[위즈덤 네이처] 우주로 가는 비밀 사다리, 탄소나노튜브로 만든 우주 엘리베이터

[위즈덤 아고라 / 이채은 기자] 우리는 언젠가 우주여행을 할 수 있을까? SF 영화에서는 자주 등장하는 장면이지만, 실제로 우주로 가는 방법은 매우 제한적이고 비싸다. 지금도 로켓을 이용한 우주여행에는 수억 원에 달하는 비용이 들며, 수많은 기술적 한계도 존재한다. 로켓이 지구 궤도를 벗어나려면 초당 11.2km로 날아갈 수 있는 엄청난 추진력이 필요하다. 그러나 최근 과학자들 사이에서 우주 엘리베이터라는 개념이 높은 관심을 받고 있다. 과연 우주 엘리베이터는 현실이 될 수 있을까? 이 혁신적 아이디어의 핵심은 바로 탄소나노튜브라는 물질에 있다.

탄소나노튜브란?

탄소나노튜브는 탄소 원자가 육각형 패턴으로 배열된 나노 크기의 튜브형 구조를 가진 물질이다. 두께는 나노미터 단위로 매우  얇으며, 길이는 마이크로미터에서 센티미터에 달할 수 있다. 우리가 주목해야 할 점은 이 구조에서 오는 강도와 내구성이다.

탄소나노튜브의 강도는 철보다 100배 이상 강하면서도 무게는 매우 가볍다. 이 때문에 높은 기계적 강도와 경량성을 동시에 제공할 수 있어, 이상적인 첨단 소재로 떠오르고 있다. 또한, 탄소나노튜브는 전기 전도성과 열 전도성이 뛰어나 다양한 전자기기와 고성능 재료에 널리 활용될 수 있다. 뿐만 아니라 비틀림과 늘어짐에 대한 강한 저항력은 우주 엘리베이터와 같은 대규모 구조물 제작에 적합한 재료로 평가받는 중요한 이유 중 하나다.

우주 엘리베이터의 케이블은 지구와 우주를 연결하기 위해 10만 킬로미터 이상의 길이를 가져야 하며, 이 과정에서 엄청난 하중을 견뎌야 한다. 탄소나노튜브는 이러한 조건을 충족할 수 있는 강도와 내구성을 제공하기 때문에 우주 엘리베이터의 주재료로 큰 주목을 받고 있으며, 실제로 이를 활용한 다양한 실험이 진행되고 있다.

우주 엘리베이터란?

우주 엘리베이터는 흔히 궤도 엘리베이터라고도 불린다. 이는 우주로 화물을 운송하기 위해 지표면으로부터 뻗어 있는 거대한 엘리베이터 구조물이다. 필요한 자원의 부족으로 아직 실현되지는 않았지만, 이 개념은 1895년 러시아의 과학자 콘스탄틴 치올코프스키가 에펠탑에서 영감을 받아 처음 제안하였다. 이후 우주 엘리베이터는 과학계에서 흥미로운 연구 주제가 되었다.

우주 엘리베이터의 기본 구조는 우리가 사용하는 엘리베이터와 같다. 지상으로부터 우주의 특정 지점까지 케이블을 연결한 뒤, 컨테이너를 설치해 이를 따라 우주를 왕복하는 형식이다. 논의된 우주 엘리베이터의 제작 방식은 케이블을 하나씩 추가하며 길이를 늘여가다가, 안정적인 고도에 진입하면 엘리베이터 장치에 필요한 나머지 장비를 투입하는 것이다. 이때, 정지궤도인 35,785km 높이에 기지를 설치한다. 이 기지는 원심력을 이용해 케이블을 팽팽히 잡아주는 역할을 한다. 이론적으로 중력과 자체 무게의 합이 원심력과 균형을 이루면 구조물이 안정적으로 유지될 수 있다.

실험 결과, 금속 케이블은 최대 54km, 그래파이트 섬유는 1,050km까지의 하중을 견딜 수 있었다. 그러나 탄소나노튜브는 이와 비교할 수 없을 정도로 강한 10,204km까지 하중을 견딜 수 있어, 가장 유망한 케이블 재료로 평가받고 있다.

2018년 9월, 일본 시즈오카대학교 연구진은 우주 엘리베이터 실현을 위한 중요한 발걸음을 내디뎠다. 이들은 관련 장비를 탑재한 우주선을 발사했으며, 예비 실험을 위해 10cm 크기의 초소형 카메라를 국제우주정거장으로 보냈다. 이후 이 장비를 활용해 두 위성 사이에 미니 엘리베이터를 설치하고 작동시키는 실험을 진행했다. 이는 콘스탄틴 치올코프스키가 우주 엘리베이터 개념을 제안한 지 120년 만에 처음으로 우주 환경에서 이루어진 실험이라는 점에서 큰 의의를 가진다.

우주 엘리베이터와 탄소나노튜브

우주 엘리베이터의 핵심은 바로 ‘기둥’ 역할을 하는 구조물이다. 이 기둥은 지구에서 우주까지 뻗어나가며, 약 10만 km 길이로 설계된다. 기존의 어떤 재료도 이런 강도와 경량성을 제공할 수 없었지만, 탄소나노튜브의 발견으로 그 가능성이 열렸다.

일본의 건설회사 오바야시(Obayashi)와 시즈오카 대학교, 일본항공 우주청(JAXA)은 탄소 나노튜브의 우주 환경에서의 성능을 검증하기 위한 연구를 진행하였다. 이들은 탄소 나노튜브가 우주 환경에서 겪을 수 있는 산화, 방사선, 충격 등에 대한 실험을 수행하였으며, 그 결과 탄소 나노튜브가 우주 환경에서도 우수한 내구성을 보인다는 것을 확인하였다. 이러한 실험 결과는 탄소 나노튜브가 우주 엘리베이터의 케이블 소재로 사용되기에 유망함을 입증한 사례이다.

NASA 역시 탄소나노튜브의 강도를 평가하며 우주 엘리베이터 실현 가능성을 연구해 왔다. 2010년에는 ‘강도 한계상 시험'(Stronger Tether Challenge)이라는 대회를 개최해 우주 엘리베이터용 케이블 제작의 가능성을 탐구했다. 이 대회에서는 혁신적인 소재와 설계를 갖춘 팀들이 탄소나노튜브를 비롯한 초고강도 물질로 제작한 케이블을 활용하며 경쟁했다. 이 대회에서 선보인 최고 성능의 케이블은 기존 철강보다 약 50배 높은 강도를 보였지만, NASA가 제시한 이상적인 기준인 강철 대비 100배 강도에는 미치지 못했다. 이러한 연구는 탄소나노튜브와 같은 첨단 소재의 한계를 파악하고, 개선 방향을 모색하는 데 중요한 역할을 하고 있다.

우주 엘리베이터의 장점

우주 엘리베이터가 실현되면, 우주여행은 더 이상 꿈이 아닌 현실이 될 것이다. 탄소나노튜브로 만든 우주 엘리베이터의 큰 장점 중 하나는 비용 절감이다. 현재 우주여행은 대부분 로켓을 이용하는 방식으로, 한 번 발사하는 데에 수백억 원이 소요될 만큼 비용이 매우 비싸다. 이 때문에 로켓 발사 횟수도 제한적일 수밖에 없다. 반면, 우주 엘리베이터는 초기 건설 비용이 크더라도 유지 비용이 매우 낮다. 엘리베이터를 한 번 왕복시키는 데 드는 비용은 수백 달러 수준으로 줄어들 것으로 예상되며, 소요 시간도 약 두 시간 반으로 비교적 짧을 것이다. 로켓 대신 엘리베이터를 이용해 물자나 승객을 우주로 운송하는 방식이 이러한 효율성을 가능하게 한다.

또한, 엘리베이터는 반복적으로 사용할 수 있어 일회성 로켓보다 훨씬 효율적이다. 이로 인해 우주 탐사나 우주여행이 더 저렴해지고, 더 자주 이루어질 수 있게 된다. 즉, 우주 개척을 보다 수월하게 만들어주는 필수적인 기술이 될 것이다. 또한, 우주 엘리베이터는 지속적이고 친환경적인 에너지 공급에도 유리하다. 전기를 공급받을 수 있는 특성이 있어, 태양광을 비롯한 다양한 청정에너지를 활용할 수 있다. 이는 우주 탐사나 우주 식민지 건설을 위한 중요한 기술적 진전을 시사한다.

우주 엘리베이터를 향한 도전

우주 엘리베이터의 실현을 위해서는 수많은 도전 과제를 해결해야 한다. 우선, 케이블로 사용할 소재 문제를 해결하기 위해 과학자들은 탄소나노튜브와 같은 초고강도 물질에 대한 연구에 집중해 왔다. 이들은 케이블이 지구의 중력과 원심력뿐 아니라 우주에서 발생하는 다양한 환경적 요인도 견뎌야 한다고 보았다. NASA와 일본의 여러 연구 기관은 탄소나노튜브의 성능을 시험하여 그 강도와 내구성을 확인하는 데 진전을 이루었지만, 이러한 연구는 우주 엘리베이터 실현의 한계와 어려움을 재확인하게 했다.

이와 함께 대량 생산 문제도 중요한 과제로 부상했다. 과학자들은 탄소나노튜브를 수십 킬로미터 이상의 길이로 균질하게 제조하는 기술을 확보하려고 했지만, 아직 이를 실현할 기술적 돌파구를 마련하지 못했다. 더불어, 우주 환경에서 발생할 수 있는 방사선과 미세 운석 충돌 같은 위험 요소를 극복하기 위한 보호 장치 개발도 필요하다는 결론을 내렸다. 이와 같은 난제들은 우주 엘리베이터가 단순한 상상에서 벗어나기 어렵다는 회의적인 시각을 낳게 했다.

테슬라와 스페이스X의 창업자인 일론 머스크는 우주 엘리베이터에 대해 회의적인 입장을 명확히 밝혔다. 그는 케이블 소재로 제안된 탄소나노튜브의 강도와 길이에 대해 의문을 제기하며, 우주 엘리베이터보다 로켓 기술의 효율성과 발전 가능성을 강조했다. 머스크는 현재 기술로는 우주 엘리베이터를 실현할 수 없다고 주장하며, 케이블 제작과 유지보수에 드는 막대한 비용과 우주 환경에서의 실질적 위험 요소를 문제로 지적했다. 그는 로켓 재사용 기술이 발전함에 따라 우주 접근 비용이 지속적으로 낮아지고 있다고 보며, 우주 엘리베이터보다 기존의 로켓 기술이 더 현실적인 대안이라고 평가했다.

현실로 다가오는 우주 엘리베이터

우주 엘리베이터는 더 이상 먼 미래의 이야기가 아니다. 탄소나노튜브라는 혁신적인 물질 덕분에 우주로 가는 길은 점차 현실로 조금씩 다가오는 중이다. 우리가 상상했던 우주여행은 더 이상 공상에 그치지 않고 실제로 이루어질 가능성이 높아지고 있다. 우주 엘리베이터는 미래의 우주 탐사와 여행을 혁신적으로 변화시킬 수 있는 중요한 기술로 자리 잡고 있다. 이 기술이 발전함에 따라, 언젠가는 우주로 향하는 사다리를 타고 모두가 우주를 여행하는 시대를 맞이하게 될 것이다.

[위즈덤 네이처] 현대 사회의 놀라운 발전 뒤에는 여러 소재와 화학적 비밀이 숨겨져 있습니다. 우리가 매일 사용하는 스마트폰부터 더 깨끗한 에너지를 위한 배터리까지! 이 모든 것은 작은 분자들이 이루어낸 과학적인 산물입니다. 최근에는 우리의 생각보다 더 작은 나노의 세계까지 도달한 나노 기술과 분자 설계가 더욱 주목을 받고 있습니다. 우리 생활에 어떤 물질의 기술들이 영향을 미쳤는지 고찰해 보고 더 나은 미래를 위해 어떤 기술들이 개발되고 있는지를 알아보는 칼럼을 연재합니다. 위즈덤 아고라 이채은 기자의 ‘위즈덤 네이처’와 함께 일상을 구성하는 신소재 기술들과 응용의 깊은 세계를 탐험해 보세요.