우주 엘리베이터를 향한 일본의 도전

우주 엘리베이터를 향한 일본의 도전

일본은 자체적으로 우주 엘리베이터를 구상하고 있습니다. 우주 엘리베이터에 대한 우주실험도 진행했고, 클라이머(승강기)도 연구하고 있으며, 오바야시 건설은 2050년까지 우주 엘리베이터를 건설하겠다고 발표한 바 있습니다. 또, 우주 엘리베이터 건설비용을 절감하기 위해 하이브리드 방식의 건설방식도 제안하였습니다.

 

◆ 궤도 엘리베이터 우주실험

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2018년 5월 23일 일본은 세계 최초로 우주 엘리베이터 예비실험을 진행했습니다. JAXA(일본 우주항공연구개발기구)는 가고시마현 다네가시마 우주센터에서 화물우주선 '고노토리 7호기'를 발사했습니다. 여기에는 우주정거장 비행사들에게 보내는 보급품과 함께 우주 엘리베이터 예비 실험에 사용할 초소형 위성 stars-me 2기가 있었습니다.

 

위성을 제작한 시즈오카 대학 연구진은 이 위성을 우주로 내보낸 후 두 위성을 길이 10m의 강철 케이블로 연결하여 미니 엘리베이터를 작동시켰습니다. 케이블에서 두 위성 사이를 왕복하는 엘리베이터의 크기는 3㎝X3㎝X6㎝의 초소형 사이즈입니다. 실험 화면은 위성에 내장된 카메라로 촬영하였습니다.

stars-me 개념도

 

◆ 팀 랩터의 클라이머 엔드캡

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독일 뮌헨공과대학교는European Space Elevator Challenge(유럽 우주 엘리베이터 챌린지), 일명 EUSPEC라는 대회를 2011년, 2012년, 2016년, 2018년 4회 개최하였습니다.

 

일본의 팀 랩터는 니혼대학 출신의 고이케 가이슈(Kaishu Koike)와 아라카와 나오키(Naoki Arakawa)로 구성된 팀으로 네 차례 대회에 모두 참가했습니다. 팀 랩터는 엔드캡(endcap)이라는 클라이머를 개발하여 참가하였으며 2018년 대회에서 종합 우승을 차지했고 안전성, 구성 품질, 혁신 부문에서도 수상했습니다.

 

이 대회는 유료화물의 수, 상승 및 하강 속도, 목표 높이까지 정확하게 상승하고 안전하게 하강, 가능한 연료를 적게 사용하는 것으로 평가하였습니다. 팀 랩터는 이 평가항목을 충족하는 설계를 하였고, CAD와 CAM, Autodesk Fusion 360 등을 이용하였으며 3D 프린터로 엔드캡을 제작하였습니다.

팀 랩터가 개발한 클라이머 엔드캡

 

◆  하이브리드 우주 엘리베이터

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Science Council of Japan(일본학술회의, 日本学術会議)는 하이브리드 우주 엘리베이터라는 개념을 도입했습니다. 지상만든 구조물을 우주로 옮겨 우주에서 지구로 향하는 하향식 건설 개념입니다. 지상에서 우주 엘리베이터를 쌓아 올리는 것보다 훨씬 쉽고 건설비용이 적게 들 것으로 예상하고 있습니다.

 

◆ 오바야시 건설

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일본 건설회사 오바야시는 우주 엘리베이터를 2050년까지 완공할 것이라고 2012년에 발표하였습니다. 오바야시가 제안한 우주 엘리베이터는 최대 100톤까지 수용이 가능한 클라이머와, 96,000KM에 이르는 탄소 나노튜브 케이블, 직경 400M의 지구정류장 및 12,500톤의 균형추 등입니다.

오바야시 건설 홈페이지의 우주 엘리베이터

 

◆ 시사점 및 향후 과제

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우주 엘리베이터는 우주 수송 비용을 획기적으로 낮출 수 있는 개념입니다. 하지만, 관련한 기술은 아직까지 걸음마 단계로 2023년 현재까지의 기술로는 도달할 수 없는 먼 미래로 보입니다.

 

가장 먼저 해결해야 할 케이블은 케이블 자체의 무게와 클라이머(승강기)의 무게를 견뎌야 하고, 매우 높은 비강도(specific strength, 밀도당 강도)를 가져야 합니다. 최소한 100GPa를 만족해야 하기에 이론적으로 탄소 나노튜브가 이 조건을 만족할 가능성이 높지만 현재 기술 수준으로는 강도를 맞출 수 없습니다.( 탄소 나노튜브의 이론값은 130GPa)

 

승강기 역시 고도 상승에 따라 정교하게 움직여야 하며, 전달된 동력의 일부가 열에너지로 전환되기 때문에 정교한 열시스템 설계가 필요한 것으로 알려져 있습니다.

 

무게추를 어떻게 인공적으로 만들 것인지, 우주 쓰레기에 대한 대처와, 결빙, 운용중 고장에 대한 대처, 지상 구조물의 기후 변화에 대한 대처 그리고 각종 테러 등 위험상황 발생에 대한 대처 등 고려해야 할 사항이 한 두가지가 아닙니다.

 

그럼에도 불구하고, 미국의 NASA와 달리 독자적으로 움직이는 일본의 우주 엘리베이터에 대한 도전과 발자취는 매우 흥미롭고 응원하게 됩니다.