지구가 무한정 사용 가능한 것은 아니다. 앞으로 남은 지구의 천체물리학적 수명이 몇 백만년이라 해도 지구 최후의 날이 조금씩 다가오는 것은 틀림없는 사실이다. 그런데 공해나 전쟁과 같은 자기파멸적인 인간들의 행태로 볼 때, 지구의 물리학적 수명이 다하기 훨씬 이전에 인간들 스스로에 의해 지구가 종말을 고할 것으로 보인다. 여하튼 인간이 그 종을 이어나가려면, 부풀어오른 태양의 열로 지구가 녹아내리기 전에 어떤 새로운 행성을 찾아나가야 한다. 인간이 지구와 같은 환경의 새로운 행성으로 보금자리를 옮기기 위해서는 먼저 그런 행성이 어디에 있는지 찾아야 할 것이다. 무작정 우주비행선을 타고 헤매고 다니기에 우주는 너무나도 넓기 때문이다.

광속으로 별자리 다녀와도 24만년 걸려

사진/ 시험비행을 앞두고 있는 우주 돛단배.

태양계와 비슷한 행성계를 가진 것으로 보이는 가장 가까운 별자리는 4.4광년 거리에 있는 알파 센타우리(Alpha Centauri)다. 빛으로 4년 반을 달려가야 하는 이 거리를 지금의 로켓 속도로 달려간다면 10만년이 걸리고도 남는다. 설사 우주선발대가 그곳에서 지구와 같은 행성을 발견한다고 해도 그 사실을 전하러 다시 지구로 돌아오려면 무려 24만년이나 걸린다. 그렇다면 24만년 전에 출발한 우주선발대를 기억하고 이를 기다리고 있을 지구인들이 얼마나 될까. 지금과 같이 느린 우주비행선으로는 아무런 희망이 없는 셈이다. 문제는 적어도 광속의 1/10 정도에 이르는 속도를 지닌 비행선을 만드는 것이 성공적인 행성여행의 관건이다.

행성여행을 위해 제시된 방안 가운데 하나는 원자로켓(atomic rocket)이다. 원자로켓의 원리는 비교적 간단하다. 핵분열시에 나오는 입자들을 모아서 한 방향으로 보내면 이론적으로는 광속의 3% 정도에 이르는 속도가 나올 수 있다는 것이다. 예상되는 원자로켓은 커다란 원통이 여러 개 겹쳐 있는 형상이다. 각 원통에 핵연료를 넣으면 원통 속에 있는 물질과 핵분열을 일으키고 이들 전기를 띤 입자를 자석으로 운동방향을 조절해서 분사구로 몰아내는 방식이다. 몇개의 가속장치를 달면 광속의 12%까지 속도를 낼 수 있다. 무게를 가볍게 하기 위해서 사용될 핵연료는 자연적으로는 존재하지 않는 빠른 반감기를 가진 아메리슘(americium)이 거론된다.

아메리슘 이용이 가능해지면 알파 센타우리까지 가는 데 약 46년 정도가 걸린다. 이때 필요한 아메리슘의 양은 약 200만t으로 예상된다. 문제는 이 엄청난 무게의 로켓을 지구에서 일차적으로 밖으로 밀어내는 방법이 마땅치 않다는 것이다. 또한 핵분열을 할 때 발생하는 어마어마한 양의 방사능을 비행선에 탑승한 승무원으로부터 차단하기도 쉽지 않다. 이와 유사하게 핵융합을 이용하는 추진방식도 제안되고 있다. 이 방식의 큰 장점은 발생 방사능이 핵분열 방식에 비해 작아서 방사능 차단장치에 대한 부담이 적다는 것이다. 하지만 이 기술은 ‘cold fusion 대소동’에서 보듯 아직 밝혀진 게 별로 없다.

최근 떠오르는 방안은 반물질(antimatter)을 원료로 이용하는 것이다. 만일 어떤 물질의 반물질을 쉽게 만들어낼 수 있다면 그 두 물질, +물질과 -물질을 접합시키는 순간 그 물질들의 무게m이 모두 E=mC2라는 아인슈타인의 공식대로 엄청난 양의 에너지로 100%로 전환된다. 이에 비해 지금 효율적이라는 핵발전은 소모되는 물질 무게의 1%도 채 안 되는 양만 에너지로 전환되고 있다. 따라서 수소와 수소의 반물질을 가득 담은 연료통을 로켓에 부착해, 콜라 한병 정도의 양만 적절히 섞어주면 그 물질과 반물질의 반응으로 10Mt급의 수소폭탄이 폭발할 때 생기는 양의 피온입자(pion)와 뮤온입자(muon)보다 많은 양의 소립자를 만들어낸다. 이를 자력으로 적절히 조정하여 한 방향으로 몰면 약 1/3 광속에 도달할 수 있다.

이와 관련해 얼마 전 스위스의 유럽입자물리연구소(CERN)에서 약 10-15제곱 파운드 분량의 반물질형의 수소를 생성하는 데 성공했다고 한다. 하지만 여전히 한계는 뚜렷하다. 알파 센타우리까지 가는 데 필요한 반물질 수소의 양이 무려 400만t이라고 한다. 지금의 반물질 생성기술로는 거의 가망성이 없어 보인다. 그렇게 많은 양의 반물질을 모으려면 뭔가 다른 반물질 생성공정이 있어야 할 것이다. 또 한 가지 문제는 엄청난 양의 물질-반물질 반응을 견딜 만한 폭발조정 장치를 만드는 것도 지금으로선 불가능하다.

우주 항해의 가장 혁명적인 방식은 1984년 로버트 포워드가 제안한 태양광을 이용한 ‘우주 돛단배’이다. 이 방식은 일단 태양계를 벗어나는 데 태양광을 이용해서 별도의 동력 없이 태양이 쏟아내는 광선의 힘으로 돛을 태양계 밖으로 밀어내자는 것이다. 일단 태양광에 의해서 밀려나가는 초기의 속도는 매우 약하지만 이들이 점점 가속이 되면 대략 이론적으로는 광속의 20%에까지 이를 수 있다. 이 정도의 동력을 태양으로부터 받기 위해서 돛의 지름이 약 1천km이며 펼친 돛의 크기가 한반도 넓이의 5배나 된다. 이런 돛을 만드는 것도 어렵지만 태양계를 빠져나가 가속되기도 힘들다. 우주돛단배가 태양계에서 멀어지면 태양광의 밀도가 그만큼 약해지기 때문이다.

광선의 힘으로 돛을 태양계 밖으로…

이런 가운데 우주돛단배를 지속적으로 가속시키는 방법도 나오고 있다. 우선 우리나라 5배만한 반사경을 지구에 설치해야 한다. 이를 통해 모은 태양광을 레이저로 변환해 우주돛단배의 돛에 쏘아 전송하는 것이다. 현재는 알루미늄으로 제작된 30m 크기의 우주돛단배가 시험비행에 들어갈 예정이다. 엄청난 크기의 반사판을 어떻게 만들고, 이 엄청난 크기의 돛이 아무런 손상 없이 어떻게 우주공간을 빠져나갈 수 있는지를 지켜볼 일이다. 한편 이 우주돛단배를 연구자들은 니오븀(niobum) 재질의 박막(thin film)으로 반사판을 만들면 고온에서도 잘 견디고 거의 비누방울 두께 정도로 가볍게 판을 만들 수 있어 앞서의 방법보다 더 현실성이 있다고 한다.

우주 항해를 위해서는 풀어야 할 과제가 수두룩하다. 수백년의 우주여행 동안 먹을 음식과 물, 공기를 공급하는 게 급선무다. 물과 음식을 100% 재생하는 것도 간단하지 않다. 현재의 기술로 볼 때 충분한 에너지원만 있으면 밀폐된 공간 속에서 산소는 거의 100% 재생할 수 있다. 물론 그것이 수백년 동안 이어질 수 있을지는 장담하기 힘들다. 미국항공우주국(NASA)은 밀폐된 공간에서 약 90일가량 지내면서 수증기와 소변 등의 수분을 물로 재생하는 데 성공했다. 이와 더불어 낮은 중력 상태의 좁은 비행선이 인간의 건강을 유지할 수 있을지, 우주쓰레기와의 충돌로 인한 위험은 없을지 등이 골칫거리다. 과연 우주 항해를 위한 인간의 야망은 실현될 수 있을 것인가.

조환규 | 부산대 교수·컴퓨터과학