나사의 우주 엘리베이터 상상도
우주 엘리베이터는 행성등의 표면으로부터 정지 궤도 이상까지 도달 할 수 있는 엘리베이터를 말한다.
우주 진출 수단으로 구상되고 있는데 탄소 나노 튜브의 발견 이후 현재의 기술 수준으로도 개발이 가능하기 때문에 실현을 위한 연구 프로젝트들이 진행중이다.
지상에서 정지 궤도 이상으로 연장된 탑 , 레일 , 케이블 등의 구조물을 따라 운반 기계가 이동함으로써 우주와 지구사이의 물자를 수송 할 수있다. 동력을 직접 케이블 등에 전달함으로써 분사제의 반동을 이용하는 로켓보다 안전하게, 그리고 훨씬 저렴한 비용으로 우주 식량등을 보낼 수있다.
한때 우주 엘리베이터를 건설하는데 필요한 강도를 가진 소재가 존재하지 않았기 때문에 우주 엘리베이터는 SF 작품 등에서 묘사되는 개념적 존재일 뿐이었다. 그러다가 이론적으로 필요한 강도를 가진 흑연 위스커 (바늘 모양의 탄소) 등이 발견되었고 20 세기 말에는 탄소 나노 튜브가 발견되면서 그 실현을 목표로 한 연구 프로젝트가 출범했다.
우주 엘리베이터 개념도
개념은 정지 궤도상의 인공위성 중심부에서 지상까지 수직으로 연장한 케이블을 타고 이동하며 지상과 우주를 왕복한다. 이 때, 전체의 원심력이 중력을 초과하도록 반대편(외부)에 케이블을 늘리거나 충분한 질량을 가진 앵커(닻)를 말단에 설치한다. 케이블의 길이는 약 10 만 km정도 이고, 아래쪽 (지상) 정지 궤도 상단의 세 군데에 발착 거점이 마련된다. 상단의 이동 속도는 고속의 탈출 속도를 가지고 있기 때문에 연료 없이도 지구 궤도에서 벗어나 행성간 공간에 도달할 수 있다.
엘리베이터라는 호칭이 사용되고 있지만, 케이블을 통해 이동되는 것이 아니라 고정된 궤도를 타고 이동한다. 케이블은 아래로 갈수록 중력이 강해 원심력이 약해지는 반면, 위로 갈수록 중력이 약해 원심력이 강해진다. 따라서 케이블의 어떤 점에서도 장력이 걸린다. 그 힘의 크기는 현 지점보다 높은 구조물의 작동 중력과 원심력의 절대 값의 차이다. 짐을 올리거나 내릴 때 코리올리 효과가 발생하지만, 지구에 계속 연결되어 있기 때문에 전체가 거꾸로된 진자 처럼 원래의 위치를 자연스럽게 유지한다.
케이블은 일정한 굵기가 아니라 정지 궤도에서 끝을 향해 서서히 가늘어지는 테이퍼 구조이다. 그러나 지상부터 수 km의 부분은 바람과 번개의 영향을 피하기 위해 10 배 정도로 굵고, 더불어 상공 수백 km까지 케이블의 구성 물질이 산소의 원자와 반응하여 열화(산화)하는 것을 방지하기 위해 금속으로 얇게 코팅 할 필요가있다.
해상에 건설된 우주 엘리베이터 바닥지점 상상도
지상측의 발착 거점(접지 포트)은 일반적으로 알려진것 처럼 적도에만 건설 할 수 있는 것은 아니지만, 적도 지역이 케이블에 걸리는 장력을 작게 할 수 있으므로 최적이다. 위도가 높을수록 케이블에 걸리는 장력이 커져 또한 적도 이외에서는 케이블이 지면과 수직 이되지 않기 때문에 적도에서 너무 떨어진 곳에 건설하게 되면 난이도가 높아진다. 2004 년에 열린 우주 엘리베이터 건설에 관한 국제 회의에서는 접지 포트는 적도에서 남북 각각 위도 35도 이내에 건설해야한다 것을 보여 주었다.
건설 지점으로서의 적합성이 적도에서 100 %면, 35도에서 50 %로 그 이후부터는 급격히 감소한다고 한다. 그러나 이것은 위도만 문제 삼은 경우이며, 그 외에도 기상 조건과 주변 지역의 정치적 안정성등 고려해야 할 것은 많다.
또한 케이블의 진동과 열에 의한 신축에 대한 대책, 저궤도 인공위성이나 큰 우주 파편과 충돌 회피 등을 위해 접지 포트는 지상에 고정하는 것이 아니라 해상 이동 가능한 메가 플로트로하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 지구의 중력장은 완전히 균일하지 않기 때문에 적도에 만든다면 서경 90도(갈라파고스 제도 부근) 및 동경 73도 ( 몰디브 근처)가 가장 안정시키기 쉽다. 브래들리 C 에드워즈등은 일부 건설 후보지를 들어는데 그 중에서도 동 태평양의 적도 부근과 인도양의 호주 서쪽 해안을 유망 후보지로 삼고 있다.지식으로 킬링 타임
