인공 중력을 만드는 3가지 방법

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영화에 등장하는 우주비행사(우주인)들은 지상에서처럼 걷고 동작하고 있다. 그러나 우주 공간으로 나간 우주인들은 상하좌우의 공간 감각이 없이 둥둥 떠 있게 된다. 지상의 인간이 공간을 바르게 파악하면서 바른 자세로 동작할 수 있는 것은 중력이라는 우주의 기본 힘이 몸을 지구 중심으로 끌어당기고 있기 때문이다.

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인간이 달이나 화성에 가면, 그곳은 중력이 약한 곳이기 때문에 마치 깊은 물속을 걷는 것과 비슷한 상태가 된다. 중력이 약한 곳에서는 점프도 높이 할 수 있고, 붕붕 뜨는 기분이 들며, 힘들지 않게 멀리 걸을 수도 있고, 지상에서보다 훨씬 무거운 짐을 운반할 수도 있으므로, 인간이 살기에 오히려 유리할 것 같은 생각이 든다.

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그러나 중력이 약한 곳에 가면 인체에는 위험한 현상들이 나타난다. 우선, 자기 몸의 혈액과 체액들이 머리(위)로 다량 몰려들게 되어 얼굴이 둥그렇게 부어오르고, 압력 때문에 귀가 잘 들리지 않게 된다. 만일 그곳이 무중력 상태인 공간이라면 인체에 더욱 심각한 현상들이 나타나게 된다. 특히 화성으로 우주여행을 하려면 거의 대부분의 긴 시간을 무중력 상태에서 지내야 한다. 그러므로 무중력의 위험을 피하려면 인공적으로 ‘중력이 있는 환경’(인공 중력)을 만들어야 한다.

 

 

 

화성을 선회하는 가상의 화성선이다. 회전하는 둥그런 우주선은 인공 중력을 생성하여 내부의 우주비행사들이 지구에서처럼 편안하게 지내도록 한다.

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1. 전자기력을 이용한 인공 중력 :

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쇠막대 주변에 전선을 감고 전류를 흘려주면 쇠막대가 전자석으로 변한다. 이런 원리를 이용하여, 우주선의 바닥이 자석이 되도록 하는 것이다. 자석 바닥 우주선에서 쇠로 만든 군화 같은 신을 신고 생활하면, 인공 중력과 다소 비슷한 상황이 된다. 그러나 이런 전자기 중력은 바닥을 걸을 때는 도움이 되지만, 체액은 여전히 머리로 몰려들고, 음식이 들어간 위는 매우 거북해할 것이다.

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2. 인체에 심는 작은 중성자별 :

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중성자별은 지극히 작은 양이라도 엄청난 질량(중력)을 가진 천체이다. 블랙홀도 그렇다. 이론적인 구상이지만, 인공적으로 만든 중성자별 한 스푼만 몸속 어느 부위에 심어두면, 몸 전체가 인공 중력을 갖게 된다는 생각이다. 작은 중성자별은 우주선 전체가 인공 중력을 갖도록 할 수 있을 것이다. 그러나 이런 생각은 미래의 기술적인 일이다.

 

3. 회전하는 우주선 ‘오닐 실린더’ :

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어린이 놀이터에서 회전 그네를 타보면, 몸이 그네 바깥쪽으로 끌려가는 듯한 인공 중력을 경험하게 된다. 차가 빠른 속도로 회전할 때 몸이 차 벽으로 떠밀리는 것도 마찬가지이다. 이것은 관성(慣性 inertia)이라 불리는 자연현상 때문에 나타나는 인공 중력이다. 회전 그네를 타면, 줄에 연결된 인체는 원운동을 하게 되지만, 관성에 의해 몸은 직선운동을 하려고 한다. 이때 ‘회전하는 원의 중심에서 멀어지려고 하는 힘’을 원심력(遠心力 centrifugal force)이라 한다.

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원심력이 나타나도록 하는 것은 관성이다. 인공 중력은 바로 이 원심력을 이용하여 생성시킬 수 있다. 회전 속도를 적절히 조정하면 인공 중력과 같은 효과를 가져오므로 혈액이 머리로 몰린다거나 뼈와 근육이 약해지는 것을 방지하며, 지상에서 걷고 동작하는 것과 같은 환경을 만들 수 있다.

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인공중력 속에 사는 거대한 우주도시 구상

미국의 물리학자 오닐(Gerard O’Neil 1927-1992)은 1976년에 쓴 책 <The High Frontier:Human Colonies in Space>에서 직경 8km, 길이 32km의 거대한 원통형 우주도시를 구상했다. 100만 명이 살도록 설계한 그의 우주도시는 전체가 일정한 속도로 회전하여 지상에서와 같은 인공 중력을 갖도록 했다.

 

 

 

오닐이 구상한 우주의 원통 도시(O’Neil cylinder)를 그림으로 나타내고 있다. 오닐의 우주도시는 거대한 원통 도시 2개가 하나로 연결된 모습이었다. 두 원통형 도시는 서로 반대 방향으로 회전한다. 둘 다 같은 방향으로 회전하면 우주선의 위치가 회전 방향으로 이동하게 되지만, 서로 반대 방향으로 돌면 우주 공간에서 자세가 안정된다.

 

 

 

거대한 우주도시는 24시간 주기로 회전하고, 둥근 벽은 전체가 지구와 동일한 중력(원심력)을 갖는다. 숲과 호수와 농장과 창밖으로 하늘이 보인다.

 

 

 

오닐의 우주도시에서는 12시간은 햇빛이 드는 낮이고, 12시간은 밤이다. 내부에서는 안개가 발생하기도 하고, 비까지 내리도록 구상했다.

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NASA가 구상하는 달나라 기지에도 오닐의 구상이 계획되고 있다. 달 기지 건축물에 연결된 긴 원통은 1시간에 28회전을 하여 인공 중력을 만들도록 한다. 인공 중력이 작용하면 지상에서와 비슷한 환경에서 농작물을 재배할 수 있게 된다.

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100만 명의 사람이 살도록 구상한 오닐의 실린더는 너무 거대하여 현실적이지 않다. 지금의 국제우주정거장에서 장기간 활동하는 우주비행사들은 인공 중력 없이 지내고 있다. 국제우주정거장에 ‘소형 오닐의 실린더’를 만드는 연구도 하고 있다. 그러나 미니 실린더는 빠른 속도로 회전하게 될 것이므로, 그 내부에서 인체가 적응하도록 하는 것이 문제가 된다.

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빠르게 회전하는 실린더 속에서는 코리올리 현상이 나타난다. 코리올리 효과는 인간의 정밀한 동작에 영향을 주게 된다. 그래서 과학자들은 회전하는 원통 속에서 적응하는 훈련도 실험하고 있다.

 

 

 

 

 

회전하는 실린더 내에서는 ‘코리올리 효과’(Coriolis effect)라는 현상이 나타난다. 위 영상에서는, 시계 반대 방향으로 회전하는 원통의 중심에서 검은 공이 중력 방향으로 수직으로 떨어진다. 이때 붉은 점의 관측자는 정지해 있어도 오른쪽으로 이동하게 된다. 이런 현상을 외부에서 본다면, 낙하하는 검은 공은 원심력과 코리올리 효과에 의해 아래 그림처럼 왼쪽으로 휘어 떨어진다.

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작은 우주선 속에 인공 중력이 생기도록 하는 연구는 쉬운 일이 아니다. 그렇다고 오닐의 구상처럼 초거대 우주도시를 건설하는 것도 현실적이지 않다. 그러나 과학자들은 1g(지구는 1g, 화성은 0.39g)의 지구 중력이 실현되는 소규모 우주선이나 우주정거장을 계속 연구해갈 것이다. - YS

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