추진제 없이 광속도의 99%를 낼 수 있는 엔진, NASA 기술자가 고안, 4분이면 화성까지 도달
· NASA 엔지니어가 '헬리컬 엔진(helical engine)'이라고 부르는 새로운 우주선 드러스터에 대하여 제안하고 있다.
· 이는 특수상대성이론의 작용을 이용한 추진제가 필요 없는 글로즈드사이클 엔진으로 이론상 광속도의 99%를 달성할 수 있다고 한다.
· 다만, 이 엔진은 운동의 제3법칙을 어겼고, 마찰이 없는 심우주 환경에서만 효과적으로 작동할 뿐, 현 상태에서는 실현이 어렵다고 한다.
민간 우주여행도 현실이 되고 있는 현재. 먼 우주로 여행을 한다는 SF의 꿈도 기대하는 사람은 많을 것이다.
그 때문에 돌파해야 할 가장 명확한 문제가 우주가 너무 넓어 보통 속도로는 거의 제대로 이동이 안 된다는 점이다.
현재의 인류의 기술에서는 4광분(빛의 속도로 4분)의 거리에 있는 화성조차, 이동하기 위해서 반년에 가까운 시간이 필요한다.
만약 기술이 발달해 지구와 가까운 환경의 행성을 몇 광년 먼저 발견한다 해도 우주선이 이런 속도로는 아무 데도 갈 수 없을 것이다.
비록 지금은 황당무계한 이야기로 생각되는 것이지만, 새로운 발상에 의한 새로운 엔진을 제안해 나가는 것은, 우주개발의 기술자에게 요구되고 있다.
지금, NASA의 기술자 중 한 명이, 이러한 문제에 대해서 새로운 엔진의 제안을 하고 있다.
헬리컬 엔진(helical engine)이라고 이름붙여진 이 새로운 엔진은 상대성이론의 근광속도에서 일어나는 질량변화 효과를 이용하여 추진제가 필요없이 추진력을 얻을 수 있다고 한다. 과연 이 엔진은 잘 될 수 있을까요?
「헬리컬 엔진」에 관해서는, 미항공우주국(NASA) 마셜우주비행센터의 기술자 David Burns가 제안하고 있어 NASA의 기술보고 서버에 투고되고 있다.
Helical Engine
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20190029657
◇ 특수 상대성 이론을 이용한 엔진
그렇다면 헬리컬 엔진이라고 하는 것은 어떤 원리인가?
먼저 간단한 사고실험(思考実験)을 해보자.
마찰이 없는 바닥에 놓인 상자를 상상해보자. 이 상자 안에는 중앙에 하나의 축이 설치되어 있고, 육중한 부분이 이 축 위를 앞뒤로 미끄러지게 되어 있다.
이 상자에서 스프링 등을 사용하여 돌을 앞으로 튕기면 그 반동으로 상자는 조금 뒤로 물러난다. 그러나 중심축판이 상자 끝에 부딪히면 중심축판이 벽에서 튀는 반작용으로 인해 상자는 앞으로 나아가는 상태가 된다.
이 상태에서는 반대쪽 벽에 부딪힌 중심축판의 반작용으로 상자는 다시 뒤로 물러서게 되므로 상자는 앞뒤로 흔들리기는 하지만 앞으로 나아가지 않다.
우리가 눈속의 썰매 위에서 몸을 앞뒤로 흔들어서 썰매가 잘 전진되지 못하는 것은 이러한 작용,반작용이 교대로 일어나고 있기 때문이다.
이러한 원리는 뉴턴역학운동의 제3법칙(작용·반작용의 법칙)으로 알려져 있다.
그러나 만약 추가 광속에 가까운 속도로 움직인다면 어떻게 될까? 특수상대성이론에서는, 광속에 가까워지면 그 물체의 질량이 늘어난다고 한다.
E=mc2라는 수식이 나타내는 것처럼 질량과 에너지는 변환가능한 같은 것으로 취급된다. 속도가 올라간다는 것은 운동에너지가 증가한다는 것이므로, 그것은 이퀄 질량이 증가하고 있다는 것이다.
고속으로 달리는 차량이 충돌한 경우 저속으로 이동했을 때보다 충격이 커지는 것은 이 원리가 원인이다.
그럼 이러한 원리를 바탕으로 앞의 상자와 추의 움직임을 상상해 보자.
이 경우 이동하는 상자에서 후방으로 움직이는 추는 전방으로 이동할 때보다 외관상의 속도가 떨어지게 된다.
그렇게 되면 앞쪽 벽에 부딪혔을 때보다 뒤쪽에 부딪혔을 때 더 무게의 질량이 작은 상태가 되므로 결과적으로 상자는 조금씩 앞으로 이동하는 추진력을 얻게 된다는 것이다.
실제 헬리컬 엔진에서는, 이러한 동작을 입자가속기를 이용해 이온을 상대론적 속도(근광속)까지 단번에 가속시켜 이용하는 것을 생각하고 있다.
◇ 많은 문제점들
이야기는 단순한 헬리컬 엔진(helical engine)이지만, 실제로는 그렇게 쉽게 실현될 수 있는 이야기가 아니다.
우선 이 원리를 실현하기 위해서는 매우 크고 강력한 장치가 필요한다. 추정으로는, 1뉴턴의 힘을 얻기 위해서는, 길이가 약 200미터, 직경 12미터라고 하는 장치에, 165메가와트의 전력을 사용해 이온을 나와야 한다고 한다.
1뉴턴의 힘은 쉽게 말하면 키보드를 타이핑할 때 손가락에 걸리는 정도의 힘이다.
키보드를 한 번 누르는 정도의 힘을 얻는 데 그만큼의 에너지를 필요로 한다는 것은 너무 비효율적인 이야기이다.
나아가 이 원리를 실현하기 위해서는 마찰이 없는 공간을 마련해야 한다. 현실 세계에서 그것을 이룰 수 있는 환경은 심우주밖에 없을 것이라고 한다.
그리고, 이론상 헬리컬 엔진은 광속의 99%까지 가속 가능하다고 하지만, 그 속도에 도달하기 위해서는, 지금 설명한 1뉴턴의 힘을 반복해 축적해 갈 수 밖에 없기 때문에, 가속하기까지 방대한 시간이 필요한다.
이러한 새로운 기축의 엔진에 대해서는, 종종 제안이 되었지만, 지금까지 기대대로 동작한 사례는 없다.
과거 화제가 됐던 엔진으로는 2000년 초 영국의 발명가 Roger Shawyer가 제안한 EM드라이브가 있다. 이것은 원뿔 모양의 공동에 가둔 마이크로파의 반사를 이용해 추진력을 얻는 엔진으로, 원리적으로는 충분한 힘을 만들어 낼 수 있을 것 같은 엔진이었다.
그러나 EM 드라이브는 2018년 5월에 독일 드레스덴 공과대학 Martin Tajmar가 이끄는 연구팀에 의해 실험이 실시되어 기대했던 대로의 동작을 할 수 없다는 결과가 보고되었다.
그는 「내가 아는 한 관성추진시스템은 마찰이 없는 환경에서는 작동하지 않았다. 헬리컬 엔진도 아마 같은 문제에 직면할 것이다」라고 말한다.
실제로 제안자인 Burns도 이 구상이 비효율적이라는 것은 인정하고 있어 실현이 어려운 것임을 이해하고 있다.
이 논문에 대해서도 NASA 서버상에서 공개는 됐지만 NASA의 도움을 받지 않고 Burns가 여가를 이용해 개인적으로 설계한 것에 불과하다.
그러나, 이러한 일견 황당한 제안 속에, 조금이라도 가능성이 존재하고 있는 것은 사실이다. 부끄러움을 무릅쓰고 이러한 제안을 반복해 가는 것은 새로운 발견을 위해서 중요한 프로세스라고 Burns는 말한다.
인터넷의 시스템만 해도, 미국의 기술자 바네바 부시가 1930년경에 발표한 memex라고 불리는 황당한 SF적 구상이 원래 시초가 되었다. 이게 나중에 더글러스 엥겔버트 등이 하이퍼텍스트를 만들어내는 요인이 된 것이다.
불과 10년 사이에 거짓과 같은 정보검색시스템이 구현되어 버린 세계를 눈으로 보고 있는 우리는, 실현되기 어려운 추진장치의 제안에 대해서도, 자세히 살펴볼 필요가 있다.
가까운 장래, 정말로 4광분의 화성에 4분에 갈 수 있게 될 수 있을 지고 모른다.
