인공중력
1. 개요
人工重力 / Artificial gravity
인간이 만드는 중력을 가리킨다. 대개는 무중력이나 저중력 환경에서 보다 쾌적하게 생활하기 위해 지구 중력과 유사하거나 동일한 환경을 조성하는 것을 인공중력이라 하며, SF에서는 고중력을 지구 중력 수준으로 경감하는 것도 인공중력이라 부른다.
인공중력을 발생하는 방법은 크게 셋으로 나뉜다.
2. 방식
미래의 우주선이나 스페이스 콜로니 등에 적용될 가능성이 매우 높은 기술로, 현재까지 제안되고 있는 인공중력을 만들어낼 수 있는 방법은 대충 4가지다. 하나는 지구상에서 실제로 사용되고 있는 '회전' 그리고 '선형 가속', '자석', '질량'. 이 중에서 질량은 말 그대로 질량이 무식하게 큰 물체를 이용하여 일반적인 중력을 발생시키는 것이다. 자석은 말 그대로 자석을 사용해 우리 몸의 원자를 한방향으로 끌어당김으로써 인공중력을 만드는 방법이다.[1] 나머지 회전과 선형 가속은 관성력을 이용해 인공중력을 만드는 것이다.
2.1. 원심력
회전축을 중심으로 하여 질량이 있는 물체를 빙빙 돌리면 회전축과 반대 방향으로 원심력이 작용하는데, 이 원심력을 중력 대용으로 이용하는 방법이다. 회전축이 있는 큰 원통이나 바퀴가 있으면 구현 가능할 것으로 예상된다. 유원지의 놀이기구 등을 통해 이런 종류의 원심력을 경험한 이들이 있을 것이다. 비슷한 원리로, 양동이에 물을 넣고 팔을 빙빙 돌리면 물이 쏟아지지 않는데, 딱 이 원리라고 생각하면 된다.
실생활에서 사용되고 있는 '회전'을 이용한 인공중력 생성의 예시로, 원심가속기에다가 사람을 집어 놓고 빙빙 돌리면 원심력에 의하여 평소보다 더 많은 중력이 걸리게 할 수 있다. 실제로 전투기 조종사들은 이러한 훈련을 받는데, 급기동 시에는 전투기 자체가 선회를 하며 원심력이 걸려서 조종사들이 중력의 6~9배 되는 힘을 받기 때문. 보통 이를 중력의 몇 배인가로 나타내며, 이를 G라고 한다. 잘 훈련받은 조종사여도 5~6G 정도의 상황이 되면 피가 몸 아래로 쏠려서 뇌와 안구에 혈액이 부족해짐에 따라 시야 주변이 어두워지기 시작하며 9G 가까이 되면 만렙 조종사고 뭐고 몇 십 초 이후 블랙아웃에 빠지거나 아예 의식을 상실하는 G-LOC 상태에 빠지게 된다. 반대로 힘이 머리방향으로 작용하면[2] 중력의 2~3배 넘는 힘만 작용해도 피가 머리로 심하게 쏠려서 눈앞이 빨개지는 레드아웃 현상을 경험하거나 아예 혈관이 터져서 실명이나 뇌출혈을 일으킬 수 있다.
원심 가속기는 건축이나 군사분야에도 쓰고 있다. 한국 수자원공사에서 100억 원 가량을 들여 건물의 붕괴를 관측하기 위해 최대 150배 중력이 걸리는 원심모형가속기를 만들었고, 미국에서는 최대 350배의 중력 부하가 걸리는 실험기로 신형 폭약의 위력을 실험한다고 한다. #
SF 영화를 통해 흔히 알려진 우주 거주구와 같이 속이 빈 원통의 가장자리 부분에 사람이 거주하는 형태가 바로 원심력을 이용한 인공 중력의 사례이다. 이 경우 사람이 느끼는 인공 중력의 세기는 거주구의 반지름이 길수록, 그리고 거주구가 빠르게 회전할수록 강해진다.[3] 제대로 된 공식을 적용하여 계산할 경우 반지름 1 km의 우주 거주구 내에 지상에서와 같은 10 m/s^2 수준의 인공 중력장을 구현하려면 거주구는 초당 약 5°의 각속도로 회전하면 된다. 계산 방법에 대해서는 구심력 참조.
원심력을 이용한 인공중력의 가장 큰 특징은, 회전하는 실린더의 내벽에 붙어있어야만 인공중력이 작용한다는 점. [4] 실린더 중심(회전축)에 떠있는 물체에는 어떠한 원심력도 작용하지 않으며, 우주 콜로니가 등장하는 SF 작품들 중에는 이를 이용해 사람들이 콜로니 중심의 무중력 구역에서 인력을 이용한 비행을 즐기는 장면이 그려지기도 한다.
워낙 자주 등장하는 인공중력 생성방식이다 보니 잊기 쉬운 사실: 이 방식의 인공중력은 그나마 가장 실현이 용이한 방법이지만, 수십년의 우주개발 역사에서 아직도 실현된 적이 없다. 스카이랩부터 국제우주정거장에 이르기까지 이런 회전구획을 가진 우주 건조물은 한번도 만들어진 적이 없으며, 지구상에서는 지구중력의 영향으로 인해 제대로 모의실험을 해볼 수가 없다. 원심력이 인공중력으로서 의미 있으려면 우주 건조물의 크기 자체가 충분히 커서 머리와 발 사이에 걸리는 중력의 차이가 무시할 수 있을 정도가 되어야 하는데, 그 정도 크기의 우주 건조물이 현재까지 없기 때문이다. 예를 들어 키가 2m인 사람의 머리와 발에 걸리는 중력 차이가 10% 이하가 되도록 하기 위해서는 회전반경이 20m 이상이어야 한다. 미 해군에서 직경 10미터급의 원심분리기로 실험해본 결과 작은 규모로는 인공중력 효과를 얻을 수 없고 멀미만 유발할 뿐이었다.
내부에서 사람이 균형감각에 불편을 느끼지 않고[5] 거주하기 위해서는 최대한 분당회전수를 줄이고 회전반경을 늘려야 한다는 단점이 있다. 참고로 1분에 2.5바퀴 회전시키는 경우 반경 144m쯤의 원주에서 1G 가량의 중력을 구현할 수 있다.
이런 인공중력은 소규모의 실험을 통해 그 실현 가능성이 부분적으로 검증된 적이 있다. 1966년 미국의 제미니 11호는 최초로 인공중력을 만들어냈다. 무인위성에 약 길이 36m정도의 끈으로 묶고 원운동시킴으로서 무인위성 내에 인공중력을 처음으로 만들어낸 것이다. 그 크기는 너무도 작아 우주비행사에 의해 느껴지지도 않은 정도였으나, 작은 물체가 무인위성 "바닥" 쪽으로 이동하는 것은 관찰되었다.
NASA가 구상하고 있는 유인우주탐사선인 노틸러스-X의 목적 중 하나는 이러한 원심력을 이용한 인공중력 발생장치의 실현과 검증에 있다. 실제로 노틸러스-X는 원심력을 이용한 인공중력을 구현하기 위해 회전구획을 가지는 설계를 채용하고 있다.
또한 소유즈 우주선 중에서도 원심력으로 인공중력을 발생시키는 것을 실험한 경우가 있었다고 한다.
스탠리 큐브릭/아서 C. 클라크의 SF 영화/소설인 2001 스페이스 오디세이에 등장하는 것이 대표적으로, 초반부에 등장하는 우주 정거장은 선체가 통째로 회전하며 원심력/인공중력을 발생시키고 있으며, 우주선 디스커버리호의 경우 공 모양의 선체의 적도부분에 해당하는 위치에 "회전목마"라는 회전 구획이 있어 여기에만 원심력/인공중력이 발생된다.
애니메이션의 경우 기동전사 건담에 등장하는 스페이스 콜로니가 대표적. 스페이스 콜로니는 직경이 수~수십 킬로미터에 달하는 거대한 실린더형 건축물인데, 그 장축을 회전축으로 하여 회전함으로써 그 내벽에 원심력/인공중력을 발생시킨다. 또한 기동전사 Z건담에 등장하는 우주선인 아가마에는 회전되는 부분이 있어서 그곳에만 원심력/인공중력이 작용하고, 전투시에는 회전을 멈추고 본체에 수납하는 방식으로 되어 있다.[6]
2.2. 가속도
장거리 우주여행을 하는 우주선에서 활용 가능한 방법이다.
우주선의 추진모터를 분사하여 지구의 중력가속도와 똑같은 가속도를 계속 걸어주면, 우주선의 진행방향과 반대방향으로 지구 중력과 똑같은 힘이 걸리게 된다. 물론 감속할 때는 가속도가 반대방향으로 걸리므로, 여행의 중간지점에 도달하면 주엔진을 일단 끄고, 우주선을 180도 선회시킨 뒤, 다시 똑같은 출력으로 주엔진을 분사하면 된다.
중력가속도라는 이름만 봐도 알겠지만 지구의 중력도 일종의 가속이므로, 이 방법을 통해 생성하는 인공중력은 지구 중력과 구별할 수 없다. 선체의 어떤 구역에서도 똑같은 인공중력이 적용되며, 그 안에 있는 사람이 자세를 바꾸거나 운동을 하더라도 체감 인공중력에는 변화가 없다. 즉 이상적인 인공중력인 셈이다.
문제라면 역시 아직은 그런 우주선을 만들 수가 없다는 것. 여행 내내 9.81 m/s²로 가속을 하려면 엄청난 양의 추진제나 굉장한 고효율의 엔진이 필요한데, 현재 이온 엔진으로는 그런 가속도를 낼 수가 없고 일반 화학로켓으로는 그렇게 오랫동안 분사를 할 수가 없다. 때문에 현재로서는 가설만 있는 엔진들, 즉 VASIMR(플라즈마 자력추진; Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) 엔진[7]이나 우주공간의 수소원자를 잡아먹으며 추진을 하는 램스쿱 추진 등이 개발되어야만 이런 인공중력도 실현이 가능할 것이다.
참고로 저런 우주선이 실존한다면, 몇광년만 나아가면 광속의 99%를 넘어선다(...)[8] 거의 불가능에 가깝다는 말이며 설사 가능하다 해도 가속을 하면 할수록 더 많은 연료가 필요해져서 많은 제약이 있는 형태가 될 것이다.
창작물 중에서는 일본 만화 및 아니메인 "시도니아의 기사"에 등장하는 우주선이 이 방식으로 인공중력을 만들어내고 있다. 우주선이 급히 감속하거나 방향을 전환하는 경우 인공중력의 작용 방향이 바뀌거나 아예 인공중력이 소실되며, 극중에서 이로 인한 사건들이 상세히 묘사된다.
2.3. 그 외의 방법
옛날 SF나 드래곤볼 만화에 자주 등장하는 "중력 발생" 장치를 이용하는 방법, 또는 스페이스 오페라에서 자주 등장하는 "중력 제어" 장치를 이용하는 방법.
버크 로저스나 스타 워즈 같은 스페이스 오페라 류의 창작물에서는 우주선에서도 중력이 존재하며 다들 갑판 위를 성큼성큼 걸어다니는데, 우주의 무중력에 대해서는 아무 설명 없이 넘어가거나 중력발생장치라는 것이 있어 스위치만 넣으면 중력이 생겨나는 것으로 묘사된다. 나름 본격적인 SF 드라마인 스타 트렉 역시 중력발생장치가 등장하는데, 이는 사실 과학적인 이유에서가 아니라 궁핍한 제작 예산 때문에 무중력을 묘사하는 것이 불가능했기 때문이다.[9]
스페이스 오페라물에서는 원심력을 이용하지 않고 인공중력을 공상과학기술로 그냥 만들어내는 우주선 등을 등장시키는 경우가 일반적인데, 상술한 가장 기초적인 방법들을 사용하지 않고 중력을 만들어내는 확실한 방법은 현대 과학에 따르면 아직까진 없다. 유력한 이론으로는 자기중력장을 이용한 방법이 있는데, 이와 관련해서 러시아의 엔지니어 예브게니 폿클레트노프(Евгений Подклетнов)가 회전하는 초전도체를 이용하여 강력한 자기중력장을 만들어내는 데 성공했다고 1990년대부터 주장하고 있다. 그동안 제 3자에 의하여 이 실험 결과가 검증된 적은 없었으나, 2006년 ESA의 연구팀이 비슷한 장치를 이용, 실제로 인공중력 비슷한 현상을 일으키는 데 성공했다고 주장했다. 표준 중력의 1억분의 1에 불과했지만...
현재로서는 공상의 영역이며, 어떤 역장 따위를 걸어 진짜 중력을 발생하는 것은 불가능할 가능성이 매우 높다는 것이 현재 물리학의 주류 견해이다. 다만 만일 공간을 휘게 하는 워프 드라이브가 가능해질 경우 에너지 소비 면에서 비효율적이지만 이론적으로는 같은 원리를 응용해 인공중력 역시 가능할 수 있다. 물론 워프도 현재의 물리모형만으로는 불가능하다는 견해가 더 많은지라 결국 "반중력"이나 "시간 여행" 등과 비슷한 취급.
[1] 대상에게 전류를 흘려주거나 강자성/상자성으로 된 물체를 이용해 자성을 띠게해야만 자석으로 중력을 모사할 수 있다. 아무런 조치가 취해지지 않는다면 반자성에 의해 몸이 반대방향으로 날려진다! 모든 물체는 (그게 다른 원인으로 발생하는 자성에 비해 약할지라도) 반자성을 가진다.[2] 이를테면 중력이 강하게 작용하는 곳에서 거꾸로 뒤집혔다든지...전투기 조종사는 주로 급강하 시 이를 경험하게 된다.[3] 정확히는, 인공 중력장의 세기는 '''각속도의 제곱'''과 '''반지름'''의 곱과 같다.[4] 때문에 거대한 실린더형 우주 콜로니를 건조해 원심력식 인공 중력을 발생시킬 경우, 그 안의 대기가 어떤 식으로 움직일지가 큰 관심거리다. 지표면(실린더 내벽)의 공기는 원심력에 의해 실린더와 함께 회전할 것이나, 실린더 중심의 공기는 원심력을 거의 받지 않으므로 원심력에 의한 강한 바람이 발생할지도 모른다.[5] 관성이 적용되므로 내부에 특별히 물리적인 불편은 없으나 생물의 감각기관은 섬세하기 때문에 흔들림과 같은 여러 요인들이 겹쳐 멀미 등의 문제를 일으킬 수 있다.[6] SF 영화팬이라면 알겠지만 "2010 스페이스 오디세이"에 나오는 러시아 우주선인 레오노프호를 그대로 따라했다.[7] 현재 개발이 어느정도 진행된 엔진으로, 최고속도 '''초속 56km'''을 낸다고 한다.[8] 특수상대성이론의 시간지연 효과를 감안한다면 지구에서 우리은하의 중심까지 가는데 중간부터는 동일한 가속도로 감속을 한다고 하면 '''우주선 시간으로 약 19.78년'''이면 충분할 정도다. 감속 없이 간다면 우리은하의 중심까지 우주선 시간으로 10.64년이면 충분하다.물론 감속없이 가면 방향을 바로 반대로 전환하는게 불가능하겠지만 말이다.물론 속도가 최대에 달했을때 우주선의 운동질량(=에너지)는 정지질량의 1000배가 넘으므로 그만큼의 에너지를 조달한다는건 거의 불가능할 것이다.[9] 스타 트렉 극장판 중에는 무중력상태가 묘사되는 작품이 둘 있는데, 역시나 굉장히 어색하다.