우주 차광판

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1. 개요
2. 제안된 우주 태양광 차단막 설계
3. 우주선 태양광 차단막
4. 기술적, 경제적 과제
참조

1. 개요

우주 차광판은 지구 온난화를 늦추기 위해 제안된 기술로, 태양광을 반사하거나 굴절시켜 지구에 도달하는 햇빛의 양을 줄이는 것을 목표로 한다. 소형 우주선 집합체, 경량 솔루션, 프레넬 렌즈, 회절 격자 등 다양한 설계가 제시되었으며, 각 설계는 태양-지구 L1 라그랑주 점에 배치되는 것을 고려한다. 이러한 기술은 막대한 비용과 기술적 난제를 수반하며, 장기적인 관점에서 재생 가능 에너지 개발을 대체할 수 없다는 한계를 지닌다. 우주 차광판은 또한 우주선의 열 차폐막으로도 활용되며, 메신저, 파커 태양 탐사선, 솔라 오비터, 베피콜롬보와 같은 우주선에 적용되었다.

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우주 차광판
개요
유형	우주선 차폐 장치
목적	별빛과 복사 감소
상세 내용
개념 고안자	헤르만 오베르트
주요 목표	지구 온난화 방지 행성 기후 조절
작동 원리	태양 복사 에너지 차단
재료	금속 막 투명 막 우주 거품
역사
최초 제안	1923년, 헤르만 오베르트의 "행성 공간으로의 로켓"
추가 연구	1929년, "우주 비행의 방법" 1957년, "우주 속의 인간" 1978년, "우주 거울"
응용
지구 공학	지구 온난화 완화
우주 탐사	우주선의 복사열 차단
디자인
일반적인 형태	거대한 우산 또는 차양
위치	라그랑주점 (L1)
크기	행성 크기 수준까지 확장 가능
배치 방법	자체 조립식 구조 또는 우주 거품 사용
장점 및 단점
장점	기후 조절 가능성 기술 발전 가능성
단점	높은 비용 기술적 어려움 잠재적인 예측 불가 영향

2. 제안된 우주 태양광 차단막 설계

지구 온난화를 완화하기 위한 방안으로 다양한 형태의 우주 태양광 차단막 설계가 제안되었다. 이러한 설계들은 주로 태양과 지구 사이의 L1 라그랑주 점에 거대한 구조물이나 다수의 작은 물체를 배치하여 지구에 도달하는 햇빛의 양을 줄이는 것을 목표로 한다.

주요 제안 방식들은 다음과 같다.

소형 물체 집합체: 로저 엔젤 등이 제안한 방식으로, 수조 개의 작은 디스크나 반사체를 L1 지점 부근에 구름처럼 배치하여 햇빛을 분산시키거나 반사한다.^[9]^[10] 각 물체는 자율적으로 위치를 제어하며, 전체적으로 거대한 차광막 효과를 내도록 설계된다.^[11]^[12] 최근에는 더 가벼운 소재를 사용하거나^[7] 우주에서 직접 제작하는 방식(우주 거품)^[15] 등 발사 질량 문제를 해결하려는 연구도 진행 중이다.
대형 렌즈 또는 격자: J. T. Early, 그레고리 벤포드, 에드워드 텔러 등은 L1 지점에 하나의 거대한 구조물을 설치하는 방안을 제안했다.^[17]^[19] 여기에는 달 자원을 활용한 거대 유리 차광판,^[6] 얇고 가벼운 프레넬 렌즈,^[18] 또는 회절 격자^[19] 등이 포함된다. 이 구조물들은 햇빛을 굴절시키거나 회절시켜 지구에 도달하는 에너지를 감소시킨다.

이러한 우주 차광막 구상들은 기후 변화 대응을 위한 잠재적 기술로 논의되고 있지만, 막대한 건설 비용과 수십 년 이상 소요될 수 있는 긴 개발 기간,^[13] 그리고 장기간 안정적으로 운영하기 위한 기술적 과제들을 안고 있다.^[14] 따라서 재생 가능 에너지 개발과 같은 근본적인 해결책을 대체하기보다는, 비상시를 대비한 보조적 수단으로 고려될 수 있다는 시각도 존재한다.

2. 1. 소형 우주선 집합체

로저 엔젤 교수가 제안한 방식 중 하나는 수많은 소형 우주선을 집합체 형태로 태양-지구 L1 라그랑주 점에 배치하는 것이다.^[9] 이 지점은 지구에서 약 150만km 떨어져 있으며 지구와 태양 사이에 위치한다.

엔젤의 설계에 따르면, 총 16조 개의 작은 디스크가 L1 지점에 구름처럼 모여 태양 가리개 역할을 한다. 각 디스크는 지름 0.6m, 두께 약 5µm이며, 무게는 약 1g에 불과하지만, 전체 디스크의 총 질량은 2천만 t에 달할 것으로 추산된다.^[9] 이 소형 태양 가리개 집합체는 지구로 들어오는 햇빛의 약 2%를 차단하거나 우주로 반사시켜 지구 온난화를 완화하는 것을 목표로 한다.^[10]

이 디스크들은 햇빛을 직접 반사하기보다는 투명한 렌즈처럼 빛을 약간 굴절시켜 지구에 도달하지 못하게 하는 방식으로 설계되었다. 이는 각 디스크가 받는 태양 복사 압력의 영향을 최소화하여 L1 지점에서 위치를 유지하는 데 필요한 에너지를 줄이기 위함이다. 로저 엔젤은 NIAC의 연구 자금을 지원받아 이 방식의 광학적 프로토타입을 제작하기도 했다.^[11]

하지만 L1 지점은 불안정한 평형 상태에 있어 달의 중력 등 외부 요인에 의해 위치가 쉽게 흐트러질 수 있다. 따라서 각 디스크는 스스로 위치를 보정할 수 있는 자율 비행 능력이 필요하다. 이를 위해 디스크 표면에 회전 가능한 거울을 부착하여, 거울에 가해지는 태양 복사 압력을 태양 돛처럼 활용하는 방안이 제안되었다. 거울의 각도를 조절하여 속도와 방향을 미세하게 조정함으로써 제 위치를 유지하는 것이다.^[12]

이러한 태양 가리개 그룹은 L1 지점에 배치될 경우 약 380만km²의 면적을 차지해야 할 것이다.^[1]

이 구상은 막대한 양의 디스크를 궤도로 운반해야 한다는 현실적인 과제를 안고 있다. 만약 매일 100톤의 디스크를 저궤도로 발사한다고 가정해도, 2천만 톤에 달하는 모든 디스크를 발사하는 데 550년이라는 엄청난 시간이 걸린다.^[9] 또한, 궤도에 충분한 수의 디스크를 배치하여 실제 효과를 보기까지는 수년이 걸릴 것으로 예상되어 리드 타임이 매우 길다.

애리조나 대학교의 로저 엔젤 교수는 2006년 4월 미국 국립 과학 아카데미에서 이 아이디어를 발표했으며, 같은 해 7월 NASA 첨단 개념 연구소로부터 추가 연구를 위한 보조금을 받았다. 당시 추산된 바로는, 이 태양 가리개를 우주에 건설하는 데 20년에 걸쳐 1300억달러 이상의 막대한 비용이 소요될 것으로 예상되었으며, 시스템의 예상 수명은 50년에서 100년 사이였다.^[13]

이러한 현실적인 어려움 때문에 엔젤 교수 자신도 "태양 가리개는 재생 가능 에너지 개발이라는 근본적인 해결책을 대체할 수 없다"고 강조했다. 그는 태양 가리개와 유사한 수준의 기술 혁신과 재정 투자가 재생 가능 에너지 확보에 집중되어야 한다고 보았다. 다만, 만약 지구가 급격한 기후 위기에 직면하여 인위적인 냉각 조치가 불가피해질 경우를 대비하여, 이러한 차광 솔루션을 준비해 둘 필요성은 있다고 덧붙였다.^[14]

2. 1. 1. 경량 솔루션 및 "우주 거품"

2022년 올리비아 보르그와 안드레아스 M. 하인은 초박막 고분자 필름과 SiO2 나노튜브로 구성된 약 10만 톤 규모의 분산형 차광막 설계를 제안했다.^[7] 이들은 이 정도 질량을 우주로 보내기 위해 스페이스X 스타쉽과 같은 발사체를 이용하여 10년 동안 매년 399번의 발사가 필요할 것으로 추정했다.^[7]

같은 해, MIT 센서블 시티 연구소는 막대한 질량을 우주로 발사하는 어려움을 해결하기 위한 대안으로, 우주에서 직접 제조하는 박막 구조인 "우주 거품" 개념을 제시했다.^[15] 카를로 라티가 이끄는 연구팀은 이 거품들을 이용해 태양 복사열의 1.8%를 굴절시키면 기후 변화를 완전히 되돌릴 수 있다고 본다.^[16] 이 거품들의 총 면적은 브라질과 비슷한 크기가 될 것으로 예상되며, 태양과의 거리를 조절하여 효과를 최적화하는 제어 시스템도 포함될 계획이다.^[16] 거품의 얇은 막은 실리콘으로 만들어질 예정이며, 0.0028 기압 및 -50°C의 우주와 유사한 환경에서 테스트될 것이다.^[16] 연구팀은 거품을 빠르게 부풀리기 위해 증기압이 낮은 물질, 예를 들어 실리콘 기반 용융물이나 그래핀으로 강화된 이온 액체 등을 연구하고 있다.^[16]

2. 2. 프레넬 렌즈

태양광이 지구에 도달하기 전에 우주 공간에 매우 큰 렌즈를 설치하여 햇빛을 분산시키는 방안이 여러 연구자에 의해 제안되었다. 이러한 렌즈는 주로 지구와 태양 사이의 L1 지점에 설치하는 것을 고려한다.

이 아이디어는 1989년 J. T. 얼리(J. T. Early)가 처음 제안했다.^[17] 그의 설계는 달에서 가져온 물질을 이용해 직경 2000km 크기의 거대한 유리 차광판을 만들어 L1 지점에 배치하는 것이었다. 그러나 이 계획은 렌즈 제작에 필요한 막대한 양의 재료와 이를 궤도에 올리는 데 드는 에너지 문제가 지적되었다.^[6]

2004년, 물리학자이자 과학 소설 작가인 그레고리 벤포드는 개선된 설계를 제시했다. 그는 가로 1000km, 두께는 몇 밀리미터에 불과한 오목 형태의 회전하는 프레넬 렌즈를 L1 지점에 띄우면, 지구에 도달하는 태양 에너지를 약 0.5%에서 1%까지 줄일 수 있다고 계산했다.^[18]

이러한 렌즈를 건설하는 비용에 대해서는 논쟁이 있다. 벤포드는 2004년 한 과학 소설 컨벤션에서 초기 건설 비용으로 약 100억달러, 이후 운영 및 유지 보수 비용으로 추가 100억달러가 들 것으로 추정했다.^[18]

2. 3. 회절 격자

우주에 매우 큰 회절 격자(얇은 철망)를 배치하여 햇빛을 분산시키는 방식도 있다. 이는 지구와 태양 사이의 L1 지점에 설치하는 것을 목표로 한다. 1997년 에드워드 텔러, 로웰 우드, 로데릭 하이드는 약 3000ton 무게의 회절 격자 망 설치를 제안했다.^[19] 그러나 2002년에는 당시의 우주 발사 기술 수준을 고려하여, 궤도보다는 성층권에서 태양 복사를 차단하는 방안을 주장하기도 했다.^[20]

최근 연구에서는 차광판의 크기를 줄일 수 있다는 가능성이 제시되었다. Feinberg (2022)는 지구의 배경 기후 반응(재방사 및 피드백 감소 등)을 고려하면 디스크 면적을 약 3.5배 줄일 수 있다고 보았다.^[21] 또한 Feinberg (2024)는 연간 태양 지구공학 접근 방식을 사용하면 디스크 면적을 50배까지 더 줄일 수 있다고 주장했다.^[22]

3. 우주선 태양광 차단막

제임스 웹 우주 망원경(JWST)은 적외선 망원경으로, 망원경 자체를 매우 낮은 온도로 유지해야 하므로 여러 겹으로 이루어진 대형 차광판을 사용한다.

특히 태양에 가까이 접근하는 우주선의 경우, 강렬한 태양열로부터 기기를 보호하기 위한 차광판을 일반적으로 열 차폐막이라고 부른다. 열 차폐막 기술이 적용된 대표적인 우주선 설계는 다음과 같다.

우주선	발사 연도	차광판/열 차폐막 특징
메신저 MESSENGER^영어	2004년	수성 공전 (2015년까지), 세라믹 천 차광판 사용
파커 태양 탐사선 Parker Solar Probe^영어	2018년	탄소, 탄소 폼, 탄소 샌드위치 복합재로 제작된 열 차폐막 사용
솔라 오비터 Solar Orbiter^영어	2020년	열 차폐막 사용
베피콜롬보 BepiColombo^영어	수성 궤도 진입 예정	행성 궤도선(수성 자기권 궤도선)에 광학 태양 반사판(차광판 역할) 탑재

4. 기술적, 경제적 과제

제안된 우주 차광판 개념 중 하나는 태양-지구 L1 라그랑주 점에 16조 개의 작은 디스크를 배치하는 방식이다. 이 지점은 지구에서 약 150만km 떨어져 있으며 지구와 태양 사이에 위치한다. 각 디스크는 직경 0.6m, 두께 약 5마이크로미터(μm)로 제안되었으며, 개당 질량은 약 1g으로 총질량은 2000만ton에 달한다.^[9] 이 작은 태양 가리개 그룹은 햇빛의 약 2%를 차단하여 우주로 반사시킴으로써 지구 온난화를 억제할 수 있을 것으로 기대된다.^[10] 하지만 이렇게 막대한 양의 디스크를 저궤도로 운반하는 것은 큰 기술적, 경제적 과제이다. 매일 100ton의 디스크를 발사한다고 가정해도, 모든 디스크를 발사하는 데 약 550년이 소요될 것으로 예상된다.

태양 복사 압력의 영향을 줄이기 위한 대안으로, 햇빛을 직접 반사하는 대신 투명 렌즈 역할을 하는 개별 자율 비행체를 이용하는 방안도 제시되었다. 이 렌즈는 빛을 약간 굴절시켜 지구에 도달하지 못하게 함으로써, 각 비행체에 가해지는 태양 복사 압력을 최소화하여 L1 지점에서 위치를 유지하는 데 필요한 동력을 줄일 수 있다. 애리조나 대학교의 로저 엔젤 교수는 NASA 첨단 개념 연구소의 지원을 받아 이러한 광학적 프로토타입을 제작하기도 했다.^[11]

그러나 L1 지점은 불안정한 평형 상태에 있어 작은 교란에도 위치를 벗어나기 쉬운데, 특히 달의 중력으로 인한 지구의 미세한 움직임에 영향을 받는다. 따라서 남아있는 미미한 태양 압력과 이러한 불안정성 때문에, 개별 비행체들은 스스로 위치를 유지하기 위한 기동 능력을 갖춰야 한다. 이에 대한 해결책으로 비행체 표면에 회전 가능한 거울을 설치하는 방안이 제안되었다. 이 거울에 가해지는 태양 복사 압력을 태양 돛처럼 활용하고, 거울의 각도를 조절하여 비행체의 속도와 방향을 미세하게 조정함으로써 제 위치를 유지하는 방식이다.^[12]

이러한 태양 가리개 그룹이 L1 지점에서 효과를 발휘하려면 약 380만km²의 면적을 덮어야 할 것으로 추산된다.^[1]

디스크를 궤도에 충분히 배치하여 효과를 보기까지는 상당한 시간이 소요될 것이며, 이는 긴 리드 타임이 필요함을 의미한다. 로저 엔젤 교수는 2006년 4월 미국 국립 과학 아카데미에서 이 아이디어를 발표했으며, 같은 해 7월 NASA 첨단 개념 연구소로부터 추가 연구 지원금을 받았다. 엔젤 교수의 추정에 따르면, 이 태양 가리개를 우주에 건설하는 데 20년에 걸쳐 1300억달러 이상의 비용이 들고, 예상 수명은 50년에서 100년 정도이다.^[13] 이러한 막대한 비용과 시간, 기술적 난제를 고려하여 엔젤 교수는 다음과 같이 결론 내렸다. "태양 가리개는 유일한 영구적 해결책인 재생 가능 에너지 개발을 대체할 수 없다. 그와 유사한 수준의 기술 혁신과 재정 투자가 이를 보장할 수 있다. 그러나 만약 지구가 냉각을 통해서만 해결할 수 있는 급격한 기후 위기에 직면하게 된다면, 작동 준비가 완료된 몇몇 차광 솔루션을 준비해 두는 것이 현명할 것이다."^[14] 이는 우주 차광판이 기후 위기 대응의 근본적인 해결책이라기보다는, 심각한 위기 상황에 대비한 비상 대책으로서 의미를 가질 수 있음을 시사한다.

참조

_[1] 서적 Die Rakete zu den Planetenräumen Michaels-Verlag Germany 1984
_[2] 서적 ways to spaceflight https://archive.org/[...] NASA 1970
_[3] 서적 Menschen im Weltraum Econ Duesseldorf Germany 1957
_[4] 서적 Der Weltraumspiegel Kriterion Bucharest 1978
_[5] 간행물 The Political Economy of a Planetary Sunshade
_[6] 웹사이트 How a giant space umbrella could stop global warming http://www.bbc.com/f[...] 2016-12-07
_[7] 간행물 Transparent occulters: A nearly zero-radiation pressure sunshade to support climate change mitigation 2022
_[8] 웹사이트 Space Bubbles Could Be the Wild Idea We Need to Deflect Solar Radiation https://www.popularm[...] 2023-05-23
_[9] 웹사이트 Space sunshade might be feasible in global warming emergency https://www.eurekale[...] 2006-11-03
_[10] 웹사이트 Global Sunshade http://news.bbc.co.u[...] 2007-02-19
_[11] 웹사이트 Pies in the Sky: A Solution to Global Warming http://www.astrobio.[...] 2007-04-23
_[12] 간행물 Feasibility of cooling the Earth with a cloud of small spacecraft near the inner Lagrange point (L1) PNAS 2006-09-18
_[13] 웹사이트 We need SpaceX BFR not just get us to MARS but to save EARTH from Global Warming https://medium.com/@[...] Medium 2018-12-06
_[14] 간행물 Space Sunshade Might Be Feasible In Global Warming Emergency http://earthobservat[...] University of Arizona 2006-11-06
_[15] 웹사이트 Space bubbles https://senseable.mi[...] 2023-05-24
_[16] 웹사이트 Space Bubbles Could Be the Wild Idea We Need to Deflect Solar Radiation https://www.popularm[...] 2023-05-23
_[17] 간행물 Space-Based Solar Shield To Offset Greenhouse Effect
_[18] 웹사이트 Supervillainy: Astroengineering Global Warming http://www.kuro5hin.[...]
_[19] 간행물 Global Warming and Ice Ages: Prospects for Physics-Based Modulation of Global Change https://e-reports-ex[...] Lawrence Livermore National Laboratory 2010-10-30
_[20] 간행물 Active Climate Stabilization: Practical Physics-Based Approaches to Prevention of Climate Change https://e-reports-ex[...] Lawrence Livermore National Laboratory 2010-10-30
_[21] 간행물 Solar Geoengineering Modeling and Applications for Mitigating Global Warming: Assessing Key Parameters and the Urban Heat Island Influence 2022
_[22] 간행물 Annual Solar Geoengineering: Mitigating Yearly Global Warming Increases 2024-02

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