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브런치북 우주EV,이제 탑승할 시간입니다. 13화

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by 우주엘리베이터 덕후들 Oct 26. 2022

4.3 우주 공장과 실험

■우주 요리

기념품점의 한 켠에는 체험 공간처럼 만들어 놓은 사무실이 있다. 강의도 하고 실험도 해주는 곳인데 이곳을 소개하는 간단한 브로셔가 있어서 펼쳐 보니 방학을 이용해 청소년 캠프를 운영하고 있었다. 그런데 이 캠프의 참가 자격이 예사롭지 않다. 캠프를 참여하는데 시험을 본단다. 요즘 아이들은 ‘test’라고 하는 것을 겪어보지 않았는데 무슨 구시대 방식인가 싶지만 지원자가 몰리기 때문이란다. 그도 그럴 것이 지오스테이션과 각 정거장에는 최첨단의 산업과 공장들이 운영되고 있는데 이곳의 거의 모든 시설에서 청소년 캠프를 한다고 하니 다양한 분야의 첨단 과학 체험의 기회로도 훌륭하며 소위 과학꿈나무들이 환장을 할 만도 하다.

그중 재미있는 코스가 몇 개 있는데 '나도 우주 요리사'라는 프로그램이다. 이미 200년 전부터 우주식량이라고 하는 맛없고 딱딱한 요리가 개발되었는데 이것은 우주로 화물을 옮기는 비용이 비싸 요리에서 물을 제거하고 가볍게 해 건조해 가져 갔기 때문이다. 우주 엘리베이터가 상용화되면서 지표에서 물을 가져오기 편리해졌어도 여전히 물은 고가이면서 무중력 상태에서는 위험한 물질이기도 하다. 우주에 거주하는 사람들이 늘면서 점점 좀 더 나은 음식에 대한 욕구가 커지게 되었고 갓 요리한 음식의 필요성이 대두되었다. 그래서 무중력 환경에서 요리를 연구하게 되었는데 전기를 이용한 히팅 방식, 전자레인지와 같은 공명 가열방식 등으로 시작한 초기 요리는 냉동음식을 덥혀 먹는 것에서 나아지지 못했다. 실제로 지오스테이션에서는 무중력 상태에서 세계 여러 요리들을 만드는 콘테스트를 기획한 적이 있었다. 인도 출신의 엔지니어는 화덕을 만들어서 빵을 굽다가 산소 부족 경고가 울려 모듈 전체가 폐쇄되었으며, 한국의 연구자들이 김치를 만들어 밀폐용기에 넣어두었는데 발효되면서 발생한 탄산이 제때 빠져나오지 못해 열자마자 밀폐용기가 터져 모듈 전체가 김치 냄새로 진동한 적도 있었다. 일본의 연구자들은 무중력 튀김요리를 선보이기 위해 연구했는데 기름을 가열하는 것부터 쉽지 않았다고 한다. 이리저리 옮겨 다니는 뜨거운 기름방울들은 화상의 위험이 너무 커서 중간에 우동을 만드는 것으로 바꿨는데 이것도 가열하면 물이 고루 데워지지 않아 일부분만 끓어오르는 기이한 요리가 되었다고 한다. 대회 우승자는 이탈리아 팀이었다. 피자를 전자레인지에 데우고 스파게티는 면을 만들어서 소스를 풀어 넣으면 되었기 때문이다.

몇 번의 시행착오로 얻어낸 것은 지상의 요리와는 다른 새로운 우주 요리의 필요성을 공감했다는 것이다. 지상의 방식으로 요리를 만드는 것은 지상의 요리이고 우주에서는 우주만의 방식으로 새로운 요리를 재창조하는 것이 필요하다는 것이다. 그래서 연구된 첫 번째 변화는 그릇을 없애는 것이다. 컵과 같이 위가 뚫리고 아래가 막힌 그릇은 중력 환경에서나 어울리는 어설픈 유산일 뿐이었다. 대신 팩으로 된 요리가 제공된다. 물의 양을 줄인 젤 형태의 수프나 국, 젤리 형태의 반찬, 달걀이나 육류 대신 배양육을 활용한 스테이크 등이 그것이다. 하지만 그럴싸한 대표 우주 요리가 없던 터라 아마도 청소년들의 톡톡 튀는 아이디어가 필요한 모양이다. 그래서 청소년 대상 우주 요리 콘테스트가 지오 스테이션에서 열린다. 우주에서는 표면장력이나 모세관 현상의 정도가 지구와 매우 달라 요리의 전 과정에서 이를 고려해야 한다. 따라서 과학적 지식과 요리의 재능이 함께 요구된다. 우주 요리 캠프가 과학 캠프인 이유이다.

■우주 공장

우주 엘리베이터의 모든 구간에서 지오스테이션만 완전한 무중력 상태이다. 지구에서부터 지오스테이션 까지는 지구가 당기는 중력으로 지구 방향으로 바닥을 두어야 하고, 지오스테이션부터 위로는 거꾸로 지구 반대편으로 바닥을 두어야 한다. 지구에서 이렇게 중력을 조절하는 것은 매우 힘들다. 지구에서 무중력 상태를 만드는 방법은 자유 낙하하는 방법이 있는데 고작 몇 초 정도를 위해 수십 미터의 타워를 만들고 그 안을 하루에 걸쳐 공기를 모두 빼 진공으로 만들어야 한다. 하지만 지오스테이션에서는 이 모든 불편함 없이 일상이 무중력이니 무중력이 필요한 실험들은 이곳이 훨씬 편리하다. 우주에서 사용해야 할 물건들은 지구와는 다른 설계를 해야 한다. 때로는 더 두껍고 튼튼하게 해야 할 부분도 있고 어떤 부분은 종잇장처럼 얇아도 되는 부분이 있다. 우주선도 마찬가지인데 지상에서 만들어 로켓으로 운반하는 스페이스 셔틀의 경우 오비터가 지구로 다시 착륙해야 하므로 바퀴가 있었고 무게를 지탱해줄 서스펜션과 튼튼한 프레임이 필요해 무게가 80톤에 육박하였다. 초경량 금속을 주로 사용했음에도 말이다. 하지만 지금 관광용으로 사용되는 비슷한 크기의 셔틀은 수십 명의 승객을 모두 포함해도 40톤 미만이다. 물론 바퀴도 없다.

우주선을 건조하는데 필요한 공학 기술은 무중력 환경일 때 고려해야 할 것들이 오히려 많다. 부품의 보관과 운송, 접합, 노동강도 등을 종합해 볼 때 건조 비용은 오히려 더 늘어난다. 건조사에서도 우주선 건조 방식에서 혁신적인 아이디어를 만들어내고 있다. 위아래 구분이 없으니 기존과는 다른 내부구조를 갖고 있어야 하며, 선실과 객실의 배치와 동선을 고려해야 하고, 인테리어에서 고려해야 할 사항들이 많다는 것이다. 또한 공기저항을 고려할 필요가 없으니 우주선 자체가 유선형일 필요가 없어 극단적으로는 지우개 모양이나 공 모양 우주선도 가능하다. 자동차 회사에서도 매년 자동차 디자인 콘테스트를 하듯이 우주선 건조사에서도 대학생들을 대상으로 비슷한 대회를 하고 청소년들을 대상으로 하는 건조시설 견학과 우주 역학에 대한 강의 프로그램을 진행한다. 이 프로그램을 이수할 경우 일부 대학에서는 학점으로 인정해주기도 하는데 목표가 뚜렷한 학생들은 이 프로그램에 참여해 강의를 듣고 우주공학에 대한 꿈을 키우기에 제격이다.

무중력 상태는 새로운 재료를 만드는데도 도움을 준다. 물과 기름을 섞으면 물이 가라앉고 기름이 떠 잘 섞이지 않는다. 무중력일 때는 어떨까? 유화제 없이도 물과 기름을 섞을 수 있다. 이렇게 지상과는 다른 현상들 때문에 화학반응이 일어나는 양상이 다르고 비커나 플라스크 같은 용기가 필요 없어 반응과정에서 불순물의 발생을 줄일 수 있는 장점도 있다. 이것은 제조공정의 변화를 가져오고 순도 높은 물질을 생산해야 하는 제조사에서는 우주 공장을 고려해볼 수 있다. 한 예로 광섬유가 있다. 무선통신이 일반적 통신 방법이지만 대륙간 통신방법은 여전히 광섬유를 이용한 광통신에 의존하고 있다. 안정성과 속도 때문이다. 광섬유의 제조는 공기 방울과 같은 불순물을 없애는 것이 관건인데 진공 상태에서는 공기 방울을 없앨 수 있어서 품질 높은 광섬유를 생산할 수 있다. 반도체 공정에서도 수율이 경쟁력이 되는데 진공과 무중력 환경에서는 불순물을 크게 줄일 수 있어 매력적이다. 또한 지구에서는 제조 불가능한 신소재를 만들어 지구의 삶에도 기여할 수 있다.

학생들을 우주로 불러들여 우주공장을 견학하게 하는 것은 단순한 보여주기 프로그램이 아니라 우주 산업에 대한 경험을 통해 자국의 우주 산업 인재를 육성하고 관련 분야 진로를 선택하는데 기여하기 때문이라고 한다. 그래서 각 나라에서는 미래 우주산업 강국으로 도약하기 위해 이 청소년 캠프 인원을 늘리려고 노력 중이라고 한다.

■테라 포밍

유일하게 화성중력센터 캠프인 테라포밍은 화성의 환경을 지구처럼 만드는 거대 프로젝트에 참여하는 것이다. 거창한 이 프로젝트는 현재 차곡차곡 준비 중이며 그 첫발은 화성의 중력 환경을 만들어 시범 연구를 통해 점차 실현될 예정이다. 학생들이 참여하는 부분은 현재 지구의 토양과 화성의 토양을 분석하고 이 토양을 지구의 식물이 살 수 있는 성분으로 바꾸는 과정이다. 이 부분은 현재 많은 연구가 진행 중이며 가시적인 성과도 보여주고 있다. 화성 중력센터의 거대 돔에서는 현재 콩과 밀, 감자, 벼 등을 재배 중인데 중력이 작은 화성 환경에서 성장 속도, 열매의 무게, 미생물의 작용 등을 연구 중이다.

현재 화성에는 테라포밍 인력이 파견되어 대기압을 높이는 1단계 작업을 진행 중이다. 암모니아와 수소, 불소 등을 이용해 대기의 무게를 늘리는 작업이다. 이 작업이 성공적으로 자리 잡으면 물을 만드는 2단계 작업, 기온을 높이는 3단계, 식물을 심는 4단계 등등 약 500년 동안 차근차근히 화성을 지구와 같은 사람이 살 수 있는 환경으로 바꿀 예정이다. 만약 500년 후 테라포밍이 현실화되면 인류는 최초로 지구 이외의 행성에 식민지를 건설하게 된다. 지금의 화성 중력센터는 축구장 크기보다도 작은 돔에 불과하지만 이 프로젝트의 규모는 모든 우주 산업을 압도한다.

전문가들은 1단계 작업이 완성되기까지 90년이 걸릴 것으로 예상한다. 그때까지 이곳에서는 2단계나 3단계를 준비하며 그 기술들을 개발하고 있는 것이다. 이 프로젝트의 결과물은 화성에만 적용되는 것이 아니라 온난화가 진행되어 사막화되고 있는 지구의 많은 지역에도 적용될 수 있어 많은 관심을 받고 있다.

거대 태양광 발전

■거대 태양광 발전

정지궤도에 있는 가장 큰 구조물은 태양광 발전 시설이다. 수 km에 달하는 이 시설에서 생산하는 에너지는 우주엘리베이터를 작동시키고 연구시설에 전력을 공급한다. 태양광 패널은 초기에는 지구에서 수송하여 조립했지만 현재는 소행성에서 얻은 광물질들을 이용해 우주 공장에서 직접 제조하는 것을 시범 생산 중이다. 태양광 패널은 강한 빛을 받으면 전기를 생산해 내는 능력이 좋아지지만 온도가 지나치게 올라가면 효율이 떨어지는 특성을 갖고 있다. 이 때문에 빛이 강하고 온도는 낮은 곳이 최적의 조건이 된다. 우주 공간은 태양광 발전을 하기에 최적의 장소인 것이다.

초기에는 태양광 발전을 위한 위성을 설계하기도 했으나 전력 전송의 문제, 일조량의 문제, 패널의 정렬 문제 등 때문에 정지궤도에 대규모로 설치하는 것으로 결정되었다. 이곳의 가장 큰 장점은 궤도가 안정되어 있기 때문에 정렬이 쉬워 설치와 관리가 용이하다는 점이다. 우주엘리베이터를 이용해 지오스테이션까지 올라가서 해당 패널로 이동해 수리하면 그만이다. 발전 위성은 고장이라도 나면 궤도 운동하는 것을 붙잡아서 고쳐야 하는데 천상 로켓을 이용해 접근해야 하는 불편함이 있다.

지표면에서 태양광 발전량은 날씨와, 일조시간 등 여러 조건들로 인해 효율이 설계 용량의 절반도 넘지 못한다. 우주로 나오면 이러한 제한이 사라지기 때문에 매우 효율적이지만 전송 과정의 문제가 생긴다. 현재는 우주에서 생산한 전기를 우주에서 모두 소비하지만 패널을 늘리고 있기 때문에 언젠가는 지구에서도 우주에서 생산한 전기를 사용할 날도 머지않았다.

거대 태양광 발전소는 청소년을 위한 캠프보다는 견학에 가깝다. 관광객들과 비슷하게 셔틀에 탑승해서 거대한 규모를 실감하면서 우주공간에서 에너지의 중요성에 대해 느끼는 시간이 될 것이다. 대신 캠프는 태양광 패널을 건설하기 위한 로봇 팔이나 이동 레일 등을 작동시키는 메커니즘에 대한 기계공학 프로그램을 진행한다. 지오스테이션의 거의 모든 공장이 로봇으로 자동화되어 있다. 기계공학은 인간의 이동이 제한된 진공 상황에서 큰 역할을 하고 있다. 인간이 기계를 만지지 않아도 되니 진공인 우주 공간에 로봇을 두고 자동으로 움직이거나 원격으로 조정하는 방식이다. 이런 과정에서는 초저온, 초고온, 진공과 같은 극단적인 환경에서도 견딜 수 있는 모터와 금속 신소재 등이 필요하고 정확한 제어를 위한 통신기술, 제어기술 등이 개발되어야 한다.

■우주광산

소행성을 가져다가 그 속에서 금을 캔다는 상상은 아주 오래전부터 SF소설에 등장하던 설정이다. 100여 년 전 처음으로 지름이 10m인 소행성 포획에 힘겹게 성공한 나사는 이를 가져와 달에 놓고 희귀 광물을 채굴할 생각을 했다. 나사는 포획과정과 운반 과정에서 소행성이 부서지고 흩어지는 것을 막기 위해 커다란 천을 이용해 보자기처럼 감싸는 방식으로 포획하였다. 그런데 소행성이 자체 회전하고 있어서 포획한 후 옮기는 과정이 위험해 포기할 수밖에 없었다. 20년 후 룩셈부르크의 한 광산회사가 소행성의 회전을 멈추게 하고 드릴로 구멍을 얕게 뚫어 케이블을 고정시키는 방식을 개발하였다. 커다란 보자기가 필요 없는 이 방법으로 나사보다 10배나 더 큰 소행성을 포획하여 달에 가져온 광산회사는 채굴을 하기 위해 지구에서 장비를 보내는 로켓을 알아보았지만 비용이 많이 들어 채굴을 해도 채산성이 맞지 않았다. 이런 단점이 우주엘리베이터가 건설되면서 해결되었다. 소행성을 끌어와 케이블 끝에 매달아 질량추로 활용하면서 채굴을 하는 방법이 가능해졌기 때문이다. 장비는 지구에서 엘리베이터로 운반하고 채굴된 광물은 우주엘리베이터 건설에 사용되었다. 지금 이 방식으로 첫 번째 소행성에서 광물을 채굴하고 있다.

원래 지구 생성 초기 단계에서 무거운 원소들은 핵으로 가라앉아 표면에서는 필요한 금속원소들을 구하기 힘들다. 원시 행성들이 부서질 때 흩어졌던 소행성 중 핵의 일부였던 소행성에는 금과 백금 등 지구에서 매우 희귀한 금속들이 있을 것으로 판단되기 때문에 앞으로 채산성이 높고 포획하기 좋은 적당한 모양과 크기의 소행성을 찾고 운반하는 기술이 발전할 것으로 생각된다.

우주 광산 청소년 캠프는 유일하게 펜트하우스에서 진행되는 캠프다. 이 때문에 가장 높은 곳까지 올라간다는 장점이 있으나 편의시설이 부족해 지원자가 적다고 한다. 이곳에서는 부스러기 없이 채굴해 광물을 선별하고 1차 가공하는 과정이 진행된다. 캠프에서는 이 과정을 지켜보고 채굴 과정에서 발생한 광물을 선별하는 방법과 커다란 조각들이 이탈하지 않도록 막는 방법을 시뮬레이션하는 체험을 한다고 한다.

■우주탐사

가장 인기가 많은 캠프는 우주 탐사 캠프다. 탐사선은 화성 터미널이나 펜트하우스 터미널에서 발사되지만 탐사 계획이나 핵심 장비는 모두 지오스테이션에서 만들어지기 때문에 캠프도 지오스테이션에서 진행된다. 학생들은 각 행성의 특징들을 배우고 행성들마다 궁금한 것들을 모아 세미나를 한다. 그중 한 팀을 선정해 실제 탐사선의 프로젝트로 포함시켜 본인들의 프로젝트가 실현되는 것을 지켜보는 과정이다. 지난 캠프에서 선정된 프로젝트는 토성의 위성인 타이탄에서 무지개를 관찰하는 것이었다. 타이탄에는 대기 중 메탄이 액체 상태로 존재해 기상현상이 발생하면 메탄 방울들이 비처럼 내리게 된다. 그러면 약한 태양빛에 의해 메탄 무지개가 발생한다는 가설을 세운 것이다. 그리고 이를 확인하기 위해 토성 탐사선에 별도로 타이탄에 착륙할 수 있는 모듈을 부착해 보냈다. 이 프로젝트가 인기 있는 이유는 바로 이점이다. 과학 덕후들의 기발한 상상력을 현실로 만들어주기 때문이다.

과거 지구에서 진행된 우주 탐사는 출발부터 위험을 안고 가야 했다. 로켓 전체 무게의 3%밖에 안 되는 탐사선을 위해 97%의 로켓을 만들어야 하고 그마저도 연료 무게가 80% 이상이었다. 또 발사가 실패할 것에 대비해 탐사선을 반드시 두 개씩 제작해야 했다. 그리고 실제로 20%가량이 실패해 공중에서 폭발하거나 분리 과정에서 예상치 못한 방향으로 나아가기도 했다. 우주엘리베이터가 만들어지고 펜트하우스 터미널에서 발사되는 탐사선은 가만히 놓아도 이미 투석기처럼 지구의 자전 속도에 의해 초속 7km을 얻고 지구의 공전속도인 약 30km/s가 더해진다. 거기다가 로켓의 추진력을 조금 보태면 충분히 외행성 탐사를 위한 속력을 얻게 된다. 지표에서 발사하는 것보다 훨씬 더 경제적이다. 그래서 탐사선의 크기를 획기적으로 늘릴 수 있으며 더 먼 곳까지 빠르게 탐사가 가능하다. 연료를 실을 수 있는 양이 늘어난다면 머지않아 명왕성에 착륙하고 다시 돌아오는 탐사선이 개발될지도 모른다.

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