SpaceX의 재착륙 우주선 Starship의 시험 비행과 블루오리진의 New Shephard의 105 km 시험 비행이 성공하면서 우주 여행에 대한 관심이 많아지고 있다. 하지만 로켓을 사용한 방법은 고비용이며 준비에 많은 시간이 소요된다. 또한 일반인이 우주여행을 목적으로 하기에는 이륙시 자기 체중의 7배 해당하는 중력을 견뎌야 하는 것은 매우 힘든 일이다. 로켓을 사용하지 않고 우주로 가는 방법 중의 하나가 우주 엘리베이터(space elevator)이다.


우주 엘리베이터는 1895년 러시아 과학자 콘스탄틴 치오코프스키(Konstantin Tsiolkovsky)가 지구표면에서 정지궤도까지 에펠탑과 같은 철탑을 세우는 개념을 소개하면서 시작되었다[1]. 치오코프스키의 철탑은 자체 하중 때문에 한계가 있기 때문에 1959년에 러시아 엔지니어 유리 아트수타노프(Yuri N. Artsutanov)가 우주정지궤도에 있는 위성에서 장력이 있는 구조물을 풀어서 지구 표면에 연결하는 방법을 제시하였다. 균형추를 사용한 장력이 있는 케이블을 사용하여 원심력으로 지탱하는 방법으로 이때 현재의 우주 엘리베이터 개념이 정립되었다. 균형추 역할을 하는 구조물을 counterweight라고 하며 케이블의 두께는 장력에 따라 달라지는데 지면에서는 최소가 되면 정지궤도에서는 최대가 된다.


케이블에 사용 가능한 재질로 강철은 중량 대비 장력의 한계가 있기 때문에 1990년대에 개발된 탄소 나노튜브(CNTs, carbon nanotubes)를 NASA의 엔지니어 데이비드 스미서먼(David Smitherman)이 케이블의 재료로 사용하는 것을 고려하면서 탄소 나노튜브는 우주 엘리베이터의 케이블의 주 재료로 연구가 시작되었다[1]. 2019년 국제 우주학회(IAA, International Academy of Astronautics)는 “Road to the Space Elevator Era”를 발간하면서 우주 엘리베이터는 실현 가능한 기술이며, 그라핀의 제조 기술이 바탕이 된다면 우주 엘리베이터는 생각보다 일찍 개발이 될 것을 시사하고 있다[1].

우주 엘리베이터의 주요 구조물과 특성에 대해 먼저 서술하고, 우주 엘리베이터에 대한 논문은 대부분 개념적 연구가 많기에 해당 보고서에는 실험이 수행된 논문들 위주로 소개하고자 한다.

우주 엘리베이터가 지구와 연결이 되어 있다면 케이블과 균형추는 지구의 자전을 따라서 회전을 하게 된다[1]. 이때 케이블에는 지구의 중력과 회전에 의한 원심력이 작용한다. 중력은 지구 표면으로 물체를 당기며 원심력은 지구에서 멀어지는 힘으로 이 두 힘이 균형을 이루어 제로가 되는 지점이 지구 정지궤도이다. 따라서 지구 정지궤도 아래는 지구쪽으로 당기는 힘이 작용하며 정지궤도 바깥쪽은 지구를 벗어나려는 힘이 작용하게 된다.


우주 엘리베이터 개발에 가장 큰 문제는 케이블의 재료이다. 지구 정지궤도를 중심으로 중력과 원심력이 작용하기 때문에 지구 표면에서 장력이 최소이며 지구 정지궤도에서 최대가 되게 된다[1]. 이와 같이 지구 표면과 지구 정지궤도의 케이블 두께 비를 테이퍼비(taper ratio)라 하며 이는 재질의 비강력(장력/밀도)에 반비례한다. 강철(비강력 0.63)의 테이퍼비는 1.6x1033이지만 탄소 나노튜브(비강력 100)의 테이퍼비는 1.6이다[1].


지구 표면에 설치되는 기본 플랫폼은 크게 바다에서 이동이 가능한 플랫폼과 지상의 산과 같은 높은 곳에 고정된 플랫폼으로 구분이 된다[1]. 산과 같은 높은 곳에 철탑 형태로 설치된 플랫폼은 지구 중력장 내의 케이블 길이가 줄어든다는 장점이 있다. 그만큼 케이블에 소요되는 비용이 감소하고 기술적으로 단순한 철탑 구조이기에 제작이 용이하다는 장점이 있다. 바다에서 이동 가능한 플랫폼은 거대한 배나 시추선과 같은 이동 가능한 플랫폼으로 강한 바람이나 우주 쓰레기 등을 회피해야 할 경우 이동할 수 있다는 장점이 있다.

케이블은 자체 하중 지지뿐만 아니라 클라이머(climber)의 무게를 지탱해야한다. 1979년 C. Clarke는 지구 중력을 탈출할 수 있는 고도가 약 4960 km로 계산하였으며, 이 지점에서부터는 중력보다는 원심력이 커지면서 지구정지궤도 35786 km에서는 힘의 균형으로 0이 된다[1]. 따라서 최소한 4960 km까지 케이블은 끊어지지 않고 견뎌야 한다. 일반적인 금속 케이블은 20-30km에서 끊어지며 유리섬유나 탄소/그라파이트 섬유의 경우에는 100-400 km에서 끊어진다[1].

탄소 나노튜브나 최근에 개발된 그라핀 리본의 경우는 5000~6000 km 일 것으로 예상하며, 전기 전도성도 가지고 있다, 2014년 합성에 성공한 다이아몬드 나노섬유 또한 탄소 나노튜브의 강한 성질을 가지고 있기에 케이블의 재료로 사용가능 할 것으로 예측하고 있다[1].


일상생활에서 사용하는 엘리베이터는 케이블이 움직이면서 물체를 이동시키지만 우주 엘리베이터는 매우 긴 케이블로 인해 클라이머라는 이동 장치가 필요하다. 클라이머는 케이블에 가하는 스트레스와 진동을 줄여야 하며 가동률은 높여야 하기에 가볍고 동시에 여러 대의 클라이머를 가동시키는 방법이 사용될 것이다[1]. 클라이머가 우주로 이동하면 지구는 자전하기 때문에 Coriolis 힘이 작용하게 된다. 즉 케이블에 장착되어 이동하는 클라이머는 하나의 저항 역할을 하게 되며 이는 케이블 끝단의 균형추의 이동을 일으켜 마치 진자 운동과 같은 진동을 유발할 수 있다.

따라서 클라이머의 이동 속도는 Coriolis 힘, 가동 파워, 케이블이 파손되지 않도록 하는 가속도 등으로 인해 속도가 제한적일 수 밖에 없다. 기차의 속도 (300 km/h)로 지구정지궤도까지 이동하는데 약 5일이 걸리는 것을 생각하면 클라이머의 이동 속도는 우주 엘리베이터 활용에 매우 중요한 변수 중의 하나임을 알 수 있다.

균형추는 운석이나 우주 정거장 같은 구조물, 또는 균형추에 필요한 무게만큼 케이블을 연장하는 방법이 있다[1]. 현재는 기술적, 비용적 측면에서 케이블을 연장하는 것이 가장 실현 가능한 방법으로 생각되지만 연장된 길이만큼의 무거운 케이블을 우주로 이동시켜야 한다는 단점이 있다.


우주 엘리베이터에서 가장 핵심은 케이블의 소재이다. 해당 논문[2]은 우주 환경이 탄소 나노튜브에 대한 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 우주 환경에서 우주선, 자외선, 자기장, 소형 운석이나 우주 쓰레기 등이 케이블에 영향을 미칠 수 있다.

국제우주정거장(ISS, International Space Station)이 위치한 지구 저궤도(LEO, Low Earth Orbit)에는 매우 얇은 대기 층이 있으며 이곳은 10-5 Pa 진공상태로 분자 산소(AO)가 80%이상 존재한다. 분자 산소 AO는 산소 분자가 태양 빛의 자외선에 의해 광분해 되면서 발생한다. 우주왕복선의 열저항 코팅재로 사용하는 폴리이미드(polymide)필름의 두께와 파손이 발견되었다.

그 원인을 분석하는 과정에서 AO의 충돌과 화학적 작용으로 인해 폴리이미드 표면이 산화되거나 소산된 것으로 확인되었다. 국제우주정거장 역시 AO의 충돌로 인해 표면이 산화되거나 파손이 발생하고 있다. 해당 논문[2]에서는 일본의 건설회사 오바야시(Obayashi) 와 Shizuoka 대학, 일본항공우주청(JAXA)가 탄소 나노튜브의 우주 환경 특히 AO에 의한 영향에 대해 연구를 수행하였다. 다중벽 탄소나노뷰트(MWCNT, multi-walled CNT)섬유는 수직으로 배열된 탄소나노튜브 포레스트를 지나면서 CM-CVD(염화 화학 기상 증착, Chloride mediated chemical vapor deposition)을 통해 제조된다. CM-CVD는 열 화학 기상 증착법으로 탄소 원료인 아세틸렌 가스와 Fe 촉매 나노입자를 위한 선구체로 염화철(FeCl2)을 사용한다. Fig 2와 같이 탄소나노튜브 포레스트에서 MWCNT 천이 회전체를 통해 실과 같은 형태로 뽑아지게 된다.


논문[2]에서는 AO, 전자빔, 반년 동안 조사되는 양의 자외선을 지상 시험에서 수행했으며, 동시에 국제우주정거장에서 1-2년동안 우주 환경 노출 시험을 동시에 수행하였다. 지상, 우주 시험에서 전자빔이나 자외선이 탄소나노튜브에 미치는 영향은 거의 없었으나 AO는 탄소 나노튜브에 심각한 손상을 발생시키는 것을 확인할 수 있다.


Fig 3의 신품 나노튜브 구조가 Fig 4에서 파손되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 탄소나노튜브의 장력은 신품 대비 40%~65%까지 감소하는 것을 우주 시험 결과에서 확인할 수 있다. 따라서 탄소 나노튜브는 먜가 비교적 많이 분포한 LEO에서 사용하기에 부적합하지만 그 외 고도에서는 사용 가능하다는 것을 알 수 있으며, AO에 대해 저항성이 높은 금속이나 실리콘 코팅을 통해서 AO에 의한 파손을 막을 수 있다.


우주 줄 또는 끈(space tether)은 우주 쓰레기 처리나 편대 비행, 우주 엘리베이터를 위해서 필요한 기술 중의 하나이며 Shizuoka 대학에서는 STAR-C(Space Tethered Autonomous Robotic Satellite-Cube)를 제작하여 2016년 12월에 국제우주정거장 Kibo 모듈로 보내어 우주 줄 시험을 수행하고 2018년 3월에 지구로 귀환하였다[3].


STAR-C는 2U 사이즈의 CubeSat이다. 모 인공위성(MS mother satellite)과 자 인공위성(DS daughter satellite) 2대의 CubeSat이 아라미드 섬유로 연결되어 있다(Fig 5). 아라미드 섬유는 내열, 내화학성이 강하며 강철보다 5배나 강한 신소재로 지름 0.4 mm 길이 100 m 무게는 약 18 g이다.


지상 기지국과의 통신 문제로 실제 시험 데이터는 받지 못하였으며, 지상 관측 망원경의 영상으로 STAR-C의 이동(회전)과 우주 줄의 길이를 예측하였다. STAR-C는 표면의 태양 전지판 배열을 조절하여 각 면의 조도가 다르게 하였으며 이를 통해 태양광에 반사되는 밝기를 통해 STAR-C의 어느 면인지를 예측할 수 있다(Fig 6).

실제로 100 m까지 DS가 풀어져야 하지만 계측 결과는 30 m였다. DS가 100 m까지 전개되지 못한 이유는 분리될 때 필요한 스피링 힘이 약했거나 줄이 풀리면서 DS의 진동으로 인해 출구 부분 마찰(저항)로 더 이상 풀리지 못했을 수 도 있다. 시험 과정을 저장한 데이터가 없기에 실제로는 MS, DS는 100 m로 전개되었지만 두 CubeSat은 회전하기 때문에 줄이 각 위성에 감기면서 마지막에 서로 힘의 균형을 이루면서 멈춘 게 30 m 일 수도 있다. 우주에서의 실험은 많은 변수가 존재하기에 예상했던 결과를 얻지는 못하였다.


 

같은 시기에 Shizuoka대학은 STAR-C와 함께 STARS-ME(Space Tethered Autonomous Robotic Satellite-Mini Elevator) 위성을 2018년 9월 23일에 발사하였다. STAR-C가 우주 끈을 사용한 위성의 운동 역학적 연구에 주안점을 두었다면 SATRS-ME는 소형 우주엘리베이터 시험용이다. STARS-ME는 100 X 100 x 227 mm로 2U CubeSat으로 무게는 2.66 kg이다. 두 STARS-ME를 연결하는 케이블의 길이는 약 14 m으로 클라이머를 탑재한 CV와 HT로 분리가 된다.

클라이머는 CV에서 분리되어 약 3 m에서 전기 모터로 144 rpm으로 회전하며 케이블은 강선으로 되어 있다. CV와 HT 분리와 클라이머의 이동은 모두 지상 통신국을 통해 제어가 된다.


 

STARS-ME프로그램에 참여하고 있는 일본의 건설업체인 오바야시(Obayashi)회사는 탄소 나노 튜브를 사용하여 지구의 해양 정거장(Earth Port)에서 고도 36000 km 지점(지구 정지궤도)까지 우주 정거장을 연결하는 것을 제안하고 있다[5]. 오바야시는 현재의 탄소 나노튜브나 그라핀 같은 신 물질 개발로 우주 엘리베이터는 2050년까지는 완성하겠다는 계획을 세우고 있다.


우주 엘리베이터 개발과 관련된 연구는 아직까지는 본격적으로 이루어지고 있지는 않다. 많은 비용과 위험성이 있으며 가장 큰 난관은 우주 엘리베이터의 케이블에 사용 가능한 가볍고 강한 재질이 개발되어야 한다는 점이다. 현재 일본의 JAXA와 오바야시 회사가 우주 엘리베이터 개발을 위한 다양한 연구를 수행하고 있으며, ISEC(International Space Elevator Consortium)[6]은 우주 엘리베이터 개발을 위한 민관 조직으로 우주 엘리베이터 관련 학회, 연구들을 주도적으로 수행하고 있는 기관이다.

Liftport[7]는 2003년에 NASA의 지원을 받았지만 현재는 개별 연구를 수행하는 민간 기업으로 지구에서의 우주 엘리베이터 보다는 중력이나 공기 저항이 거의 없는 달이나 화성에서의 우주 엘리베이터 사용을 제안하고 있다. 우주 개발을 위한 재사용 로켓은 지금은 민간 기업들도 개발을 하고 있지만 20년 전만해도 개념 연구나 실험실 연구 수준이었다. 우주 엘리베이터 역시 우주로의 인류 진출을 위한 필요한 기술 중의 하나로 앞으로 많은 연구들이 진행될 것으로 사료된다.