인류와 속도(4부)
이제 우주로 올라선 인류는 태양계에서 가장 가까운 달을 향해 눈을 돌린다.
지구와 달 사이의 거리는 약 35~40만 km.
빛의 속도로도 1초 이상 걸리는 거리.
1961년 5월 25일.
존 F. 케네디 : "달 표면에 성조기를 꽂겠다."
그러나 어떻게 달까지 갈 것인가?.
인류에게 주어진 고질적인 연료 문제.
제1 우주속도로 우주선을 궤도로 올려놓는 것만으로도 힘들었으며, 달에 착륙시 역추진 엔진 연료, 다시 달 궤도로 상승하기 위한 추진연료를 생각하면 앞길이 막막했다.
그리고 그때 등장한 아이디어!.
"중력을 이용하자!"
일명 '플라이 바이 또는 스윙 바이'
실제 우주 공간에는 각 천체들의 중력들이 서로 작용하며 복잡한 흐름을 만들어 내고 있으며 물체가 그 흐름을 지나면서 가속이 될 수도, 방해를 받을 수도 있다는 가설.
공학자들 : "과연 이 이론이 가능할까요?"
이렇게 공학자들의 엄청난 연구 끝에 달의 중력을 이용해 적은 연료로도 큰 에너지를 사용하지 않고도 우주를 항해할 수 있는 방법을 개발하게 되었다.
그뿐만 아니라 달을 넘어서 다른 태양계 행성을 향해 항해할 때에도 일종의 중력 지름길을 계산하게 되었다.
그리고 이 중력의 지름길을 '우주의 고속도로'라고 한다.
1969년 7월 16일.
플로리다 주 케네디 우주센터에서 발사된 아폴로 11호.
1969년 7월 20일.
불과 3일 만에 닐 암스트롱은 달 표면에 발자국을 남기게 된다.
참고로
지구 궤도로 올리는데 필요한 속도는 약 초속 7.8km (제1우주 속도),
지구의 중력권을 탈출하는데 필요한 속도는 약 초속 10.5km(제2우주 속도),
태양의 중력권을 탈출하는데 필요한 속도는 약 초속 12.4km(제3 우주속도)이다.
달 여행은 아폴로 11호 대원들 이후에는 전무했고,
아직 인류는 여전히 우주여행에 대해서 아기의 걸음마 수준이라고 할 수밖에 없다.
기술이 발달과 함께 인간은 더 멀리 볼 수 있게 되었고,
인류는 넓은 우주 저편에 인간 외에 지적인 생물이 있을까?라는 물음에 대하여 진지하게 생각하고 있다.
그들이 실제로 존재한다면 그들과 만날 수 있을까?.
그리고
언젠가는 빛을 잃어버릴 지구를 탈출할 수 있을까?
현재 지구와 가장 가까운 항성계는 지구에서 4.3광년 떨어진 알파 센타우리.
빛의 속도로 달려도 4.3년이 걸리는데 지금의 인류는 빛의 0.001%의 속도에도 도달하지 못했다.
현재까지 발견된 가장 가까운 지구형 행성 케플러 186f는 490광년이나 떨어져 있다.
인류가 언제까지 존속될지는 미지수이지만,
To be or Not to be
약 46억 년 뒤 팽창한 태양에 의해 지구는 녹아 사라지게 된다.
초미래에 인류의 태양계 탈출이 필수적이라면
인류는 이를 위해 어떤 대비책을 준비하고 있을까?
인류는 성간 여행을 가능케 할 수 있을까?
현재 인류가 연구하고 있는 방법은
이민선 or 우주 식민지
거대한 이민선을 타고 시간이 수천 년이 걸리든 수억 년이 걸리든 우주를 항해하며 새로운 지구형 행성을 찾아 나서는 것이다.
이는
베르나르 베르베르의 소설 'Le Papillon des etoiles'
의 소재가 되기도 했다.
사람들을 모두 냉동 체임버에서 수면상태로 만든 후 새로운 식민지에 도착한 뒤 깨어나던지, 이민선이나 우주식민지에서 생활을 하며 제네시스의 순간을 기다려야 할 것이다.
태양광 돛
현재 기술로는 연료를 비행체에 모두 싣고 추진하는 것에는 한계가 있다.
수백 광년 거리의 항성 간 항해를 하기 위해서는 아무리 텅텅 빈 우주여도 연료가 필수적이며 추진뿐만 아니라 선체 내의 인류의 생활에 필요한 에너지 공급도 필수적일 것이다.
태양광 돛 계획은 태양의 광자가 가지는 에너지를 이용하여 이동하는 우주선이다.
하지만 태양으로부터 멀어지면 멀어질수록 효율이 떨어지고 태양광을 모으기 위한 부수적인 기계들이
필요하다고 한다.
거기다 속도도 엄청 느리다고 한다.
핵추진 우주선
지금의 인류 과학 기준 수준에서 실현 가능한 가장 쉬운 성간 항법, 오리온 프로젝트(핵 펄스).
핵무기의 폭발력을 우주선체의 추진력으로 이용하는 아이디어이다.
하지만 핵폭발의 추진력으로 항해하기 때문에 방사능 피폭의 위험이 있고 무엇보다도 핵폭탄이기 때문에 에너지가 전달되는 시간이 매우 짧다.
예를 들면 얼음 위에서 누가 뒤에서 천천히 밀어주는 것과 트럭이 치고 가는 느낌의 차이일 것이다.
펄스의 의미가 짧은 시간 내에 강한 입력값을 주는 것이니, 가속을 천천히 부드럽게 해주어야 선체에 피해도 주지 않고 내부의 인류도 살아갈 수 있을 것이다.
오리온 프로젝트 이외에도 최소한의 핵반응을 특수 노즐 내에서 일으켜 강력한 자기장을 이용해 외부로 분사하는 핵융합 추진을 이용하는 방법 등 여러 가지가 있다.
성간 램제트
앞에서 잠깐 이야기했던 비행기의 램제트와 비슷한 원리인데 모양이 굉장히 독특하다.
앞부분의 고깔 모양의 자기장 토러스를 이용하여 우주 공간에 풍부한 수소를 수집하여 그 수소를 에너지원으로 사용하는 방식이다.
문헌에는 이 램제트 방식으로 광속의 10% 이상 낼 수 있다고 설명되어 있지만, 여전히 기술적 한계가 있다.
위의 방법들 말고도 수없이 많은 성간 항법들이 존재한다.
하지만 지금까지 소개했던 성간 항법들의 공통점은 바로
'뉴턴 운동 법칙'
F=ma와 작용반작용의 법칙에 의거, 분사하는 물질의 반작용에 의해 추진력을 얻는다는 공통점이 있으며,
기존의 방식들은 속도의 한계가 있다는 단점이 존재하는 것이다.
'광속도불변의 법칙'
그 누가 관측하더라도 빛의 속도는 변하지 않고, 그 어떤
것도 빛의 속도를 뛰어넘을 수 없다.
물체의 속도를 가하면 저속에서는 힘에 비례하여 속도가 증가하지만 광속에 가까워져 갈수록 물체의 속도를 올리기가 힘들어져 결국에는 속도가 증가하는 값보다 가속되는 물체의 질량이 무한대로 증가하게 된다.
이처럼 작용 반작용에 의한 에너지 전환 추진은 그 속도의 한계가 초속 30만 km라는 구체적이고도 완고한 한계를 가지고 있다.
본체가 광속으로 달리려면 뒤에서 추진력을 제공하기 위해 분사되고 있는 배기가스는 광속 이상으로 배기되어야 하지만 그것은 현재로서는 불가능한 일이다.
이러한 제약들 때문에 생겨난 이론이
블랙홀 - 웜홀 워프
속도의 한계를 넘을 수 없다면 거리를 줄여버리는,
블랙홀-웜홀 이론으로부터 출발하는 이 블랙홀 워프 이론은 강력한 중력을 가진 블랙홀 주변의 시공간이 흐트러지고 뭉개져버리니, 그 짓뭉겨지는 경계로 저 멀리 다른 공간과 웜홀로 연결되지 않을까? 라는 가설에서 출발한다.
하지만 이러한 초장거리 워프가 아직은 우리의 공상 속에 존재하는 일일지라도 아무리 공상이라도, 저 정도의 공간 도약을 하려면 못해도 출구 쪽 정보를 제공할 워프 마커라도 있어야 할 것이다.
우리가 아무리 최첨단 통신기기를 가지고 있어도 상대방이 수신 기기가 없으면 연결이 안 되는 것처럼.
알쿠비에레 엔진
'알쿠비에레 엔진'은 실제로 나사에서 연구에 착수해서 이론적으로는 전혀 불가능이 아니라는 결과가 나왔다고 한다.
또 하나의 태양계 탈출 시나리오가 생긴 것이다.
대략적인 워프 드라이브의 작동원리는 중력 엔진을 이용하여 공간 자체를 일그러뜨려 앞으로 순간순간 연속적으로 워프를 하는 것이다.
그렇기에 워프 마커도 필요 없다고 간주된다.
그리고 사진에서와 같이 정작 우주선이 있는 공간은 크게 뒤틀리지 않기 때문에 외부와의 타임랙(시간 지연)이 크게 없어 궁극의 이동 기술이 될 수도 있다고
한다.
하지만 이 이론에도 엄청난 문제가 있는데 이 '인공 중력장'을 어떻게 생성할 것인가?이다.
블랙홀까지는 아니어도 공간을 일그러뜨릴 정도의 중력장을 형성하기 위해서는 그야말로 상상도 못할 정도의 에너지가 필요하다고 한다.
이 워프 드라이브를 이용해 4.3광년 떨어진 알파센타우리까지 이론적으로는 2주밖에 걸리지 않는다고 한다.
흥미로운 점은 이 이론이 공간을 휘어 추진하는 방법이기 때문에 광속도 불변의 법칙에서 자유로울 수 있다.
그리고 우주선의 모습을 보면 기존의 우주선 모습과 다른 점이 눈에 띄는데 바로 선체를 동그랗게 감싸고 있는 형태이다.
이러한 형태를 보면 생각나는 것이
바로 '입자 가속기'이다.
우리는 가끔 뉴스에서 입자가속기의 입자충돌 실험에 대한 기사를 접하곤 한다.
광속의 99%까지 가속시킨 미립자들을 충돌시키면
엄청난 에너지가 발생하는데 이때 블랙홀이 생길 수 도 있으며 우주의 기원에 다가갈 수도 있다는 가설이 나오고 있다.
하지만 우주의 기원보다 이 입자가속기를 이용하여
인공적인 블랙홀을 만들 수 있다면 이 기술을 워프
드라이브에 적용할 수도 있을 것이다.
전쟁용 무기로 만들어졌던 전자레인지가 지금은 필수 가전 중 하나가 된 것처럼 우주의 기원이나 우주의 근원 등 여러 가지를 이해하기 위해 사용되고 있는 입자가속기가 전혀 생각지 못한 워프 드라이브의 열쇠가 될 수도 있을 것이다.