 비동기 궤도 스카이훅

한스 모라벡은 1977년에 회전하는 케이블을 사용하여 물체를 궤도로 들어 올리는 "비동기 궤도 스카이훅"이라는 개념을 발표했다.[96] 케이블 끝부분의 회전 속도는 궤도 속도와 정확히 일치하여 "상승"할 물체에 비해 0이 된다. 이 방식은 물체를 동적으로 잡아 높은 고도로 올리거나, 낮은 궤도의 물체를 더 높은 궤도로 "상승"시키는 역할을 한다.

10. 2. 압축 구조

콘스탄틴 치올코프스키가 구상한 원래 개념은 안테나 기둥과 유사한 압축 구조였다.[6] 이러한 구조는 카르만 선 (100km)에 도달할 수 있지만, 지구 정지 궤도에는 도달할 가능성이 낮다. 치올코프스키 타워와 고전적인 우주 엘리베이터 케이블(지구 정지 궤도 상공까지 도달)을 결합한 개념이 제안되었다.[6] 다른 아이디어는 발사체의 요구 사항을 줄이기 위해 매우 높은 압축 타워를 사용하는 것이다. 차량은 타워를 따라 "상승"하며, 이는 대기권 위까지 확장될 수 있으며, 꼭대기에서 발사된다. 20km의 근지점 공간 고도에 접근하기 위한 이러한 높은 타워는 다양한 연구자에 의해 제안되었다.[97] [98] [99]

10. 3. 기타 개념

한스 모라벡(Hans Moravec)은 1977년에 "비동기 궤도 스카이훅"이라는 기사에서 회전하는 케이블을 사용하는 개념을 발표했다.[96] 회전 속도는 최저 지점에서의 팁 속도가 "상승"할 물체에 비해 0이 되도록 궤도 속도와 정확히 일치한다. 이것은 역동적으로 물체를 잡고 높은 고도의 물체를 궤도로, 또는 낮은 궤도의 물체를 더 높은 궤도로 "상승"시킨다.

치올콥스키가 구상한 원래 개념은 안테나 기둥과 유사한 압축 구조였다. 이러한 구조는 카르만 선(100 km)에 도달할 수 있지만, 지구 정지 궤도에는 도달할 가능성이 낮다. 치올콥스키 타워와 고전적인 우주 엘리베이터 케이블(GEO 상공까지 도달)을 결합한 개념이 제안되었다.[6] 다른 아이디어는 발사체의 요구 사항을 줄이기 위해 매우 높은 압축 타워를 사용한다.[97] 차량은 타워를 따라 "상승"하며, 이는 대기권 위까지 확장될 수 있으며, 꼭대기에서 발사된다. 20km의 근지 공간 고도에 접근하기 위한 이러한 높은 타워는 다양한 연구자에 의해 제안되었다.[97][98][99]

에어로베이터는 야후 그룹에서 우주 엘리베이터에 대해 논의하면서 고안된 개념이며, 2009년 우주 엘리베이터에 관한 책에 포함되었다. 이것은 지상 수준의 허브에서 대각선으로 위로 뻗어 나온 다음 수평이 되도록 평평해지는 1000km 이상의 길이의 리본으로 구성된다. 항공기는 원을 그리며 비행하면서 리본을 당겨 리본이 허브 주위를 13분마다 한 번 회전하게 하고, 팁은 8km/s로 이동한다. 리본은 공기역학적 양력과 원심력의 조합을 통해 공중에 떠 있다. 탑재체는 리본을 따라 올라가 빠른 속도로 움직이는 팁에서 궤도로 발사된다.[100]

궤도 링, 우주 분수, 발사 루프, 스카이훅, 우주 테더, 부유하는 "우주 샤프트"는 우주 엘리베이터(또는 우주 엘리베이터의 일부)와 관련된 비로켓 우주 발사에 대한 다른 개념이다.[101]

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