인류는 성간 비행을 할 수 있을까

《인터스텔라》를 세 번이나 반복해서 봤어요. 영화 전체의 이론은 상대성이론과 웜홀 이론에 기반을 두고 있는데, 흥미진진하긴 하지만 영화 속(그리고 현실 사회의) 과학기술 수준은 정말 형편없다고 느꼈어요. 만약 미래 인류가 토성 주변에 웜홀 하나를 놓아두지 않았다면, 지금의 기술 수준으로는 인류가 태양계를 벗어날 가능성이 거의 없어요.

보이저 1호는 아마 인류가 만든 가장 빠른 기계일 거예요(현재 제3우주속도인 16.7km/s보다 빠르다고 하는데, 정확한 속도는 알 수 없어요). 2013년 NASA가 1977년에 발사한 보이저 1호가 이제 태양 입자가 영향을 미치는 헬리오스피어를 벗어나 성간 공간으로 진입했다고 발표했죠. 그때 저는 태양계가 그렇게 큰 줄 알았어요, 35년이면 벗어날 수 있겠구나 하고요. 그런데 실제로 보이저 1호가 이 35년 동안 날아간 거리는 태양계 전체로 따지면 우리 마이크로미터 눈금의 최소 단위에 불과해요.

 태양계는 대체 얼마나 클까?

 태양계를 둘러싸고 도는 천체와 물질은 모두 태양계의 범위에 속해요. 우리가 잘 아는 8개 행성 외에도 적어도 5개의 왜소행성, 적어도 173개의 위성, 그리고 수억 개의 작은 천체들이 있죠. 해왕성보다 더 먼 곳에는 많은 미세 천체로 이루어진 원반 모양의 카이퍼 벨트가 있는데, 태양에서 약 50500 천문단위(1 천문단위는 지구와 태양 사이의 거리를 뜻해요) 떨어져 있어요. 카이퍼 벨트 바깥에는 태양계를 감싸는 구형 구름 덩어리가 있는데, 오르트 구름이라고 하죠. 태양에서 50,000100,000 천문단위 떨어져 있고, 최대 반지름은 거의 1광년에 달해요.

인류는 오르트 구름을 통과해야만 진정으로 태양계를 벗어났다고 할 수 있어요. 그런데 보이저 1호는 35년 동안 겨우 120여 천문단위를 비행했으니, 1년에 4 천문단위도 못 가는 셈이죠. 간단히 나눗셈 한 번 해보면, 보이저의 현재 속도로 비행하더라도 인류가 태양계를 벗어나려면 적어도 20,000년이 걸린다는 걸 알 수 있어요.

인류의 과학기술은 정말 형편없어요

인류가 나타난 지 십몇만 년 동안, 과학기술의 발전은 매번 인류의 이동 속도 향상을 의미했어요. 가장 최근의 가장 큰 향상은 이 200년 사이에 일어났죠. 안타깝게도, 작동유체 추진 속도는 이미 한계에 도달한 것 같아요. 지금의 로켓은 50년 전 로켓과 다를 게 없어요. 질량-에너지 등가원리 E=mc²로 계산해보면, 인류가 더 큰 속도를 내려면 더 큰 반작용 추력이 필요하고, 더 큰 에너지를 실어야 하고, 더 큰 분사 속도가 필요해요. 만약 태양계 안에서 단거리 고속 여행을 한다고 치면, 로켓에 필요한 연료와 엔진의 질량이 유인 비행체 자체보다 훨씬 클 거예요.

그래서 인류가 작동유체 추진으로 성간 여행을 실현하는 건 불가능해요. 우리에게는 몇만 년의 시간도, 소비할 거대한 에너지도 없으니까요.

만약 지금 우리가 가진 이 기술에만 의존한다면, 인류는 영원히 태양계 가장 안쪽에서 흙장난만 하고 있을 거예요.

우리의 목표는 별과 바다예요! 인류에게는 새로운 추진 방식이 필요해요. 바로 무작동유체 추진이죠.

현재 무작동유체 추진에는 십여 가지 방안이 있어요. 예를 들어 태양돛 추진, 전자기 추진, 핵융합 추진, 워프 엔진 같은 것들이요.

태양돛 추진은 우리가 아는 범선과 비슷해요. 우주에서 거대한 얇은 막을 펼치고, 그 막 뒤에 비행체를 매달면, 태양 광자가 이 막에 부딪혀 반작용 추력을 만들어요. 감속만 하지 않으면 이 비행체는 계속 가속해서 결국엔 상상을 초월하는 속도에 도달하게 되죠. 다만 태양돛의 가장 골치 아픈 점은 감속이에요. 한 항성에서 같은 에너지의 다른 항성으로 갈 때는 중간 지점에서 태양돛으로 감속할 수 있지만, 빛을 내지 않는 곳으로 간다면 작동유체로 감속하든가 중력으로 감속해야 하는데, 실제 운용에서는 꽤 번거롭죠.

전자기 추진은 전자기장으로 입자의 분사 방향을 제어해서 우주 비행체가 정해진 방향으로 비행하도록 하는 거예요. 에너지 소모가 적고 장비도 작다는 특징이 있어서, 현재 이미 일부 위성이 이 기술을 응용해 궤도를 안정적으로 유지하고 있어요.

핵융합 추진 기술도 무작동유체의 하나예요. 누군가 계산해봤는데, 11,000톤의 물질(소형 군함 한 척의 무게)을 광속의 절반까지 가속하려면 달 전체의 헬륨-3로 제어 핵융합을 해야 한다고 해요. 물론 그렇게 할 수는 없죠. 우리는 제어 핵융합 기술조차 아직 완전히 습득하지 못했으니까요. 그래도 제어 핵융합으로 광속의 1%에서 10% 정도의 단거리 여행을 한다면 비교적 수월하고 즐거울 거예요.

《삼체》나 《스타트렉》을 본 분이라면 분명 그 안의 워프 엔진에 흥미를 느꼈을 거예요. 워프 엔진은 단시간에 우주선을 광속 상태로 가속할 수 있고 상대 시간도 바꾸지 않는, 아주 진보된 추진 개념이에요. 하지만 개념은 그저 개념일 뿐, 지금까지 과학계에서 이 개념의 정확성을 증명한 연구는 단 하나도 없어요.

어렵지 않게 알 수 있듯이, 차세대 우주 비행체는 전자기나 핵융합 구동 기술을 채택할 가능성이 커요. 우리에게는 극복해야 할 어려운 점이 아주 많죠. 물리학 외에도 재료학, 생물학 등 여러 학문 분야에서 인류 전체가 함께 노력해야 해요.