우주 엘리베이터가 파손되면 어떻게 되나요?

레트 알랭

Apple TV의 Foundation 시리즈 첫 번째 에피소드에서 테러리스트가 은하 제국이 사용하는 우주 엘리베이터를 파괴하려는 모습을 볼 수 있습니다. 이는 우주 엘리베이터의 물리학에 대해 이야기하고 우주 엘리베이터가 폭발하면 어떤 일이 일어날지 생각해 볼 수 있는 좋은 기회인 것 같습니다. (힌트: 좋지 않을 것입니다.)

사람들은 지구 대기권 너머에 물건을 두는 것을 좋아합니다. 이를 통해 기상 위성, 우주 정거장, GPS 위성, 심지어 제임스 웹 우주 망원경까지 가질 수 있습니다. 하지만 지금 당장 우주로 물건을 보내는 유일한 방법은 우리가 일반적으로 "로켓"이라고 부르는 통제된 화학적 폭발에 물질을 묶는 것입니다.

오해하지 마십시오. 로켓은 멋지지만 비용이 많이 들고 비효율적입니다. 1kg의 물체를 저궤도(LEO)로 이동하는 데 무엇이 필요한지 생각해 봅시다. 이것은 국제 우주 정거장이 있는 지구 표면에서 약 400km 떨어진 곳입니다. 이 물체를 궤도에 올리려면 두 가지 작업을 수행해야 합니다. 먼저 400km를 들어 올려야 합니다. 하지만 물체의 고도만 높이면 우주에 오래 머물 수 없습니다. 그것은 단지 지구로 다시 떨어질 것입니다. 둘째, 이것을 LEO에 유지하려면 정말 빠르게 움직여야 합니다.

에너지에 대해 간단히 복습해 보겠습니다. 우리가 시스템에 투입하는 에너지의 양(우리는 이를 일이라고 부릅니다)은 해당 시스템의 에너지 변화와 동일하다는 것이 밝혀졌습니다. 우리는 다양한 유형의 에너지를 수학적으로 모델링할 수 있습니다. 운동 에너지는 물체가 속도로 인해 갖는 에너지입니다. 따라서 물체의 속도를 높이면 운동에너지도 증가합니다. 중력 위치 에너지는 물체와 지구 사이의 거리에 따라 달라집니다. 이는 물체의 고도가 증가하면 중력 위치 에너지가 증가한다는 것을 의미합니다.

따라서 로켓을 사용하여 물체의 중력 위치 에너지를 증가시키고(적절한 고도로 올리기 위해) 운동 에너지도 증가시키기(속도를 높이기 위해) 원한다고 가정해 보겠습니다. 궤도에 진입하는 것은 높이보다 속도에 더 중요합니다. 에너지의 11%만이 중력 위치 에너지에 포함됩니다. 나머지는 운동적일 것입니다.

1kg의 물체를 궤도에 진입시키는 데 필요한 총 에너지는 약 3,300만 줄입니다. 비교를 위해 바닥에 있는 교과서를 집어 테이블 위에 올려놓으면 약 10줄이 소요됩니다. 궤도에 진입하려면 훨씬 더 많은 에너지가 필요합니다.

앤디 그린버그

응오펜 음푸투벨레

줄리안 초카투

캐시 알터

하지만 문제는 사실 그보다 훨씬 더 어렵습니다. 화학 로켓의 경우 1kg의 물체를 궤도에 진입시키는 데 에너지만 필요한 것이 아닙니다. 로켓은 LEO로 여행하기 위해 연료도 운반해야 합니다. 이 연료를 태울 때까지는 본질적으로 탑재량에 대한 추가 질량에 불과합니다. 즉, 더 많은 연료를 가지고 발사해야 함을 의미합니다. 많은 실제 로켓의 경우 전체 질량의 최대 85%가 연료일 수 있습니다. 정말 비효율적이에요.

그렇다면 화학 로켓 위에서 발사하는 대신 우주까지 닿는 케이블을 타고 물체를 올라갈 수 있다면 어떨까요? 우주엘리베이터를 만들면 이런 일이 일어날 것입니다.

400km 높이의 거대한 타워를 건설했다고 가정해 보세요. 엘리베이터를 타고 꼭대기까지 올라가면 우주에 있을 수 있습니다. 간단하죠? 아니요, 실제로는 그렇지 않습니다.

첫째, 강철로는 이와 같은 구조물을 쉽게 만들 수 없습니다. 무게로 인해 타워의 하부 부분이 압축되어 붕괴될 가능성이 높습니다. 또한 엄청난 양의 재료가 필요합니다.

하지만 이것이 가장 큰 문제는 아닙니다. 여전히 속도 문제가 있습니다. (궤도에 진입하려면 매우 빠르게 움직여야 한다는 점을 기억하십시오.) 지구 적도 어딘가에 기지가 있는 400km 타워 꼭대기에 서 있다면 행성이 회전하기 때문에 실제로 움직이게 될 것입니다. 회전하는 회전목마 바깥에 있는 사람의 움직임과 같습니다. 지구는 하루에 한 번 정도 회전하므로(항성 회전과 활막 회전 간에 차이가 있음) 각속도는 초당 7.29 x 10-5 라디안입니다.