우주 엘리베이터

 

우주 엘리베이터는 공상과학 소설에서나 등장하는 개념이 아니고 실제로 과학자들이 진지하게 연구하고 있는 미래 기술중의 하나이다. 내가 회사를 다녔을때에도 왠만한 텍스트북에서 소개가 될 정도였고 간간이 엘리베이터월드지에서 경연대회(주1 참조)같은 것을 한다는 소식도 들려 왔었다. 엘리베이터 - 종류(분류)

 

우주 엘리베이터는 로켓 없이도 우주로 올라갈 수 있는 엘리베이터를 말한다. 우주 엘리베이터는 지구(적도부근)에서 시작해 정지궤도(약 36,000km 상공, 주2 참조)까지 연결된 케이블을 따라 올라가는 운송 시스템이다. 이 케이블을 따라 ‘클라이머(셔틀)’라는 승강기 형태의 장치가 사람이나 화물을 실어 나르는 방식이다.

 

(출처: https://space-elevator-kr.blogspot.com)

 

우주 엘리베이터는 1895년 구소련의 물리학자이며 우주 비행이론의 개척자인 콘스탄틴 치올콥스키가 구상한 아이디어(에펠탑을 보면서 생각했다는 얘기도 있다)로 알려져 있다. 우주엘리베이터의 개발의 필요성은 단연 비용 때문이다. 현재 기술로서 로켓은 1kg을 우주로 보내는데 2천만원에서 4천만원정도의 비용이 들어간다고 알려져 있다. 반면에 우주 엘리베이터는 20만원에서 40만원정도의 비용(1/100 수준)이 들어간다고 알려져 있다(출처:  우주 엘리베이터 ). 연료비는 로켓에 비해서는 1/3 수준이라고 한다.

 

우주 엘리베이터 원리의 핵심은 다음과 같다.

우주 엘리베이터는 정지궤도에 있는 우주정거장까지 물자를 나른다. 케이블의 끝에는 원심력이 중력의 힘과 균형을 이루도록 평형추(Counterweight)를 달아준다. 이렇게 하면 케이블의 자중이나 클라이머가 움직일 때 중력의 영향으로 케이블이 지구로 당겨지지 않게 된다. 클라이머는 시속 약 190~320km로 이동(우주정거장까지는 약 8일 소요)하며 매일 또는 격일 15톤 규모의 물자를 운반할 수 있다고 한다. (출처: 우주 엘리베이터가 작동한다면… < 국제일반 < Global < 기사본문 - 포춘코리아 디지털 뉴스 )

 

 

우주 엘리베이터의 기본 설비는 다음과 같다.

구분	설명	비고
정지궤도 위성	지구 자전 속도와 동일하게 도는 인공위성에 케이블을 연결한다.
지구와 연결된 케이블	이 케이블은 지구 중심에서 위성까지 이어지며, 지구의 중력과 원심력이 균형을 이루도록 설계된다.
클라이머	전기나 태양광 등으로 작동하는 승강기 형태의 장치가 케이블을 따라 위로 이동한다.

 

 

다음은 기술적 해결이 필요한 과제이다.

구분	설명	비고
초강력 소재	케이블은 엄청난 장력을 견뎌야 하므로, 탄소나노튜브나 그래핀 같은 미래형 소재가 필요하다.	탄소나노튜브(CNT): 강철보다 100배 강하고 가벼운 소재로, 케이블 제작에 가장 유망 (주3 참조) 그래핀: 이론상 CNT보다 더 강하지만, 대량 생산 기술은 아직 미완성임.
우주 쓰레기와 기상 조건	케이블이 우주 쓰레기나 번개 등에 손상될 위험이 있다.
에너지 공급	클라이머를 작동시키기 위한 안정적인 에너지 공급 방식도 해결해야 할 과제이다.

 

주) 이외에도 케이블을 포함한 전 설비가 견뎌야 하는 온도의 범위도 만만치 않다. 최저 -150도~최고 2,000도 근방의 온도에도 움직임에 영향이 없어야 한다. 특히 열권에서는 고온과 극저온의 온도 변화에도 매우 강해야 한다. 지구에서 우주공간까지의 예상되는 온도 및 주요 영향요인은 다음과 같다.

구분	온도범위	주요영향요인
지상 ~ 성층권 (0~50km)	-50°C ~ +50°C	기상 변화, 태풍, 낙뢰, 해수염 등
중간권 ~ 열권 (50~600km)	-90°C ~ +2,000°C	대기 희박, 태양 복사열, 플라즈마 영향
우주 공간 (600km 이상)	-150°C ~ +120°C	태양광 직사, 우주 방사선, 열 복사

 

 

우주 엘리베이터는 아직 실현되지 않았지만 일본과 미국을 포함한 여러나라에서 연구가 진행중이다. 아래는 현황을 소개한다.

국가	회사	진행현황	비고
일본	오바야시 그룹 (Obayashi Corporation)	목표: 2050년까지 우주 엘리베이터 상용화 진행 상황: 2012년부터 장기 프로젝트 시작 수백 미터~수 킬로미터 길이의 케이블 실험 성공 탄소나노튜브 기반의 초강력 케이블 개발에 집중 특징: 민간 건설 기업이 주도하는 최초의 대규모 우주 엘리베이터 프로젝트
미국	NASA	연구 내용: 탄소나노튜브 및 그래핀 소재 개발 무인 클라이머(승강기) 시험 운행 궤도 유지 기술 및 우주 쓰레기 회피 알고리즘 연구 특징: 우주 엘리베이터를 위한 핵심 기술들을 개별적으로 실험 중
중국	중국항공우주과학기술그룹(CASC)	연구 내용: 탄소나노튜브 및 그래핀 소재 개발 무인 클라이머(승강기) 시험 운행 궤도 유지 기술 및 우주 쓰레기 회피 알고리즘 연구 특징: 우주 엘리베이터를 위한 핵심 기술들을 개별적으로 실험 중
유럽	유럽우주국(ESA)	관심 분야: 국제 협력 기반의 우주 접근성 향상 우주 태양광 발전 및 우주 물류 시스템과의 연계 가능성 탐색

 

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지금까지 우주 엘리베이터에 대한 원리와 개발 관련 내용을 살펴보았다. 아직은 이렇다 할 연구결과가 나와 있지는 않지만 희망하건데 2050년정도가 되면 실현가능하다고 하는게 연구계와 업계의 얘기다. 하지만 이도 시간이 지나봐야 알 수 있을 듯하다. 

 

앞서 얘기한대로 우주 엘리베이터가 현실화되면 로켓보다 훨씬 저렴하고 지속 가능한 방식으로 우주에 접근이 가능하고 우주정거장, 달 기지, 화성 탐사 등 장기적인 우주개발에 큰 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다. 하지만 가장 큰 기술적 난제는 아무래도 케이블에 있다. 탄소나노튜브나 그래핀 같은 소재로 그 가능성은 보았지만 현재까지 생산가능한 길이는 합성 방식에 따라 크게 다르지만  수 마이크로미터(μm)에서 수 센티미터(cm)까지 정도여서 36,000km 이상의 길이에 맞게 결함없이 제작이 가능할지 그리고 그렇게 하기 위해서 투입되는 연구비용과 제작비를 생각하면 현재는 거의 불가능에 가깝다고 하는 사람도 많다.   

탄소나노튜브를 튼튼하고 길게 만드는 기술이 없다 하여 일론 머스크도 이러한 점에서 부정적 시각을 가지고 있다고 한다. 우주엘리베이터가 가능하다고 했던 페노이어 박사도 "우주 엘리베이터는 기술적으로 거의 불가능하고 너무 비싸다"라고 한다. 구글 X 역시 마찬가지다. 케이블은 인장비강도(인장강도/밀도, Yuri라는 단위를 씀)가 높고 길게 제작이 가능하여야 한다. 케이블의 굵기도 가해지는 힘에 비례하여 결정(Taper ratio)하고 생산하여야 경제성이 그나마 있다.

 

결국 우주 엘리베이터의 성공여부는 케이블 개발 기술에 달려 있다는 생각이 든다. 불연듯 "나에게 지렛대와 지탱할 장소만 준다면, 나는 지구도 움직일 수 있다"고 한 고대 그리스 수학자 아르키메데스의 유명한 말이 생각이 난다. "케이블만 있다면..."

 

그래도 이러한 케이블 개발에 진심인 과학자들이 많이 있고 태산이 아무리 높다 해도 하나씩 하나씩 극복하다보면 불가능이 가능으로 바뀌지 않을까 생각해본다.

'우주 엘리베이터' 만드는 초경량·초강도 탄소섬유 개발 - 아시아경제

 

P.S. 우주 엘리베이터를 살펴보다 보니 끊임없는 우주에 대한 질문이 생겨난다. 우주는 138억년전에 빅뱅으로 태어났고 계속 팽창하고 있으며, 우주의 크기는 관측가능한 우주는 직경 약 930억광년이라 하나 무한대라고 하는게 맞다 한다. 지구는 약 45억년이 되었고 지금의 인간과 같은 인류는 약 30만년전에 탄생했다고 한다. 몇백억광년의 우주를 두고 고작 36,000km(빛은 1초에 300,000km를 이동한다)를 이동할 엘리베이터 기술을 논하고 있다.

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주1) 해외 우주 엘리베이터 관련 콘테스트 현황

해외에서는 우주 엘리베이터 개발을 촉진하기 위한 다양한 콘테스트와 기술 경연대회가 실제로 열리고 있다. 특히 미국과 일본을 중심으로 관련 기술을 실험하고 검증하는 대회들이 꾸준히 개최되고 있다. 

국가	이름	내용	비고
미국 (NASA)	NASA – Space Elevator Games (2005~2010)	주최: NASA와 Spaceward Foundation 목적: 우주 엘리베이터 핵심 기술인 ‘클라이머(승강기)’와 ‘강력한 케이블’ 개발 종목: Power Beaming Challenge: 무선 에너지로 클라이머를 작동시키는 기술 경쟁 Tether Challenge: 초강력 케이블의 인장 강도 테스트 성과: 수십 개 팀이 참가해 실제 작동 가능한 클라이머를 개발 고출력 레이저를 이용한 무선 전력 전송 기술 실험 NASA가 총 수백만 달러의 상금을 제공하며 기술 진보를 유도
일본	STARS 프로젝트 (Shizuoka University)	주관: 일본 시즈오카 대학 프로젝트명: STARS-C, STARS-Me 등 내용: 소형 위성을 이용해 궤도 내에서 클라이머 이동 실험 2018년에는 JAXA(작)와 협력해 국제우주정거장에서 우주 엘리베이터 실험 진행 특징: 실제 궤도에서 클라이머가 케이블을 따라 움직이는 실험을 성공적으로 수행 대학 중심의 연구지만 국제적 주목을 받음
국제	ISEC (International Space Elevator Consortium)	역할: 우주 엘리베이터 기술 개발을 위한 국제 협력 및 학술 교류 활동: 연례 컨퍼런스 개최 (Space Elevator Conference) 기술 경연, 논문 발표, 시제품 전시 등 학생 및 연구자 대상 아이디어 공모전 운영	매년 개최

 

※ 콘테스트의 핵심 기술 주제

기술 분야	설명
클라이머 설계	고도 상승 시 안정성과 속도, 에너지 효율을 고려한 승강기 개발
에너지 전송	레이저나 마이크로파를 이용한 무선 전력 공급 기술
케이블 소재	탄소나노튜브, 그래핀 등 초강력·초경량 소재의 실험 및 응용
궤도 유지 기술	정지궤도에서의 안정성 확보 및 우주 쓰레기 회피 알고리즘 개발

 

주2) 정지 궤도 (Geosynchronous Orbit or Geosynchronous Equatorial Orbit, GEO, 동기 궤도 라도도 함)

지구를 공전하는 인공위성의 주기가 지구의 자전주기와 동일하여 지상에서 보았을 때 항상 정지하고 있는것 처럼 보이는 궤도를 뜻한다. 인공위성에서 본다면 항상 지상의 같은 위치를 바라보게 된다는 뜻이기도 하다. 이는 지구의 자전(회전) 각속도와 동일하면서 지구의 중력과 공전하는 위성의 원심력이 0이되는 위치인 것이다. 정지 궤도는 지상(적도)에서 35,786km상공이다. 지구의 반지름인 6,371km와 비교하면 그 거리가 어느 정도인지 가늠해 볼 수 있을 것이다. 정지 궤도 위성의 공전 속도는 11,069km/h로 무척 빠르게 움직여야만 한다. 따라서 정지 궤도 상에 있는 우주 선착장(Spacedock)은 지구상에 고정된 위치(엘리베이터 플랫폼)와 케이블로 연결된 상태로 동일한 고도를 유지될 수 있게 된다. 정지궤도 - 나무위키

 

주3) 탄소나노튜브 (Carbon Nanotube, CNT)

탄소 원자들이 육각형 벌집 모양으로 연결되어 튜브 형태를 이루는 구조이다. 지름은 수 나노미터(nm) 수준으로 매우 작고, 길이는 수 마이크로미터( μm)에서 수 밀리미터까지 다양하다. 그래핀이라는 탄소 원자 한층을 말아 만든 구조라고 보면 이해가 쉽다.

특성	설명
강도	강철보다 최대 100배 강함. 인장 강도는 100 GPa 이상으로 측정됨.
무게	매우 가벼움. 밀도는 약 1.3~1.4 g/cm³로 고강도 경량 소재로 적합.
전기 전도성	구리 수준 이상의 전도성을 가지며, 금속성 또는 반도체 성질을 띨 수 있음.
열 전도성	다이아몬드보다 높은 열 전도율을 가짐. 방열 소재로도 활용 가능.
유연성	잘 휘어지고 탄성이 뛰어나 다양한 형태로 가공 가능.

 

주4) 참고 동영상

이제 로켓 없이도 엘베만 타면 우주로 나가는 세상이 온다고?

모두 비웃는 우주 엘리베이터를 진지하게 연구하는 한국 과학자! (이재근 교수)

 

 

2025.10.13

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