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KISTI 과학향기 제1783호

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지구가 감옥이라고?

자막
우리는 지구에 갇힌 죄수들입니다.
우주는 우리가 절대 갈 수 없는 장소들을 보여주며 우리를 비웃죠.
하지만 우리 종족이 오래 살아남기를 바란다면
우리는 지구라는 감옥에서 탈출해야만 합니다.
하지만 애초에 대체 무엇이 우리를 이곳에 가두고 있는 걸까요?
알고 보니 우리는 우주에 45억년 된 빚을 지고 있었습니다.
에너지로 만들어진 감옥
우주의 모든 질량이 있는 물체는
다른 질량을 가진 물체를 끌어당깁니다.
우리는 이 현상을 '중력'이라 부릅니다.
큰 질량덩어리에 가까이 있을수록
더 강한 인력이 작용하고 더 빠르게 끌어 당겨지게 됩니다.
이 현상이 우리를 지구에 가둡니다.
우리는 이것을 중력감옥의 죄수가 되는 것이라고 상상할 수 있습니다.
또는 중력 우물이라 할 수도 있죠.
진짜 우물이 아니라
중력이 어떻게 작용하는지 이해하기 좋은 방법이죠.
중력 감옥에 갇혔다는 것은
중력에너지를 빚졌다는 것을 의미합니다.
하지만 어떻게 에너지를 빚질 수 있을까요?
왜냐하면 우리 우주에서 물체는 자신의 속도나 이동방향을 바꾸고 싶어하지 않기 때문입니다.
물체를 움직이게 하려면 에너지를 소모해야합니다.
수십억년 전에 태양 주위를 공전하던 수없이 많은 입자들이 중력으로 뭉쳐져 행성을 이루었습니다.
이 과정은 에너지를 소모하였고
우리가 속해있는 중력 우물을 만들어 냈습니다.
중력우물 깊숙한 곳에 있을수록
더 많은 에너지를 중력에 빚지게 됩니다.
만약 충분한 에너지를 얻을 방법을 찾지 못했다면
뭘 하던간에 감옥에서 나갈 수 없습니다.
왜냐하면 당신의 원자들은 이 장소에 있기위해 에너지를 사용한 우주먼지의 일부거든요.
그래요...
흠...
한번 다시 요약해봅시다.
우주의 물체들은 움직이는 것을 싫어합니다.
움직이게 하려면 에너지를 사용해야하죠.
중력은 물체들이 모여서 합쳐지도록 에너지를 사용했습니다.
이 과정에서 우리를 가두고 있는 중력감옥이 만들어졌습니다.
탈출하기 위해서는 에너지를 갚아야 하죠
그럼...
어떻게 해야할까요?
중력감옥 탈출하기
우주에 가기위해서는 에너지를 교환하는 복잡한 과정을 거쳐야합니다.
이를 위해 우리는 음성 위치에너지를 갚는 기계를 만들었습니다.
'로켓'이라는 더 지루한 이름으로도 알려져 있죠.
로켓은 인간이 알고있는 가장 강력한 화학 반응을 사용하여 작동합니다.
기본적으로 통제된 방식으로 연료를 폭발시키죠.
이는 화학에너지를 운동에너지로 전환시킵니다.
연소된 배기가스는 외부로 분출되고
로켓을 지구 밖으로 밀어내게 됩니다.
많은 에너지를 사용함으로써 중력에너지를 증가시킬 수 있습니다.
간단하게 말하면 중력에 빚진 에너지를 갚는 것이죠.
하지만 사실 이건 생각보다 어려운 일입니다.
궤도에 오르기위해서 연료를 연소시키면
열, 배기가스 그리고 공기저항에 의해 많은 에너지를 잃게 됩니다.
그렇기때문에 더 많은 에너지가 필요하죠.
그리고 엄청난 양의 위험한 폭발성 연료를 탑재부 근처에서 단순히 폭팔시킨다고 되는 것도 아니고요.
복잡한 통제된 연소장치가 필요합니다.
그런데 장치들은 로켓을 정말 무겁게 만들죠.
이는 질량을 더 가지게 된다는 것을 의미합니다.
질량이 큰 물체일수록 움직이는데 더 많은 에너지가 필요합니다.
따라서 로켓을 이륙시키기위해 더 많은 연료가 필요하게 되죠.
하지만 연료가 더 필요하면 그 연료를 실을 로켓도 필요해집니다.
하지만 이건 로켓을 더 무겁게 만들죠.
그럼 연료가 더 필요하고
그러면 새로운 연료를 실을 로켓이 더 필요하고
계속 반복되죠
이 미친짓 끝에
탑재부의 100배에 가까운 질량이 발사에 필요하게 됩니다.
유럽에서 개발중인 로켓인 아리안 6호를 예로들면
800톤의 무게를 가지게 되고
10톤을 정지궤도에 올리거나
20톤을 지구중궤도에 올릴 수 있어야합니다.
하지만 로켓은 참 많기도 한 추력을 만들어 낼 수 있어서
이륙하기 위한 한계중량이 존재합니다.
너무 무거워지면 이륙할 수 없죠.
그래서 그냥 크게만 만들 수가 없는 것입니다.
이건 로켓 방정식의 압박입니다.
그리고 이건 우주비행이 절대 쉬워지지 않을 것임을 의미하죠.
게다가 이게 끝이 아닙니다.
우주에 도착하는 것만으로는 충분하지 않죠.
여전히 우주 가장자리의 중력 감옥 안에 있고
다시 지구로 떨어지고 말 겁니다.
우주에 머무는 것은 도착하는 것보다 더 힘듭니다.
잠시동안 머물 수 있는 안정적인 상태에 도달하기 위해서는
로켓은 지구저궤도에 도착해야 합니다.
이를 위해서는 많은 운동에너지가 필요합니다.
한마디로 엄청나게 빨라야 한다는 것이죠.
100km정도의 고도에서는 초속 8km의 속도가 필요합니다.
시속 28000km죠.
90분만에 지구를 한바퀴 돌 수 있는 속도입니다.
여기서 우린 속임수를 쓸 수 있습니다.
똑바로 위로 올라가는 대신에
우리는 옆으로 갈 수 있죠.
지구는 구체입니다.
따라서 충분히 빠르게 옆으로 이동하면
지구로 계속 떨어지고 있음에도 땅은 항상 아래에 있게 되죠.
대기권의 영향이 충분히 적은 고도, 대략 100km정도면
궤도에 머무를 수 있게 됩니다.
이것이 ISS가 떠있는 원리입니다.
지구 주위에서 떨어지면서
충분한 속도를 유지하기 위해 가끔씩 에너지를 소모하죠.
만약 궤도를 일정 축척으로 보게되면
지구근궤도가 지구에 정말 가까이 있는 것으로 볼 수 있습니다.
예를 들어 다른 행성에 위성을 보내기 위해서는 또 다른 에너지 빚을 갚아야합니다
궤도에 안착하는 것은 현재 우주비행에서 가장 어려운 부분입니다.
예를 들어 만약 화성까지 로켓을 보내고자 한다면
절반의 에너지가 단지 궤도에 오르기 위해 필요합니다.
그리고 나머지 반은 화성까지의 5500만km를 가는데 쓰이죠.
그렇기때문에 로켓을 가능한 효율적으로 만들기 위해 하나의 거대한 로켓으로 만들지 않습니다.
대신에 다단로켓을 사용하죠.
빈연료탱크를 운반할 필요는 없기때문에 로켓은 사용한 단을 버립니다.
현대의 로켓들은 엔진과 연료를 탑재한 각각이 완전한 로켓인 단을 사용하여 상승하면서
부스터와 주요 단들을 버립니다.
그렇습니다.
이것이 우주에 가는 것이 힘든 이유입니다.
만약 이 모든 내용들이 너무 복잡하게 느껴졌다해도
걱정마세요
이건 말그대로 '로켓 과학'이니깐요!
기사
.
번역자: kurzgesagt
영상: kurzgesagt
출처: https://www.youtube.com/watch?v=RVMZxH1TIIQ
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