ULA의 시스루나-1000 우주



현재
우주활동은 연간 3300억달러의 경제규모를 가지고 있지만 지구 궤도권에 제한되어 있음
주로 통신, 영상, 연구위성 등과 각종 소모성 발사체로 지탱되는 경제
우주인구는 대략 5명 수준에 불과








5년 뒤
상업적 우주 사용이 점차 증가하기 시작
상업적 우주거주지가 들어서면서 우주인구는 20명으로 증가하고, 우주환경에서의 제조업이 실험 단계에 들어섬
발전된 우주발사체의 사용으로 우주발사 비용은 감소하고 그에 따라 규모는 더욱 커짐
향후 우주자원의 채굴을 위한 사전 탐사 역시 진행됨
우주경제 규모는 약 5000억 달러 정도








15년 뒤
상업적 우주거주지는 더욱 커지고 우주관광이 활성화됨
달의 우주자원 채굴이 본격적으로 시작되고, 특히 물을 채취해 우주에서 추진제를 생산해내면서 우주경제가 크게 발전 가능해짐
달에는 채굴기지가 들어서고 지구-달 사이에는 추진제 저장기지 및 유지보수용 유인정거장이 들어섬
우주상에서 재급유가 가능한 추진체가 개발되면서 서서히 지상과는 독립된 우주활동이 가능하게 됨
우주경제 규모는 연간 9000억달러, 우주인구는 약 300여명 수준








30년 뒤
달 채굴에 이어 본격적인 소행성 채굴이 실용화에 들어감
지구-달 라그랑주점에는 대량생산기지가 들어서고, 달이나 소행성에서 채굴한 자원으로 제품 생산이 가능해짐
동시에 지구와 달, 생산기지 간에 자원과 제품을 수송하는 우주교통이 활성화됨
우주경제의 발전에 따라 지구궤도를 넘어 달 표면에도 거주지가 들어서고 지구궤도에는 태양광 발전소 등 거대 구조물이 건설됨
우주경제 규모는 연간 2.7조 달러, 우주인구는 약 1000여명까지 증가




K-9와 PzH2000 자동장전장치 메커니즘 비교 밀덕

K-9



PzH2000





EmDrive, 칸나에 드라이브, 그리고 QVPT 우주

요즘 'NASA도 왜 작동하는지 모르는 기적의 추진장치'에 대한 소식으로 많이 씨끌벅적한 듯하다. 그런데 국내에 돌아다니는 관련 내용은 물론이고, 해외 언론에 소개되는 내용까지도 여러 내용들이 혼선을 빚고 있어 그 실체를 정확히 파악하는 것이 힘든 상황이다. 마침 저번에 QVPT에 관한 간략한 글을 하나 쓴 적도 있고 해서, 확실히 밝혀진 내용에 대해 추려내서 정리하고자 한다.



1. EmDrive
EmDrive는 영국의 Roger Shawyer가 제안한 신개념 추진장치이다. 간단한 원리는 다음과 같다.
깔때기 모양의 도파관에 마이크로파를 집어넣으면, 이 마이크로파는 도파관 내부에서 반사되면서 벽에 복사압을 가한다. 그런데 이 깔때기 모양의 도파관은 비대칭적인 모양을 가지고 있기 때문에, 양쪽 끝에 가해지는 복사압의 크기에는 차이가 생기고 따라서 총 힘은 0이 아닌 값을 가지게 된다. 얼핏 보면 운동량 보존을 어기는 것처럼 보이지만, 창안자인 Roger Shawyer는 특수상대성이론에 의해 운동량 보존을 어기지 않는다고 주장한다. 물론 아직 학계에서는 회의적인 시각이 많다.


이 추진기의 가능성은 Roger Shawyer 및 중국 연구진에 의해 실험적으로 확인되었다. 사진과 같은 장치를 이용하여 실험을 한 결과 80-2500W의 전력을 가해 70-720mN의 추력이 발생하는 것을 관측한 것이다. 물론 이러한 실험은 외부 요소들에 의해 쉽게 방해받을 수 있는 만큼 아직 검증되기에는 갈 길이 먼 상황이다.



2. 칸나에 드라이브
과거 명칭은 Q 드라이브로, 미국의 Guido Fetta가 창안한 추진기이다.



칸나에 드라이브는 얼핏 보기에 EmDrive와 전혀 달라 보이지만, RF cavity에서 생기는 비대칭적 힘을 이용하는 기본 원리는 EmDrive와 같다. 물론, 구체적으로 들어가면(사실 겉모습만 봐도) 둘은 미묘한 차이가 있다. EmDrive는 깔때기 모양 RF cavity에서 생성되는 복사압의 차이를 이용하지만, 칸나에 드라이브는 RF cavity 내에 생기는 전기장과 자기장이 만들어내는 힘의 차이를 이용한다. 둘이 결국 같은 것인지 아닌지는 잘 모르겠지만, 어쨌든 창안자가 스스로 소개하는 작동 원리는 서로 다르다.




이 역시 2011년 자체적인 실험으로 가능성을 확인하였다. 그래프에서 보이는 Power pulse가 바로 장치가 작동하면서 로드셀에서 발생한 신호.



3. QVPT

QVPT가 어떤 것인지는 저번에 쓴 글을 참고.




  • 이 밑으로는 확인 이전에 썼던 내용. 일단 보존을 위해 남겨둠


자 그런데, 이 QVPT를 제안한 Harold White가 속한 NASA 연구팀이 최근 발표한 실험 결과에서 본격적인 혼선이 발생한다. 외신을 포함한 대부분의 언론 보도에서 이 실험은 EmDrive나 칸나에 드라이브의 가능성을 확인한 실험이라고 소개된다. 하지만 발표 내용에서 보듯이, 저자들은 자신의 실험이 QVPT의 이론적 가능성을 확인하는 실험이라고 소개하고 있다. 그리고 지금까지 살펴본 바로는 QVPT와 EmDrive/칸나에 드라이브는 작동 원리가 상당히 달라 보인다. 그렇다면 외신들이 잘못된 보도를 하는 것인가? 그런데 자세히 보면 NASA에서 실험한 장비를 만든 곳이 Cannae LLC라고 밝히고 있다. 바로 위의 칸나에 드라이브를 만든 회사 말이다. 또한, 연구자들이 말하는 'RF resonant cavity thruster' 역시 칸나에 드라이브와 유사해 보인다.

이 상황에 대해 어리석은 내 머리로는 다음 두가지 가능성을 생각해볼 수 있다.
1) 언론에서 잘못 보도했다. QVPT와 EmDrive/칸나에 드라이브는 전혀 다른 물건이고, NASA의 실험은 QVPT에 대한 실험이다. 단지 Cannae LLC에서 자신들이 개발하던 칸나에 드라이브 대신 QVPT 실험 장비를 만들었을 뿐이다.
2) QVPT와 칸나에 드라이브는 보기와는 달리 그 원리에 깊은 연관성이 있다. 따라서 NASA에서는 칸나에 드라이브를 가지고 실험을 함으로써 QVPT에 대한 가능성 역시 확인할 수 있었던 것이다.

이 상황을 해결하는 가장 간단한 방법은 자료를 직접 보는것일 것이다. 불행히도, 내가 다니는 대학 도서관에서는 이 자료에 대한 접속이 제한되어 있다. 그렇다고 25달러나 되는 돈을 직접 내고 보자니 자금사정이 빠듯해 시도하지 못하고 있다. 그 전까지는 그냥 언론 보도가 사실이겠거니 하면서 대체 칸나에 드라이브와 QVPT 사이에 무슨 연관성이 있는 것일까 궁금해하며 지낼 수밖에.





확인 결과, NASA 연구진이 한 실험은 EmDrive 하나와 칸나에 드라이브 두개이다. 칸나에 드라이브의 경우 고안자의 주장에 의하면 한쪽 면에만 나 있는 슬롯들이 비대칭적인 힘을 발생시켜 추력을 만들어 내기 때문에, 슬롯이 있는 장치과 슬롯이 없는 장치 두 가지를 실험하였는데, 문제는 슬롯이 있는 쪽에서 추력이 발생한 것은 물론 없는 쪽까지도 추력이 발생했다는 것이다. 심지어 두 장치에서 발생한 추력의 차이는 불과 수%밖에 되지 않았다.

QVPT와 EmDrive/칸나에 드라이브는 그다지 관계가 없는 듯하다. 단지 2013년 들어 NASA 연구진들이 연구 주제를 QVPT에서 RF 공동 추진기 쪽으로 옮겨간 것 뿐인듯.

우주에서 찍은 둥근 지구 사진의 역사 우주

1966년 5월, 소련, 몰니야-1. 최초의 흑백사진.



1967년 1월, 미국, ATS-1. 최초의 타임랩스 동영상.



1967년 7월~11월, 미국, DODGE. 최초의 컬러 사진.



1967년 11월, 미국, ATS-3. 최초의 고화질 컬러 사진.



1969년 8월, 소련, 존드 7. 달을 향한 비행 도중 촬영.



1968년 12월, 미국, 아폴로 8호. 역시 달을 향한 비행 도중 촬영.

Quantum vacuum plasma thruster - 진공 그 자체를 추진제로 쓰는 추력기 우주

1. Woodward 효과와 MLT(Mach-Lorentz Thruster)

어떤 마법의 벽돌을 상상해 보자. 이 벽돌은 저절로 질량이 커졌다 작아졌다를 반복한다. 이제 스케이트보드를 타고, 이 벽돌을 줄에 묶는다. 그리고 벽돌이 무거워졌을때 뒤로 던지고, 가벼워졌을때 줄을 끌어당겨 다시 가져오면 공짜 추진력을 얻을 수 있다는 것을 쉽게 생각할 수 있다. 문제는, 이 '마법의 벽돌'을 어떻게 만드냐는 것. 사실 그냥 질량이 변하는 벽돌은 쉽게 만들 수 있지만(질량-에너지 등가에 의해 벽돌에 에너지를 넣었다 뺐다만 해도 벽돌의 질량이 변한다!), 그런 벽돌은 운동량 보존 법칙을 어길 수 없기 때문에 아무리 던졌다 끌어당겼다 해봐야 제자리일 뿐이다. 지금 우리에게 필요한건 운동량 보존을 어길 수 있는 (정확히 말하면 '어길 수 있는 것처럼 보이는') '마법의' 벽돌이다.


이제 여기서 Woodward 효과가 등장한다. 이는 다른말로 Mach 효과라고도 하는데, 특히 이 효과를 제안한 Woodward 본인이 Mach 효과라는 용어를 선호하는듯. 아무튼 이 효과가 뭐냐면, 만약 어떤 물체가 그 물체를 제외한 나머지 우주 전체에 대해 가속을 하게 되면, 그 물체의 정지질량이 변화한다는 것. 왜 그렇게 되는지는 일반 상대성 이론과 관련된, 뭔가 복잡하고 이해하기 힘든 이유들이 많이 있으니 생략. 어쨌든, 중요한건 이 효과를 응용해서 마법의 벽돌을 만들면, 신기하게도 벽돌을 던졌다 당겼다를 반복하니 진짜로 추진력이 생기게 된다! 얼핏 보면 운동량 보존을 어기는거 같지만, 사실은 그렇지 않다. 그 이유는 Woodward 효과가 '나머지 우주 전체'에 대한 상대적인 가속과 연관되어 있는 점에서 찾을 수 있다. 즉 벽돌과 스케이트보드를 탄 우리의 운동량만 생각하는게 아니라, 나머지 우주 전체의 운동량도 함께 고려해야 하기 때문. 얼핏 보기에 스케이트를 탄 우리는 운동량 보존 법칙을 어기고 공짜 운동량을 얻은것 같지만, 사실 그 '나머지 우주 전체'의 운동량까지 합하게 되면 운동량은 여전히 보존되는 것이다. 역시 자세한건 일반상대성이론과 관련된...(생략)


이효과는 1990년 Woodward에 의해 처음 제안되었고, 실제로 이 효과를 응용한 추력기(MLT라고 합니다)가 실험을 통해 증명된 것은 2006년. 실험 내용을 보면, 일단 어떤 물질 결정에 진동하는 전기장과 자기장을 적절히 걸어준다. 그러면 그로 인해 결정 안에 있는 이온 역시 진동하게 된다. 그런데 이온이 진동한다는건 곧 가속된다는 뜻이니 이 이온은 우리의 '마법의 벽돌' 역할을 하게 된다. 그리고 외부에서 같이 가해주는 자기장과 이온의 진동이 결합하면 로렌츠 힘을 만들게 되고, 어찌어찌 잘 조절하면 이 로렌츠 힘의 총합이 0이 아닌 값을 가지도록 할 수 있다. 대충 이야기하면, 이온의 질량이 작을 때 로렌츠 힘이 전방을 향하게 하고 질량이 클 때 로렌츠 힘이 후방을 향하게 하는 식. 질량이 작을 때는 가속도가 크고, 질량이 클 때는 가속도가 작으니 전방 가속도와 후방 가속도가 상쇄되지 않게 되고, 결국 추진력이 생기게 된다.


2006년 실험에 사용된 MLT 추력기의 모습



2. QVPT

그런데, 2009년 NASA의 Harold "Sonny" White는 새로운 가설을 제안한다. 그 가설을 소개하기 전에 보충설명을 하자면, 사실 Woodward 효과는 두가지가 있다. 그런데 첫번째 효과에 비해 두번째 효과가 굉장히 작기 때문에, 두번째 효과를 무시하고 첫번째 효과만 고려한게 위에서 한 설명. 하지만 Sonny가 주목한 것이 바로 두번째 효과이다. 이 두번째 효과에 진공 요동이 어쩌고 동적 카시미르 효과가 어쩌고 (생략)을 결합하면 진공 그 자체를 이용해 추력을 낼 수 있다는게 가설의 요지. 


2013년에 관련된 실험도 했다고 한다. 평범한(?) 플라즈마 추력기를 가지고 여차여차해서 실험을 했더니 기존의 고전이론으로는 설명할 수 없는 효과가 관측되었으며, 이게 자신이 주장한 가설과 연관이 있을수도 있다는 내용인듯.



3. 기타등등

사실 이게 굉장히 기똥찬 아이디어이기는 하지만, 근본적인 장벽을 넘을 수는 없다는 한계가 있다. 바로 빛의 속도. 따라서 MLT로는 잘해봐야 행성간 추진에밖에 쓰지 못한다. 빛의 속도로 달려봐야 가장 가까운 별까지 가는데 4년이 걸리면 실제로 쓰기에는 문제가 있다. 물론 며칠만에 목성까지 날아가는 정도만으로도 굉장히 어마어마한 발전이기는 하지만.


그런데 Woodward 효과에는 재미난 특성이 있는데, 바로 질량의 변화를 잘 조절하면 음의 질량을 만들어낼 수도 있다는 것. 그런데 이 음의 질량이란게 워프 드라이브나 웜홀을 실현하는데 곡 필요한 물질이라는게 요점이다. 즉, 잘하면 Woodward 효과를 사용해 음의 질량을 만들고, 이 음의 질량을 사용해서 워프 드라이브나 웜홀을 만들수도 있고, 그러면 행성간 여행 뿐만이 아니라 항성간 여행에까지 응용될 수 있다! 다만 아직 이 음의 질량에 대한 가설이 과학적으로 증명되지 않았기 때문에 어디까지나 가설로만 남아 있긴 하지만.


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