우주에도 고속도로가 있다. : 과학향기 Story : KISTI의 과학향기

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우주에도 고속도로가 있다.

<KISTI의 과학향기> 제244호 2005년 01월 31일

우리가 달리는 고속도로는 신호등도 없고, 직선으로 뻗어있어 일반도로와 달리 시간과 연료가 절약된다. 하지만 놀랍게도 우주공간에도 우주선을 빨리 달리게 할 수 있는 고속도로가 있다고 한다. 자 그럼 우주 공간을 고속으로 달려볼까? 대부분의 일반인들은 천체와 천체 사이의 우주 공간이 텅 비어있다고 생각하기 쉽지만 사실은 그렇지 않다. 실제 우주공간에는 각 천체의 중력들이 서로 작용하면서 복잡한 힘의 흐름이 존재하고 있다. 따라서 우주선들이 우주를 비행할 때 각 천체의 중력이 비행에 도움을 주기도 하고, 또한 방해가 되기도 한다. 과거의 우주 탐사에서는 태양이나 행성들의 중력을 이용하여 우주선의 가속을 얻었다. 이러한 비행 방법을 ‘플라이바이(Flyby, 근접비행)’라고 하는데 우주를 여행할 때 우주선이 낼 수 있는 속도보다 더 빠른 속도를 얻기 위해 여행하는 도중 특정 행성에 접근하여 그 행성의 중력의 힘을 이용하는 방법이다.

다시 설명하자면 직선으로 비행하던 우주선이 특정 행성의 중력권 안에 들어가게 되면 중력의 영향을 받아 원래 비행하던 속도보다 더 빠른 속도로 행성에 접근하게 된다. 이때 행성은 태양을 중심으로 원 궤도를 돌기 때문에 접근하는 우주선 옆으로 서서히 비켜나가게 된다. (행성은 계속 공전하기 때문에) 그렇게 되면 우주선에 작용하는 행성의 중력은 점점 약해지게 된다. 또한 이때 우주선은 원래의 속도에 행성의 중력을 통해 얻은 속도가 더해져 행성의 중력권을 벗어나 더 빠른 속도로 여행할 수 있게 된다. 그러나 만약 이때 우주선이 행성에 너무 접근하게 되면 행성의 중력에 끌려 들어갈 충돌하게 된다. 이 때문에 ‘플라이바이 방식’은 행성과의 거리와 행성의 궤도를 충분히 고려하여 정확하게 시행 되어야 한다.

미국의 우주 탐사선인 ‘파이오니아’나 ‘보이저’ 같은 우주선들이 목성을 탐사 하고 난 뒤 태양계 외곽으로 날아간 것은 지구에서 출발해 목성을 지나면서 목성의 중력을 이용해 가속 에너지를 얻어 비행 속도를 높일 수 있었기 때문이다.

컴퓨터가 발달하고, 천체의 궤도에 대한 정밀한 분석이 이루어지면서 과학자들은 각 천체의 중력관계를 이용하여 최소한의 에너지로 우주선을 멀리 보낼 수 있는 방법을 연구하였다. 그 결과를 모아 2002년 여름 ‘미국항공우주국(NASA)’은 우주선의 비행에 드는 연료를 크게 줄일 수 있는 우주고속도로가 존재하며, 앞으로 이 통로를 이용하여 우주여행을 하게 될 것이라는 발표를 하였다.

나사의 발표에 의하면 태양계 공간 속에는 중력들의 상호 관계에 의해 어느 천체의 힘도 느낄 수 없는 무중력 길이 존재하며 이 길들은 로프를 만드는 실처럼 서로 꼬여져서 여러 가지 가능성 있는 통로를 만들게 된다. 무중력 터널과도 같은 이 통로를 이용하게 되면 우주선들은 큰 힘을 들이지 않고도 먼 거리를 비행할 수 있게 된다. 이처럼 행성 사이의 여행에서 가장 에너지가 적게 드는 통로가 바로 ‘행성 간 슈퍼고속도로(Interplanetary Superhighway)’로 불리는 우주고속도로이다.

우주고속도로에는 땅의 고속도로 휴게소와 같은 우주 기지나 우주 휴게소를 만들 수도 있다. 어느 방향으로도 중력이 작용하지 않기 때문에 이곳에 만들어지는 우주 기지는 항상 그 위치를 지키며 우주선들의 보급 기지 역할을 할 수 있다. 먼 훗날 우주선은 이 기지에서 에너지를 보급 받아 더 먼 우주로의 여행을 시도할 수도 있을 것이다.

우주고속도로를 연구하는 과학자는 우주를 날아다니는 혜성이나 소행성들이 이 우주 고속도로를 이용하고 있다고 한다. 지난 1994년 목성과 충돌했던 ‘슈메이커-레비’ 혜성처럼 행성에 충돌하게 되는 천체들은 우주고속도로를 통해 이동하다 행성에 너무 근접하게 접근하여 우주고속도로에서 이탈한 것이라고 보면 된다. 즉, 우주 고속도로에서 벗어나 특정 천체에 가까이 가게 되면 그 천체의 중력으로 인해 가속도 대신 고속도로를 벗어나 그 천체로 들어가게 되는 것이다.

앞으로 기술이 지금 보다 더 발전해 뛰어난 성능의 우주선들이 개발되면 지금의 고속도로를 달리는 자동차들처럼 많은 우주선들이 우주고속도로를 누비며 태양계의 각 천체를 여행하게 될 것이다. (이태형-과학칼럼니스트)

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행성의 공전

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행성에 접근해서 우주선이 가속이 되겠지요?? 그 속력으로 행성주위를 돕니다. 그리고 나서 행성을 벗어날 때 물론 연료를 조금 씁니다. 하지만 사용한 연료에 비해서 굉장히 큰 추진력을 얻을 수 있고요 태양계의 행성들은 공전을 합니다. 따라서 우주선이 조금만 추진력을 내고 행성이 알아서 떨어져나가기 때문에 가능한 것이지요~

2015-05-11