[북툰] NASA에서 연구중인 공간이동 우주선

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1분과학·북툰·SOD

2021. 9. 24.

 

 

 

SF영화처럼 인간이 실제로 태양계 밖으로 벗어나 여행하는 일이 가능할까요?

그런 여행이 실현되려면

다른 어떤 과제보다 빠른 속도의 우주선이 먼저 해결되어야 하겠죠.

 

영화 <퍼스트맨>에서는 아폴로 11호가 달의 궤도까지 진입하는데 사흘이 걸렸습니다.

영화 <마션>에서는 마크워트니를 구하러 다시 화성까지 가는데 300일이 걸렸습니다.

현재 나사와 민간기업이 계획하는 유인 화성 탐사프로젝트도

화성까지 가는 시간을 150~ 300일로 보고 있습니다.

 

그렇다면 지금의 화석연료를 쓸 수밖에 없는 경우에

인간의 우주 여행지는 달과 화성이 전부로 보입니다.

만약 핵연료를 쓴다면 더 빨리 날 수 있을까요?

 

1950년대 말, 나사에서는 핵연료를 이용한 오리온 계획이 대대적으로 연구된 적이 있습니다.

핵폭발을 추진력으로 삼아 광속의 3.3%까지 도달한다는 계획이었습니다.

참고로 아폴로 11호의 속도는 광속의 0.0037%에 불과했습니다.

 

그러나 핵폭탄을 가득 실은 거대한 우주선을 대기권 밖으로 쏘아올리려면

최소한 800회의 핵폭발이 필요했습니다.

오리온 계획이 실행되었다면 엄청난 양의 방사능 낙진으로

지구의 인류는 멸망했을지도 모릅니다.

 

1960년대에는 우주 공간에 떠도는 수소를 핵융합의 원료로 쓴다는 우주램제트 계획이 연구되었습니다.

오리온 계획과 달리 무거운 핵폭탄을 싣고 다닐 필요가 없기에

우주선의 무게를 크게 줄일 수 있고

그래서 우주선의 속도도 광속의 30%까지 나오는 것으로 추정되었습니다.

하지만 핵융합 원료로 쓸 만큼 많은 양의 수소를 채집할 수 있을지는 입증하지 못했습니다.

 

만약 광속의 30% 속도까지 날 수 있다면

태양계 밖을 벗어난 여행이 과연 가능할까요?

 

태양계에서 가장 가까운 항성인 Alpha Centauri별 까지의 거리는 4광년입니다.

그나마 생명체 거주 가능 지대에 속하는 행성인 Tau Ceti 까지 거리는 11광년입니다.

램제트 계획이 실행된다 해도 각각 15년과 35년이 걸립니다.

 

이 정도 시간이라면 우주선 안에서 늙거나 병들어 죽기 십상이겠죠.

결국 항성간 여행이 가능하려면 빛보다 빠른 속도의 우주선이 필요합니다.

안타깝게도 아인슈타인이 상대성이론을 발표하면서

빛보다 빠른 속도는 물리적으로 불가능하다고 일찌감치 못 박았습니다.

 

우주선의 속도가 빛의 속도에 근접할수록

우주선의 질량은 무한에 가깝게 증가하고

시간 또한 팽창하기 때문입니다.

 

그러나 과학자들은 이런 물리적 법칙에 위배되지 않으면서도

빛의 속도보다 빠른 공간이동 방법을 꾸준히 연구하고 있습니다.

 

그 방법은 과학계보다 SF영화나 소설에서 더 주목받고 있습니다.

영화 콘텍트와 인터스텔라에서는 웜홀을 이용해 공간이동을 하는 장면이 나옵니다.

웜홀은 블랙홀 두 개를 이어붙여서 공간을 휘어지게 만들고

서로 연결해주는 지름길입니다.

 

이론상으로는 몇십억 광년의 거리도 가로지를 수 있지만

통로가 되는 중간지점은 아직 확인되지 않은 가상의 공간일 뿐입나다.

웜홀 여행이 가능하다 해도

우리의 몸은 불랙홀을 통과하는 동안 가공할 중력으로 인해 찌그러지거나

아니면 엄청난 양의 방사선으로 뼛속까지 튀겨질 게 분명합니다.

이런 이유로 웜홀 여행은 다소 추상적인 개념으로 취급받았습니다.

 

그런데 1988년 캘리포니아 공과대학교 교수 킵 손이 통과 가능한 블랙홀 증상을 제시하면서

웜홀의 가능성은 다시 부각되었습니다.

킵손은 오랜 연구 끝에 음에너지를 가진 특이 물질이 있다면 안정된 웜홀 여행이 가능하다는 결론을 내렸습니다.

아주 소량이긴 해도 실험실에서 특이 물질을 생성한 적도 있습니다.

 

문제는 음에너지의 양입니다.

사람의 몸이 통과할만한 90cm 너비의 웜홀을 만들려면

목성의 질량과 맞먹는 음에너지가 필요하기 때문입니다.

 

그래서 웜홀 여행은 이론적 가능성은 있지만

지금의 과학수준으로는 불가능하다고 보는 게 맞습니다.

 

컨택트와 인트스텔라보다 더 고전적인 영화에서

웜홀보다 더 대중적인 공간이동 방법이 소개된 적이 있습니다.

그것은 바로 스타워즈의 밀레니엄발콘호와 스타트랙의 엔트프라이즈호가 멋지게 보여준 워 프 항법입니다.

 

두 우주선은 공간을 왜곡시켜 아주 먼 거리를 순식간에 이동합니다.

워프 항법의 원리는 물질 반물질의 쌍소멸입니다.

물질과 반물질이 만나면 둘 다 폭발하듯 소멸되고

광자에너지만 남습니다.

이 광자에너지가 우주선 일대에서 시공간을 왜곡시킵니다.

 

그리고 방어막 생성기가 앞에 놓인 장애물을 없애면

한쪽 시공간은 압축되고, 다른 쪽 시공간은 확장되면서

빛보다 빠른 속도로 이동한다는 것이 바로 워프의 원리입니다.

 

빛보다 빠른 속도

그렇다면 워프는 상대성이론에 위배됩니다.

빛의 속도보다 빨리 난다면 우주선의 중력과 시간은 무한으로 팽창하기 때문입니다.

 

1994년에 물리학자 미겔 알쿠비에레는 이러한 물리학 법칙을 위반하지 않으면서

워프 항법의 가능성을 뒷받침하는 왜곡 거품 Ware-Buble 이론을 제시했습니다.

우주선 주변의 시공간이 왜곡되면 왜곡 거품 Ware-Buble이 발생되는데

이 거품에 둘러싸인 우주선 내부는 외부세계의 물리학 법칙을 위반하지 않는다는 주장입니다.

 

이 원리를 적용한 추진 장치를 알쿠비에레의 드라이브

혹은 더 대중적인 이름으로 워프(왜곡)드라이브라고 부릅니다.

 

이 외에도 더 빠른 우주선을 만들기 위한 노력이 이어지고 있지만

결국 우주선 디자인의 관건은 속도보다 탑승자입니다.

 

인간은 우주여행에 적합한 생명체가 아닙니다.

호흡할 산소가 필요하고, 깨끗한 물도 마셔야 하며 동식물을 섭취해야 합니다.

오랜 무중력 상태도 견뎌야 합니다.

늘 몸 아래쪽으로 흐르던 체액이 몸 안에서 재분배되어 신체가 부어오르고 시력이 감퇴합니다.

지구자기장과 대기권이 보호해주던 우주방사선에 그대로 노출되는 것도 문제입니다.

가장 어려운 문제는 아마 오랜 우주여행에서 오는 고립감과 불안감 같은 심리적 고통일 겁니다.

 

장기간의 우주여행에 대한 해결방안 역시 SF에서 소개된 바 있습니다.

그것은 바로 동면입니다.

영화 에일리언과 패신저스에서는

탑승자들이 잠든 동안 인공지능이 우주선을 조정하고

여행이 끝날 무렵 인간들을 깨웁니다.

 

그렇다면 인간의 몸은 과연 오랜 동면 상태를 유지할 수 있을까요?

자연 속에는 몸의 기능을 조절해 혹독한 겨울을 날 수 있게 해주는 메커니즘이 존재합니다.

얼어붙었다가 되살아나는 개구리부터 겨울잠을 자고 일어나는 곰에 이르기까지

과학자들은 수십 년 동안 동물들의 동면을 연구하고 있습니다.

양서류와 포유류 외에 영장류 중에서도 동면을 하는 종이 딱 한 종 있습니다.

그것은 바로 여우원숭이입니다.

 

여우원숭이는 신진대사를 늦추고 체온과 혈압을 떨어뜨려 동면을 취합니다.

어쩌면 인간의 우주여행의 유일한 답이 여우원숭이에 있을지도 모릅니다.

 

이처럼 많은 연구와 노력에도 불구하고 지금까지 인류가 발을 밟은 천체는 달이 유일합니다.

화성은 2030년 이후부터 가능해 보입니다.

그러니 우리 세대에서는 화성보다 먼 천체로 여행하는 장면을 목격할 수 없을지도 모릅니다.

하지만 광속에 가까운 우주선 기술이 급격히 발달한다면 이야기는 완전히 달라질 수도 있습니다.

 

나사와 미국방성은 워프드라이브를 위한 우주선 연구에 이미 자금을 투자해

초기 단계의 실험들을 진행하고 있습니다.

그 우주선의 이름은 엔터 프라이즈입니다.

엔터프라이즈호는 영화 스타트렉에서처럼 거대한 크기는 아니지만

허구가 아닌 실물로 존재하는 실험체임은 분명합니다.

작은 행운함정 정도의 크기이며 대부분 동력장치로 이루어져 있습니다.

 

만약 엔터프라이즈호의 워크드라이브가 실제로 가동될 경우

인간은 알파센터우리 별까지 2, 타우세티까지는 2달 안에 갈 수 있습니다.

 

 

이 이야기는 책, <예언된 미래 SF>에 나오는 내용 중 하나입니다.

스크린 밖으로 튀어나온 공상과학이라는 부제처럼

이 책은 여러 영화에서 소개된 첨단과학 기술들을 분석해 주고 있습니다.

 

SF의 영화를 더 분석해보고 싶으신 분이나

최근의 첨단과학에 관심이 있으신 분들에게는

무척 흥미로운 책이라 생각합니다.

 

쥴 베른의 달나라 여행이 출간되고

100년 만에 인간의 달착륙이 이루어졌듯이

SF는 점점 과학 기술을 앞당기는 강력한 동력이 되고 있습니다.