- 안타깝게 나로호 2차 발사도 실패했다. 아쉽긴 하지만 앞으로의 성공을 기약하면서 우주탐사의 대안을 알아봤다.
6월10일 오후 5시1분 전남 고흥군 나로우주센터에서 나로호가 이륙하고 있다.
나로호는 발사되기 이전에 몇 가지 이상 징후를 보였다. 7일에는 전기 신호가 불안정해 발사대에 세우지 못했고, 9일에 다시 발사하려다가 발사대 소화 장비가 오작동하면서 발사가 중단됐다.
이런 이상 징후들을 고려했을 때 발사를 성급하게 진행한 것이 아니냐는 지적도 나오고 있다. 러시아 측이 재촉했다는 말도 있고 기상 조건을 감안할 때 10일을 넘기면 오래 기다려야 하기 때문에 발사했다는 설도 있다. 민심 전환용이라거나 늦어지면 월드컵에 관심이 쏠릴 것을 우려했다는 등 정치적인 고려가 있었다는 의혹도 제기된다.
성급하게 발사한 이유는?
아무튼 지난해 8월 1차 발사 실패에 이어 이번 2차 발사까지 실패했으니 많은 사람이 실망했다. 더구나 5000억원이 넘는 예산까지 날아갔다고 한다. 그래도 비난하는 쪽보다 실패를 거울로 삼자는 견해가 많으니 다행이라면 다행이다.
정부는 한·러 공동조사단을 구성해 원인 규명을 한 뒤, 러시아와의 공동 개발 계약에 따라 3차 발사를 추진하겠다고 했다. 정부는 이번 폭발이 러시아가 전적으로 개발을 담당한 1단 로켓에 있다고 보는 듯하다. 따라서 러시아가 책임을 져야 하며, 세 번째 1단 로켓을 추가로 제공해야 한다는 입장으로 알려졌다.
그러나 책임 문제를 따지는 일이 수월하지 않을 것이다. 상식적으로 생각해도 러시아가 많은 비용이 들어갈 로켓을 공짜로 하나 더 만들어줄 것이라고 보기는 어렵다. 러시아가 백 번 양보해 자신의 책임이라고 인정한다 해도, 로켓을 새로 만들어야 하기에 3차 발사를 하려면 2년은 걸릴 것이다. 그런데 올해부터 한국형 발사체 개발 사업이 시작될 예정이므로 양쪽을 한꺼번에 하기란 힘들 것이라는 전망도 있다. 인터넷 시대의 특징을 보여줄 온갖 의혹이 쏟아질 기미가 보인다. 실패는 갖가지 문제를 낳는 법이니까.
필자는 사실 나로호 2차 발사가 성공할 것으로 예상하고 이번 칼럼을 기획하고 있었다. 그러나 발사 실패로 방향을 바꿔야 할 처지가 돼버렸다.
우주 탐사의 아버지는 러시아의 과학자 콘스탄틴 치올코프스키(1857~1935)라 할 수 있다. 그는 로켓의 속도와 비행 거리는 오직 배기가스의 속도에 달려 있다면서 액체 추진체가 로켓의 비행 거리를 늘리는 데 더 낫다고 주장했다. 그는 이 논문을 1898년에 학술지에 보냈지만 정작 지면에 실린 것은 5년여가 지난 1903년이 되어서였다. 그는 로켓을 이용해 우주를 탐사하는 꿈을 실현하기 위해 자신의 이론을 구체화한 논문을 계속 발표했다. 그는 자신의 생각이 황당무계하다는 것을 너무나 잘 알고 있었다.
최초 로켓 12.5m 올라가
소행성에 발을 디디고, 달에서 돌을 집어 들고, 우주 정거장을 건설하고, 지구나 달 주위에 사람이 거주하는 고리를 만든다는 건 당시로선 미친 생각이었다. 그러나 그는 그런 일이 가능한 새로운 세대가 열릴 것이라고 내다보았고 그의 생각은 옳았다. 액체 로켓을 실제로 개발한 사람은 미국의 로버트 고다드(1882~1945)다. 그는 1926년 액체 산소와 휘발유로 추진되는 최초의 로켓을 발사하는 데 성공했다. 겨우 2분30초 동안 12.5m 올라가 56m를 난 것에 불과했다. 라이트 형제도 최초로 비행에 성공했을 때 겨우 36m를 날았을 뿐이다. 하지만 시작이 미미했다고 얕볼 일은 아니다.
나로호가 이륙 137.19초 만에 폭발하자, 지켜보던 국민들이 망연자실한 표정을 짓고 있다.
그러나 미소 냉전시대 로켓을 전쟁무기가 아니라 우주 탐사 쪽으로 방향을 돌린 쪽은 소련이었다. 소련은 치올코프스키 탄생 100주년이 되는 1957년 최초의 인공위성 스푸트니크 1호를 우주로 쏘아 올리는 데 성공했다. 충격을 받은 미국은 다음해 미국항공우주국(NASA)을 설치하고 우주 탐사에 나섰다. 그리하여 인류는 달에 사람이 가고 화성에 탐사선을 보내는 시대에 접어들었다. 그러나 지금까지 로켓은 우주로 나아가는 유일한 수단이다.
치올코프스키는 로켓 이외의 우주 탐사 수단도 제시했다. 1895년 그는 파리 에펠탑을 보고 감명받아 케이블 끝에 붙어 있는 하늘의 성을 구상했다. 즉, 정지 궤도인 3만5800㎞ 높이에 성을 짓고 지상에서 성까지 탑으로 연결한다는 것이었다. 성까지는 엘리베이터로 오간다. 1959년 러시아의 유리 아르추타노프는 우주 엘리베이터를 좀 더 실현 가능성 있게 다듬었다. 그는 정지 위성에서 지상을 향해 케이블을 늘어뜨리고, 반대편 우주 쪽으로 중력을 상쇄시키는 평형추를 매다는 방법을 제시했다. 또 케이블의 두께가 정지 위성 쪽으로 갈수록 굵어지고 지상으로 올수록 가늘어져야 장력이 일정하게 유지된다고 했다.
우주 엘리베이터 개념은 그 뒤로 여러 학자가 다시 내놓았고 아서 클라크를 비롯한 SF 소설가들의 작품 소재로도 쓰였다. 그러나 많은 이에게 조롱받기도 했다. 무엇보다 인간이 알고 있는 어떤 물질로도 정지 궤도까지 이어지는 튼튼한 케이블을 만든다는 것이 불가능했다.
1990년대 탄소 나노 튜브가 발견되면서 다소 상황이 달라졌다. 탄소 나노 튜브는 탄소 원자들이 모여서 마치 여름에 끼고 자는 죽부인 모양의 통을 이룬 것이다. 탄소 나노 튜브는 지금까지 발견한 어떤 물질보다 튼튼하다. 그러나 우주 엘리베이터 케이블을 만들 정도는 아니었다. 그래서 미국항공우주국은 스페이스워드 재단과 공동으로 해마다 가장 강력한 케이블을 만드는 팀에게 후한 상금을 주고 있다. 이전 해보다 50% 강한 케이블을 만든 팀이 수상한다. 아직 우주 엘리베이터를 만들 정도에 이르지는 못했지만 성과가 계속 나오고 있다.
케이블은 적도 상공에 설치하는 편이 좋다. 정지 궤도 바로 아래에 있고, 허리케인 같은 기상 변화가 적기 때문이다. 엘리베이터를 정지 궤도까지 올리는 데에는 에너지가 필요하다. 에너지는 탄소 나노 튜브를 통해 전달할 수도 있고, 레이저를 이용할 수도 있고, 그 외의 방법도 제시되어 있다. 미국항공우주국은 레이저를 쏘아서 화물을 많이 들어올리는 방법을 놓고도 상금을 걸었다. 이런 식으로 그들은 우주 엘리베이터를 향한 꿈을 차근차근 실현해가고 있다.
NASA의 우주 엘리베이터 구상
우주 엘리베이터는 로켓보다 비용이 훨씬 적게 든다. 100분의 1에 불과할 것으로 추정된다. 그러니 꿈을 꿔볼 만하다. 일본은 우주 엘리베이터 구상에 적극 참여하기로 한 것으로 알려져 있다. 일본은 이미 지난 5월 태양빛을 태양 전지판인 일종의 돛에 받아서 금성까지 항해하는 우주 범선 이카로스를 쏘아 올렸다. 범선이 바람만 있으면 항해할 수 있듯, 이카로스는 햇빛만 있으면 날아갈 수 있다. 우주 범선도 20년 전엔 공상으로 치부되던 것이었다. 일본에서 만화영화 ‘아톰’을 보고 꿈을 키웠던 세대가 움직이는 로봇을 만들고 있듯, 터무니없다고 여겨지던 우주 탐사도 실현하고 있는 것이다.
우주 탐사와 관련된 또 다른 구상은 귀도 고리(Orbital Ring)다. 이것은 영국의 폴 버치가 내놓은 개념이다. 그는 우주 엘리베이터가 상정하는 궤도가 너무 높아 현재 기술로 케이블을 만들기 어렵다는 점에 착안했다. 대신 그는 고도 300~600㎞의 저궤도에 지구를 빙 도는 고리를 건설하자고 주장했다. 토성에 고리가 있는 것처럼 지구에도 고리를 끼우자는 것이다.
우주 엘리베이터 상상도.
궤도 고리는 반드시 원형일 필요가 없으며, 양쪽 끝은 훨씬 높은 고도에 있고 중간 부분이 가장 낮은 고도에 있는 타원형 고리도 얼마든지 만들 수 있다. 고리의 단면은 원통형이며 그 안에는 사람이 거주할 수도 있다. 궤도 고리에 매달려 지상과 연결된 케이블은 초전도체 자석을 이용함으로써 마찰을 최소한으로 줄인 채 고리를 따라 이동이 가능하다.
궤도 고리가 소행성 같은 것에 충돌하면 지구로 엄청난 양의 파편이 쏟아져서 재앙이 일어나지 않을까? 버치는 그럴 확률은 매우 낮으며, 설령 충돌해 고리의 일부가 파손된다 해도 고리가 통째로 지구로 떨어지는 일은 일어나지 않을 것이라고 말한다. 온전한 고리는 전체적으로 지구 쪽으로 끌어당겨지고 있어서 팽팽한 상태를 유지한다. 그러다가 한 곳이 끊어지면 오히려 우주 쪽으로 더 벌어진다는 것이다. 그런 상태에서 적어도 수천 년은 돌 것이므로, 수리할 시간은 충분하다고 본다.
궤도 고리를 이용하면 달이나 화성 같은 행성을 오가기도 더 쉽다. 달에도 궤도 고리가 있다고 하자. 그러면 무릿매로 돌을 던지듯이, 화물을 지구의 궤도 고리를 따라 빙 돌리다가 적당한 지점에서 놓아주기만 하면 된다. 화물은 달의 궤도 고리를 향해 날아가고 거기에서 포획을 하면 저렴한 비용으로 달까지 사람이나 물건이 오갈 수 있다. 궤도 고리는 여러 SF 작품의 소재로 쓰이고 있다.
이 밖에도 케이블이나 위성을 이용한 다양한 방법이 제시되어 있다. 이런 방법들은 행성의 중력과 자전, 원심력, 역학 에너지 등을 이용한다는 점이 특징이다. 즉 어떤 식으로든 역학 에너지를 이용해 지상의 물체를 우주로 끌어올린다.
이와 달리 전자기력을 이용한 방법도 있다. 알렉산더 볼론킨은 이와 관련된 여러 방법을 제시했는데, 그중 하나인 레일건(railgun)을 살펴보자. 레일건은 화약 대신 전자기력을 이용해 쏘는 총이다. 2008년 미국 해군은 레일건으로 분당 10발의 포탄을 발사해 약 370m 떨어진 표적을 맞히는 실험에 성공한 바 있다. 연구자들은 이 레일건을 우주 탐사에도 쓸 수 있다고 본다.
개략적으로 말하면, 철도처럼 두 가닥의 금속 레일을 깔고 거기에 전기가 통하는 발사체를 올려놓는다. 그런 뒤 강력한 전기를 통하면, 전기회로가 완성되면서 발사체가 앞으로 튀어나간다. 전기를 공급하는 전원이 강할수록 발사체의 속도를 얼마든지 높일 수 있다. 문제는 그 정도로 강력한 전류를 공급하면 레일을 비롯한 설비가 과열되어 다 녹아버릴 수 있다는 점이다. 따라서 열에 강한 새로운 소재와 현재 개발 중인 초전도체가 필요하다. 볼론킨은 보조 연료를 써서 발사체를 어느 정도 가속시키며 레일건을 작동시키면 전류 공급을 상당히 줄일 수 있다고 본다.
그는 발사 때의 고압에 견딜 수 있는 화물을 발사하는 용도라면, 레일을 약 400m만 깔아도 충분할 것이라고 본다. 하지만 관광객 같은 일반인을 보내는 용도라면 레일을 1100㎞는 깔아야 할 것이라고 계산한다. 그렇긴 해도 레일건이 로켓보다는 비용이 훨씬 적게 든다고 말한다. 현재의 로켓 방식으로는 화물 1㎏당 약 1만달러의 비용이 드는 반면, 레일건은 6달러면 된다는 것이다.
레이저를 이용한 방법도 있다. 이 방법도 원래 치올코프스키가 제시한 것이다. 현재의 로켓은 연료, 산화제, 냉매 등 추진에 필요한 모든 것을 다 싣는다. 실제로 우주에 띄울 인공위성은 극히 일부 공간만을 차지할 뿐이다. 치올코프스키는 광선을 이용해 외부에서 발사체를 추진할 에너지를 제공한다면 연료를 굳이 가득 싣지 않아도 돼 훨씬 가벼워지고 효율도 높아질 것이라고 주장했다. 비용도 훨씬 줄어들 테고 말이다.
로켓은 너무 고비용이다
이 생각을 과학적으로 실현 가능한 형태로 다듬어서 레이저 추진이라는 새로운 연구 분야를 연 사람은 아서 칸트로비츠다. 1972년 그는 고출력 레이저로 소형 인공위성을 발사한다는 개념을 내놓았다. 추진체인 고체 물질에 인공위성을 올려놓고 레이저 광선을 추진체 부위에 비춘다. 그러면 고체 추진체가 즉시 기화하면서 케로신이나 수소를 태우는 것보다 훨씬 강한 추진 에너지를 분출한다는 것이다. 기존 로켓과 원리는 같지만 연료, 산화제, 냉매 같은 것을 싣지 않으니 훨씬 효율적이다. 이 방식을 주장하는 측은 화물 1㎏당 비용을 200달러까지 줄일 수 있다고 본다. 그의 주장은 처음에 외면을 받았지만 지금은 적어도 수백 명의 과학자가 레이저 추진을 연구하고 있다.
로켓을 쓰지 않는 이런 대안을 제시하는 과학자들은 공통적으로 로켓이 여러모로 문제가 많다고 주장한다. 로켓은 많은 연료를 한꺼번에 소비함으로써 대기와 환경을 오염시킨다. 그리고 나로호 사례에서 볼 수 있듯, 추진하고 제어하는 과정에서 예기치 않은 문제가 발생할 여지가 너무 많다. 무엇보다도 돈이 많이 든다.
게다가 로켓은 지구 궤도에 온갖 파편을 쏟아 붓는다. 현재 자체적으로 발사체를 개발해 우주로 쏠 능력을 지닌 스페이스 클럽(Space club)은 9개국에 불과하지만 조만간 브라질, 호주, 인도네시아 등 10여 개국이 여기에 가입할 계획이다. 종국에 지구 궤도는 더 이상 로켓을 쏘아 올릴 수 없을 정도로, 우주 쓰레기가 날아다니는 곳이 될지 모른다. 예를 들어 케이블을 이용한 방법은 그런 쓰레기를 만들지 않을 뿐만 아니라 쓰레기 포획기를 설치하면 우주 쓰레기 청소 도구로도 쓸 수 있다.
우리로서는 뭐니 뭐니 해도 비용이 가장 크게 와 닿는다. 나로호 발사를 위해 러시아에 약 2500억원을 지급하는 등 두 번 발사 실패로 5000억여 원을 썼지만 실생활과 무관한 일에 세금을 붓는다는 식의 비난은 이제 거의 찾아보기 어렵다. 일기예보, 내비게이션, 버스 도착 안내, 위치 확인 시스템 등 이미 인공위성은 우리의 일상생활과 긴밀한 관계를 맺고 있음을 잘 알기 때문이다. 게다가 우주 탐사는 인류의 원초적인 꿈이다. 꿈을 실현하기 위해 그 정도 비용은 치를 가치가 있다고 보는 사람이 많아진 듯하다. 삶의 수준이 높아질수록 멀리만 있던 꿈도 더 가까워진다. 밑 빠진 독에 물 붓기가 되어서도 곤란할 것이다.
더 저렴하고 쉽게 우주로 사람과 물건을 보낼 방법이 없을까? 현재로서는 실현 가능성이 적지만 레이저 추진 방식을 이용하면 많게는 연간 1만회까지 발사할 수 있다고 주장하는 학자도 있다.
그러니 우주로의 꿈을 로켓에만 한정시키지 말기를. 볼론킨은 우주 엘리베이터 등을 이용하면 연간 10만명이 우주여행을 할 수 있다고 본다. 우주 비행사 훈련을 받은 사람만이 우주로 나갈 수 있다는 것은 불공평하지 않은가? 우리가 로켓에 관심을 보이는 사이, 세계는 더 큰 꿈을 향해 나아가고 있다.
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