다른 행성에서 사는 법: 천왕성

가장 이상한 파란색의 행성은 옆으로 누워 쉬고 있음.

천왕성계에서 우리의 집을 찾을 수 있을까?

 

설명

천왕성은 네 번째로 큰 행성이고, 얼음형 거대 행성 중에서는 가장 큼. 태양에서부터 거리 18.3AU~20.1AU 사이의 거리를 공전해서 목성까지 보다 네 배나 멀고 해왕성보다 가까움.

 

가장 특이한 점은 대기 중의 메테인으로 인한 파란 대기와 자전축이 97.7도 기울어져 있다는 것임. 또한, 무게는 지구보다 14.5배 무겁지만, 표면 중력이 0.88g로 모든 가스 행성들 중에서 가장 낮음.

 

천왕성은 목성이나 토성보다 훨씬 덜 알려져있음. 말할 수 있는 것은 메테인과 암모니아, 물 얼음과 수소, 메테인, 헬륨 대기로 구성되어 있다는  것뿐임. 천왕성의 지름은 50700km임.

고체 핵과 수천 킬로미터 두께의 얼음으로 둘러싸여있는 곳에서는 초이온성 얼음이나 액체 다이아몬드같은 이상한 물질이 존재할 수도 있음.

 

그렇다면 어떻게 얼음 행성에서 살 수 있을까?

 

천왕성의 내부 온도와 압력은 사람이 살 수 없는 환경임.

기술이 더 많이 발전하지 않는다면, 이런 조건에서 살아남기 위해서 거주 범위를 행성의 대기로 제한하는 수밖에 없음. 태양계의 모든 행성 중에서 가장 작고 차가운 공간이지만, 행성의 '표면'에서 가까움.

 

여기서 말하는 표면이란 대기의 기압이 1 bar(대충 1기압)가 되는 고도이고, 이곳의 온도는 76K임.

대기의 아래 부분은 320K, 200 bar 정도의 조건이고, 메테인이나 황화수소, 물 같은 휘발성 물질들이 응축되어 있음.

위로 올라가면, 온도와 압력이 내려감. 대기의 조건은 고도에 따라 달라짐. 대기의 구성 성분은 고도에 따라 달라짐.

 

'표면'에서 27km 아래 지점은 2 기압이고, 200K 이하의 메테인 구름을 볼 수 있음.

전반적으로 다른 가스 행성들보다 많은 헬륨이 존재함(부피로 보면 15%이고 목성이 10%, 토성이 3.25% 임) 그리고 중수소 대 수소 비도 0.000055로 목성의 0.000026과 토성의 0.000017보다 높음. 메테인의 비율도 2.3% 임. 올라갈수록 헬륨과 수소 외의 다른 기체의 비율이 줄어듬.

 

태양계에서 온도가 가장 낮은 곳은 천왕성의 대기에 존재함. 50K로 측정되고, 왜 행성 핵의 열이 다른 가스 행성들처럼  대기를 가열하지 않는지는 알려지지 않았음.

 

하지만 차가움이 역동적이지 않음을 의미하는 것은 아님.

천왕성의 바람은 적도에서 100m/s에 달하고, 가장 강한 곳인 극지의 중간 정도 부분에서는 240m/s임. 이 속도는 행성의 자전 속도(적도에서 2590m/s)와 상대적인 수치임. 경도와 위도에 따른 정확한 바람의 구배는 탐사한 적이 없어서 모름.

천왕성은 고리도 가지고 있음. 먼지와 얼음이 행성 중심으로부터 38000~98000km에서 고리를 이루고 있음. 다른 고리를 갖고 있는 행성들과 비교하면, 먼지는 적지만 20cm에서 20m 크기의 얼음은 더 많음.

 

고리와 함께 27개의 달이 있음.

 

그중 13개는 불규칙적인 고리 내부의 달이고, 중력이 너무 작아서 구 모양이 아니며 지각과 핵이 분리되어 있지 않음. 가장 안쪽의 달은 Cordelia이고, 40km의 크기이며 49800km 위에서 공전함. 가장 큰 달은 Puck이고, 크기는 193km이고 무게는 2900조 톤임. 확인된 것은 아니지만, 대부분이 물과 얼음으로 구성된 혜성과 비슷할 것이라고 추정함.

다섯 개의 구형 달이 고리 밖에서 돌고 있음. 미란다, 아리엘, 엄브리엘, 티타니아, 오베론이라고 셰익스피어의 소설에 나오는 등장인물의 이름을 따라 붙여진 이 달들은 지름이 471km에서 1576km 정도임.

이 위성들은 큰 고체 코어와 두꺼운 얼음으로 덮여 있음.  표면에는 거대한 협곡과 크레바스, 절벽과 급경사면 등이 있을 것임. 조석 고정되어 있기 때문에 항상 천왕성을 바라볼 것임. 그리고 각 지역은 42년의 밤과 42년의 낮을 가질 것임. 얼음으로 된 표면은 탄화수소 등에 의해 어두운 색을 띨 것임.

최외곽의 달은 몇 킬로미터 크기로 이심률이 낮은 거꾸로 된 타원 궤도를 돌 것임(Magaret만 똑바로 돔). 많은 수가 포획된 소행성일 것이라고 함(특히 Syncorax). 다른 달들과 마찬가지로 저밀도의 얼음과 먼지로 이루어져 있을 것임.

 

대부분은 이 거대한 얼음 행성의 이상한 자기장 위에 있을 것임. 자기장은 지구보다 25% 정도로 약함. 그리고 자기력선은 행성의 중심을 지나지도 않음.

매 천왕성 일(17시간)마다 자기장은 태양풍과 연결되고 양성자 흐름이 대기를 때릴 것임. 이것이 최근에 천왕성에서 생긴 오로라의 원인일 수도 있음.

천왕성의 자기장 변화 과정

방사능은 토성과 비슷함. 지구보다 안전할 것이고, 목정 주변에 있는 것보다는 훨씬 안전함.

 

거주 가능성

천왕성에서 사는 것은 꽤 어려운 일임.

 

중력은 지구와 다르지 않지만, 차가운 대기는 목성이나 토성보다 뜨거운 수소가 더 부양하기 좋은 환경을 만들어줌. 1세제곱미터의 순수한 수소가 570K로 가열되면(주변 대기 밀도는 0.42kg/m^3), 0.38kg를 들 수 있음. 비행하는 것은 지구의 9000m 상공에서 비행하는 것과 비슷할 것이므로, 지구처럼 비행기가 날아다닐 수 있음.

 

낮은 온도 때문에 단열재가 필요할 것이고, 열 손실은 지구보다 세 배나 높을 것임.

 

바람은 강력하지만, 목성처럼 강한 태풍이 분다는 증거는 없음. 그래서 비행하거나 떠다니는 거주 시설도 있을 수 있음. 몇몇 출처에서는 천왕성의 대기가 기능이 없다고 하기도 함.(원문 출처가 삭제돼서 다른 출처로 대체함)

 

더 큰 문제는 자원과 에너지 그리고 생존 가능성임.

 

천왕성은 자원이 부족함. 수소, 헬륨, 메테인은 풍부하지만, 이들로 할 수 있는 건 제한이 있고, 물을 얻기 위해서는 매우 깊은 지점까지 들어가야 해서 비효율적임. 금속과 광물 같은 원자재들이 거주지를 짓기 위해 필요한데, 대부분 사용할 수 없음.

그림 출처 : https://www.cloudynights.com/topic/532900-uranus-view-of-the-sun/

더 나쁜 점은 천왕성은 에너지가 부족하다는 것임. 태양빛은 제곱미터 당 3.7W 밖에 안됨(지구가 1KW가 넘어서 367배). 지구 정도의 거리에서 쓸만한 태양을 이용한 장치들은 20AU 거리의 천왕성에서는 쓸모가 없음. 무게 당 출력이 RTG랑 비교해야 될 수준임.

 

토성에서 할 수 있는 것처럼 바람을 에너지원으로 사용할 수도 있음. 그러나 아직 인류는 천왕성의 바람과 계절에 대한 정보를 갖고 있지 않음. 만약 경도와 위도에 따른 바람 속도 차가 크지 않다면, 발전용 풍차나 연은 크기가 매우 커야 하고, 떠다닐 수 없을지도 모름.

 

핵 에너지는 환경에 영향을 받지 않는 신뢰할 만한 수단이지만, 원자로의 연료를 공급받는 데 문제가 있을 수 있음. 천왕성과 그 주변의 위성에는 무거운 원소들이 채굴한 만큼 얕은 깊이에 있지 않음. 핵연료는 모두 내행성에서 가져와야 함.

핵융합 에너지는 그런 단점이 없음. 중수소는 가장 흔한 핵융합 연료이고, 바다나 얼음 천체에서 직접 뽑아낼 수 있음.

중수소-중수소 핵융합을 하기 어렵다면, 삼중수소는 리튬과 중성자원으로 만들 수 있음. 연료를 직접 만드는 게 거대 가스 행성에서 헬륨-3을 수년에 걸쳐 가져오는 것보다 경제적임.

 

헬륨-3은 깨끗한 핵융합 방식이고, 추진장치나 이동이 잦은 곳에 사용하기에 적절함. D-He3 원자로는 더 적은 중성자 반사재/흡수재를 써도 안전함. 그러나 헬륨-3은 삼중수소가 베타 붕괴되는 과정에서만 생성됨. 삼중수소의 반감기는 12년 정도이므로 리튬을 쓰면 헬륨-3을 대량 생산할 수 있음.

 

하지만 천왕성은 헬륨-3을 추출하기에 아주 좋은 장소임. 천왕성은 목성이나 토성보다 진입하는 데 더 적은 dV가 필요하고 해왕성과 더 가까움.

 

그러나, 헬륨 3을 채굴하기 위해 천왕성으로 가는 건 바닐라를 갖기 위해 멕시코에서 수입해 오는 것과 비슷한 논리임.

요즘엔 공장에서 바닐린을 인공적으로 만들 수 있음. 고향 행성에서 만들 수 있는 원료를 대신해서 먼 곳에서 수입해 오는 것은 그렇게 끌리는 얘기는 아님. 6000톤의 중수소로 전 지구에 1년 동안 전력을 공급할 수 있고 헬륨 3으로 핵융합 발전을 한다면 1700톤 정도밖에 안 되기 때문에 시장이 만들어질 수 없음.

 

그럼 천왕성 식민지는 지속 가능성에 의문을 만들 수밖에 없음. 왜 굳이 천왕성이어야 함? 천왕성은 밝혀진 게 적은 행성이고, 특이해서 탐험할 게 많지만, 과학적 발견만으로는 식민지를 유지하지 못함.

 

식민지를 개척할 때 경제적인 부분을 어느 정도 신경 쓸 수밖에 없음. 그렇다면 천왕성은 아무 장점이 없고, 흥미를 가질 사람도 없음. 그저 건조하고 빈 어두운 사막일 뿐임.

 

천왕성의 특이한 점들은 엄청난 압력과 온도에 저항할 수 있는 기술이 없다면 충분히 이용할 수 없음.

 

그러나 행성 밖으로 가면 또 다름. 천왕성 저궤도는 꽤 흥미로운 곳임.

 

천왕성 중심에서 26000km(대기 상층부 기준 450km) 저궤도를 도는 우주 거주 시설은 궤도 속도가 14.9km/s임. 현재 사용할 수 있는 기술로 대기 중의 기체를 수집할 수 있다는 것을 의미함.

지구 저궤도 가스 수집 글에서 설명했듯이, 수집기로 수집된 기체들은 궤도 속력/배기 속력의 비율로 배출되어야 함. 만약 배기 속력이 궤도 속력보다 느리다면, 흡입하는 것보다 더 많은 기체를 배출하여야 함. 같다면, 흡입하는 모든 기체를 배출하여야 함. 따라서 배기 속력은 높을수록 기체를 더 적게 배출해도 되므로 실용적인 수준에서 가장 높은 배기 속력을 낼 수 있어야 함.

 

만약 수집한 기체의 50%를 저장해야 한다면, 배기 속력을 2배로 늘려야 함.

 

목성에서는 궤도 속도가 140km/s까지 올라가고, 토성에서는 50km/s까지 되므로, 천왕성의 30km/s는 합리적임.

 

위의 모든 배기 속력은 미래의 핵융합 엔진으로는 모두 달성 가능한 수준임. 하지만, 140km/s일 때보다 30km/s일 때 에너지를 4.67배 더 적게 소모함. 이것은 만약 같은 양의 연료를 갖고 있다면, 4.67배 더 많은 기체를 절약할 수 있다는 뜻임. 만약 대기 수집기의 연료가 내행성계에서 비싼 값을 주고 사 와야 하는 우라늄이라면 이는 아주 중요한 문제임.

 

이렇게 수집한 천왕성의 대기는 어떻게 쓰일까?

대부분 수소이므로 액체로 응축해서 천왕성으로 오는 우주선에 연료를 재보급하거나 천왕성 내부에서 왔다 갔다 하는 연료 보급소에 연료를 재보급해줄 수도 있음. 나중에 보겠지만 천왕성계 사이에서 이동하는 것은 매우 중요한 일임.

 

천왕성의 달들

다른 거대한 기체 행성과는 다르게 천왕성의 달은 조금 실망스러움.

천왕성 고리 안과 밖의 작은달들은 낮은 밀도의 얼음과 먼지로 되어 있다고 추측됨. 얼음과 암모니아, 이산화탄소는 외행성계에서 나름 흔한 물질임. 따라서 천왕성의 작은달들을 채굴하는 것은 그다지 경제적이지 않음.

 

커다란 달들은 단단한 금속 코어로 되어 있어서 쓸만한 금속과 광물들을 얻을 수 있음. 그러나, 이 자원들은 얼음 및 수백 km에 묻혀 있음.

 

이 달들은 토성의 달들처럼 커다란 바다가 없고, 목성의 달들처럼 에너지가 넘치지도 않음.

 

그러나 흥미로운 위성은 있는데, 미란다임.

미란다는 지름 480km 정도의 작은 달임. 위성은 밀도가 1200kg/m^3으로 작고 대부분이 얼음으로 추정됨. 표면 중력은 0.079m/s^2이고, 지구보다 124배 작음.

 

다른 달들과 다른 점은 중심의 암석으로 된 핵과 얼음으로 된 맨틀이 있다는 것임. 보이저 2호가 보내온 자료에 따르면, 과거에 여러 번의 충돌을 겪어서 핵을 구성하는 물질이 표면으로 튀어나왔고, 다시 얼음에 묻혔다고 함.

 

중심의 압력은 대략 20~25 MPa(200~250 bar , 1 bar~1 기압) 정도로 지구 기압의 200배에서 250배에 달함. 우리는 이미 이 정도 압력에서 움직일 수 있는 잠수함이 있고, 그 잠수함은 1000 기압의 마리아나 해구에서 잠수할 수 있음.

 

그러므로 달의 지표부터 반대편 지표면까지 뚫어서 묻혀 있는 암석을 찾을 수도 있음. 물론 더 간단하게 위성에서 중력을 측정해서 탐사할 수도 있음. 암석은 얼음보다 2~3배 더 무겁기 때문에 쉽게 구별됨.

 

얼음에 킬로미터 길이의 구멍을 내는 건 쉬운 일이 아님. 소행성의 암석을 채굴하는 것보다 매우 에너지가 많이 들고, 비용도 상당함.

아리엘은 천왕성의 두 번째로 작은 주요 위성임. 크기는 1156km이고 208km의 얼음 맨틀과 암석 핵으로 되어 있음. 밀도는 천왕성의 달 중 가장 큰 1562kg/m^3이고, 암석들과 금속이 많을 것으로 예상됨.

 

낮은 중력은 얼음과 암석의 경계면의 압력이 56 MPa 정도라는 것이고 핵 주변에 지하 바다가 있을 것으로 생각됨. 따사서 핵 주변에서 움직이고 채굴하는 것이 더 쉬워질 것으로 생각됨. 하지만 여전히 주변 소행성에서 채굴해 오는 것이 더 경제적일 것임.

 

달에서 주요 자원을 채굴하는 것과 소행성에서 가져오는 것에는 큰 차이가 있음. 소행성에서 채굴하는 것이 훨씬 싸다면 아무도 달에서 채굴하려 하지 않을 것임. 그렇다면 달에는 아무도 살지 않을 것임.

 

수십 년 후 미래의 화폐 가치는 알 수 없기 때문에, 자원릉 채굴하는 데 드는 에너지에서 단서를 찾을 수 있음.

 

소행성의 자원들은 쉽게 채집할 수 있음. 그러나 소행성의 자원은 다른 곳으로 옮겨져야 함. 소행성을 채굴할 때의 에너지를 고려할 땐 dV도 생각해 봐야 함.

천왕성 주변의 소행성 그룹 https://www.latimes.com/science/sciencenow/la-xpm-2013-aug-29-la-sci-sn-uranus-trojan-20130829-story.html

목성 주변의 트로이 소행성들처럼, 천왕성의 트로이 소행성이나 근접한 소행성들은 적은 에너지로도 도달할 수 있음. 이 소행성들은 대부분 휘발성 물질과 암모니아, 얼음으로 되어 있음. 몇몇 10199 Chariklo나 2011 QF99는 크기가 각각 223km, 60km에 달함.

목성 주변 궤도(5.2AU)에서 천왕성(19.2AU)까지 가는 데 소모되는 dV는 5km/s임. 처추력 엔진을 사용해서 천왕성의 SOI에서 커다란 달들 중 하나인 아리엘까지 나선 하강하는 데 5.5km/s가 소모됨. 결국 근처의 소행성에서 자원을 얻기 위해서는 55.1MJ/kg에서 15.1MJ/kg의 에너지가 필요함.

 

근처의 있는 위성의 구성도 소행성과 크게 다르지 않음. 얼음을 수집하는 데 쓸데없이 수 MJ/kg를 소모하는 것은 근처의 작은 위성에서 가져오는 것보다 매우 비효율적임.

 

다른 탄소, 규소화물, 금속들이 풍부한 "건조한" 소행성들은 대부분 화성과 목성 사이의 소행성대에 분포하고 있음.

그런 소행성들에서 천 왕성 같은 거대 얼음 행성까지 가는 데 드는 dV는 7.2~12.8km/s에 달함. 만약 천왕성 궤도 내부에서 저추력 엔진을 이용한 나선 하강 방식을 사용하면 최대 18.3km/s까지 올라감. 이는 80.6MJ/kg에서 167.4MJ/kg에 달함.

소행성 포획 미션

소행성에서 얻은 매 킬로그램의 물질은 그만큼의 에너지를 소모해야 이동할 수 있음. 만약 더 큰 수준의 이동을 해야 한다면 이 비용은 더욱 비싸짐. 물론 시간은 고려하지 않았음. 호만 전이 궤도에 따라 dV를 셈했고, 이 궤도는 목적지까지 가는 데 가장 적은 비용이 드는 궤도임. 만약 화성에서 천왕성까지 호만 전이 궤도를 사용한다면 16년이 걸릴 것임.

 

그렇다면 천왕성의 달을 채굴하는 것은 어떨까?

 

일일이 계산해 보는 방법은 달의 지표부터 내부까지 녹이는 데 드는 에너지를 구하는 것임. 이렇게 하면 지속적인 가열로 유지할 수 있는 물기둥이 생김. 이 과정은 남극에서도 이미 했었던 것임.

 

다른 말로, 당장의 큰 에너지 소모(물기둥을 만드는데 드는 비용)와 지속적인 에너지 비용(액체 상태를 유지하는 것)이 있다는 것임. 이 비용을 계산해 보자.

200m으로 확장될 수 있는 10m 넓이의 기둥을 판다고 가정해 보자. 커다란 기둥은 비싸지만, 수십 년 이상 지속될 거주지에는 더 좋을 수도 있음. 거대한 구멍의 다른 장점은 부피 대 면적 비가 작기 때문에 지속적인 열 공급량이 더 적어도 됨. 10m 지름은 보통 광산에서 갱도를 팔 때의 넓이임.

 

아리엘과 미란다의 표면 온도는 60K 정도임. 아리엘의 핵 주변에 물 또는 거의 물로 되어있는 층이 있다고 가정하면, 내부 온도는 270K 정도일 것임. 미란다는 열을 보존하기에 너무 작아서 내부 온도는 180K 정도일 것임.(위성에서 관측된 얼음 화산의 최저 온도는 이 자료에 따르면 176K임)

 

얼음의 비열은 2.2KJ/kg/K임. 따라서 아리엘에서 1kg의 얼음을 녹이는 데 240KJ가 필요하고, 미란다에서는 264KJ가 필요함. 333KJ/kg는 고체에서 액체로 상태 변화시키는 데 필요함. 여기에 약 10K의 값을 더 붙이면 42KJ/kg가 늘어남.

다 합치면 615KJ/kg(아리엘), 639KJ/kg(미란다)가 필요함.

 

얼음의 밀도는 910~940kg/m^3이므로 대략 930kg/m^3이라고 하겠음.

 

아리엘의 물기둥은 208km 정도로 깊어야 하고, 미란다에서는 추측하기 어려움. 미란다의 핵은 지표면과 가까이 있을 수 있기 때문임. 미란다의 협곡은 20km 깊이이고, 시작하기 좋은 장소임. 대략 2/3이 적절하다고 본다면, 160km임. 그렇다면 다음과 같은 결과를 얻음:

 

아리엘

10m 기둥

1.63*10^7m^3

1.52^10^10kg

9.3*10^15J

 

200m 기둥

6.54*10^9m^3

6.08*10^12kg

3.74*10^18J

 

미란다

10m 기둥

1.25*10^7m^3

1.17^10^10kg

97.46*10^15J

 

200m 기둥

5.03*10^9m^3

4.67*10^12kg

2.98*10^18J

 

지속적인 열 공급량을 보자.

 

물과 주변의 얼음 사이의 온도 차는 전도를 통해 손실됨. 단열재를 사용한다면 이 값을 많이 줄일 수 있음. 단열재는 기둥을 지지하는 구조물에 매달려 있을 수 있음.

10cm 두께의 미네랄 울은 암석 찌꺼기로 만들 수 있음. 지속적인 에너지 필요는 다음과 같음.

 

아리엘

47W/m^2

10m 기둥: 307.2MW

200m 기둥: 6143MW

 

미란다:

65W/m^2

10m 기둥: 326.7MW

200m 기둥: 6535MW

 

바닥에 채굴한 물질을 가져오는 데 필요한 에너지는 부력으로 쉽게 해결할 수 있음. 기체로 채워진 가방을  달아주기만 하면 됨.

하지만 이 에너지는 너무 큼. 소행성 채굴보다 경쟁력이 있을까?

 

천왕성의 달에 광산을 만드는 건 많은 에너지를 소모함. 그리고 광산을 유지하는 데도 엄청난 에너지가 필요함. 소행성 광산은 천왕성 개척자들에게는 아무것도 아닌 수준의 에너지를 사용하겠지만, 그걸 배송하는 데 훨씬 많은 에너지를 사용할 것이고, 배송에 많은 시간이 걸림.

하지만, 초기 에너지 만으로 모든 것을 판단해서는 안 됨. 미란다의 10m 기둥은 1GW의 원자로와 증기 드릴로 12주면 만들 수 있음. 200m 기둥은 118GW의 원자로가 있다면 1년이면 됨.

*한국에 있는 원자로의  일반적인 전기 출력은 1GW이지만 열출력은 대략 3GW임.

 

소행성에서 80MJ/kg를 들여서 원자재를 가져오는 것보다 위성의 핵을 채굴하는 게 손익분기점이 높다는 것을 계산해 보겠음. 이 수치는 핵에서 채굴돼서 위로 올라오는 양에 달려있음.

 

아리엘

10m 기둥

1년 손익분기점 : 237,348톤/년

5년 손익분기점 : 144,348톤/년

1년 손익분기점 : 132,723톤/년

 

200m 기둥

1년 손익분기점 : 49,171,570톤/년

5년 손익분기점 : 11,771,570톤/년

10년 손익분기점 : 7,096,570톤/년

 

미란다

10m 기둥

1년 손익분기점 : 222,160톤/년

5년 손익분기점 : 147,460톤/년

1년 손익분기점 : 138,122톤/년

 

200m 기둥

1년 손익분기점 : 39,826,097톤/년

5년 손익분기점 : 10,026,097톤/년

 

이 생산량은 비현실적인 수치가 아님. 10m 기둥의 채굴 구멍은 오늘날의 작은 광산 활동(400톤/일) 정도임. 거대 기둥은 소규모 국가의 광물 수요와 비슷함. 이 채굴된 암석들은 평범한 지각의 구성 요소가 아닌 칼슘이나 티타늄 같은 비싼 금속들이고, 일반적인 지구 지각의 구성 물질(7백만 톤의 암석 당 133톤의 갈륨, 19톤의 우라늄) 과는 전혀 다름. 이런 금속들의 수요가 많을수록 천왕성 채굴은 경쟁력이 있음.

 

소행성 채굴에서는 에너지가 적게 드는 축에 속하는 80MJ/kg와 단열재를 사용하는 10m 기둥을 비교했지만, 현실에서는 소행성 채굴의 에너지는 많게는 160MJ/kg까지 들 수 있음. 그리고 만약 단열재의 두께를 더 두껍게 한다면, 200m 지름의 미란다 광산은 1m의 단열재로 열 에너지 요구량을 6.5W/m^2까지 낮출 수 있고, 1년에 4백만 톤을 채굴하는 것만으로도 10년 안에 손익분기점을 넘길 수 있음.

 

이게 천왕성 정착자들에게 무슨 의미일까?

 

천왕성 식민지는 핵까지의 거리가 가까운 미란다나 아리엘에 있을 것임.

방사선으로부터 보호하기 위해 얼음 속 깊은 곳에 공간을 만들 것임. 뜨거운 물로 채굴하는 것이 효과적일 것임. 채굴하는 데 사용되는 에너지원은 핵반응로가 가장 좋을 것임.

 

이 식민지는 식민지가 건설될 때 행성 간 무역과 자원, 연료와 이주자들에 의존할 것임. 초기 몇 년은 수입 없이 많은 비용이 들 수도 있음. 목성, 토성과는 다르게 특이함이 없고, 과학적 발견의 기회도 적음.

 

첫 번째 장애물은 자체 지속 가능성임. 외부에서 오는 시간이 길고 거리가 멀기 때문에 외부와의 의존성을 줄이는 것은 필수적임. 사람들은 지구와 목성이 멀리 떨어져 있다고 생각하지만, 천왕성은 그것보다 네 배는 더 멈. 이 행성의 식민지를 도울 수 있는 곳은 토성에 있는 식민지임. 토성에서 오는 자원은 내행성계에서 오는 자원보다 훨씬 저렴함.

 

그러나 천왕성은 여전히 매우 멀기 때문에 자체적으로 자원을 조달할 수 있는 능력을 원할 것임.

 

자체 지속 가능성은 핵을 향해 구멍을 파고 적절한 에너지원을 찾아서 무역상의 이점을 발견하는 데 있음.

 

그렇다면, 천왕성에서 에너지를 어떻게 구해야 많은 이득을 볼 수 있을까? 에 대해 알아보겠음.

 

 

천왕성의 위성 간 운동 에너지 교환

천왕성은 작은달들이 매우 많고, 서로 다른 속도로 궤도를 돌고 있음. 이 달들은 정착자들에게 엄청난 양의 에너지를 제공할 수 있음.

운동 에너지 교환의 개념은 가속된 질량을 다른 궤도에서 붙잡는다는 것임. 위성 궤도의 운동량을 이용해서 투입한 것보다 더 많은 에너지를 얻을 수 있음. 자세한 설명은 다음 글을 참조하기 바람: Inter Orbital Kinetic Energy Exchanges

 

전력을 생산하기 위해서는 발사기가 수신 스테이션이 잡을 수 있게 질량을 발사하고, 원하는 위성의 궤도가 있는 정거장에서 이 질량을 잡으면 됨. 발사대는 원자로나 레이저 등으로 전력을 공급해 주면 됨.

 

가장 유망한 두 개의 거주지(아리엘, 미란다)를 목적지로 해서 호만 궤도로 발사한다고 가정해 보겠음.

 

첫 번째 표는 호만 궤도에서의 에너지 수입을 보여줌.

발사대가 달의 표면에 있다고 해 보자. 원자로로 구동되는 코일건이 달려 있고, 적절한 빠르기로 발사해서 유도 장치를 통해 수신기를 정확히 찾아감

 

천왕성 주변을 도는 궤도 속도는 발사대가 있는 위성의 공전 속도와 같음. 멀리 있는 위성은 가까이 있는 달보다 더 느리게 공전함.

 

수신기 또한 달의 표면에 있음. 수신기는 발사대와는 반대로 작동함. 자기장을 이용해서 발사체를 감속하고, 운동 에너지를 전기 에너지로 변환함.

 

수신기의 궤도 속도 또한 발사대처럼 위성의 궤도 속도와 일치함. 여기서 수신기의 위치는 아리엘이나 미란다임.

 

위의 표에서 Hohmann accelerator velocity는 호만 전이 궤도를 따라 이동하도록 하는 데 필요한 속도임.

 

수신기 속도(receiver velocity)는 발사체와 수신기가 만날 때의 상대속도임.

 

kg당 얻을 수 있는 에너지가 최종 결과임. 값이 음수이면, 발사하는 데 드는 에너지가 더 많다는 것임. 값이 양수이면 달의 운동량을 이용해서 더 많은 에너지를 전달했다는 것임.

 

발사대는 위성에 고정되어 있고, 작은달에서 중력은 작용하지 않는 것으로 계산했음. 그러나 큰 달에서는 질량이 중력의 영향을 받아 느려질 수 있음.

 

이 결과를 보면 오베론에서 발사한 발사체가 아리엘에 도달하면, 아리엘은 더 많은 에너지를 생산할 수 있다는 것을 알 수 있음. 하지만 미란다는 엄브리엘, 티타이아, 오베론에서 발사한 발사체로 에너지를 만들 수 있음. 현재 있는 위치에서 더 높은 궤도로 발사체를 쏘면  총발전량은 감소하지만, 안쪽으로 쏘면 에너지가 증가함(전체 계의 에너지는 보존되긴 하지만, 사용할 수 있는 에너지 측면에서만 보자)

 

두 번째 표는 달 주변의 궤도에 발사대가 있을 때 얻을 수 있는 에너지임.

이번에는 발사대와 수신기가 위성 주변을 돌고 있다고 가정해 보자. 커다란 달 주변에 발사기가 있는 경우 가속해야 하는 속력은 탈출 속력의 71% 임. 예를 들어 오베론은 탈출 속력이 717m/s이고 미란다로 호만 전이 궤도를 사용하면 1252m/s가 필요함. 총 1443m/s가 필요함.($\sqrt{1252^2 +717^2}$) 만약 발사기의 궤도 속력이 507m/s라면 935m/s만 있어도 됨.

 

수신기도 비슷함. 아리엘 저궤도의 물체는 388m/s로 이동하고 미란다 주변에 있으면 131m/s 이므로 수신할 때 속력에 포함할 수 있음.

 

kg당 얻을 수 있는 에너지는 더 재밌음. 전에 봤듯이, 최고의 발사대는 큰 위성일수록, 아리엘과 미란다에 가까울수록 좋음. 오베론이 가장 좋은 위치인데, 달들이 제대로 된 위치에 있을 필요가 있기 때문임. 발사대는 커다란 플라이휠이나 축전기가 발사대에 달려 있고, 원자로가 그 저장 장치들을 충정하는 형태일 것임. 충전된 모든 에너지는 최적의 호만 전이 궤도에 맞추어서 전달될 것이고, 1톤의 질량은 437MJ를 들여 가속해야 하지만, 미란다에 도착할 때는 2000MJ의 에너지로 변환될 수 있음.

 

단점은, 에너지를 수신하는 정거장이 다시 에너지를 지표면으로 송신해야 한다는 것임. 저궤도에서 지표면으로 전력을 전송하는 가장 좋은 방법은 마이크로파와 렉테나로 전자기파를 전력으로 바꾸는 것임.

 

세 번째는 좀 극단적인 예시임. 위성들 사이에서 레이저로 서로 전력을 주고받음.

높은 궤도의 달에서 일방적으로 에너지를 아리엘이나 미란다 같은 저궤도의 위성들에게 전달하는 대신 발사대는 발사체를 내부의 달로 보내고 에너지를 다시 높은 궤도의 달로 끌어옴.

 

이 방법으로 더 많은 궤도 에너지를 사용할 수 있음.

 

더 좋은 방법은 호만 궤도를 버리고 더 높은 에너지와 더 높은 보상의 직선 궤도를 이용하는 것임. 이 경우 상대 속도는 아래 궤도의 위성과 같아지고 발사체는 천왕성으로 수직 낙하할 것임. 상대 속도는 아래 궤도의 달의 속도와 천왕성으로 떨어지면서 얻는 속도의 합이 될 것임. 따라서 이 궤도에서는 KJ/kg 에 중력으로 얻을 수 있는 에너지가 추가될 것임.

 

내부의 작은 Mab나 Cordelia 같은 달들은 미란다에 있는 발사대를 사용해서 궤도 속도를 0으로 만들어서 떨어뜨리면 됨. 더 커다란 달의 경우 아리엘이나 미란다에 떨어뜨리면 됨.

 

예를 들어 아리엘 저궤도에서 천왕성으로 발사체를 수직 낙하시키려면 5505m/s 가 필요함.(저궤도에서는 5144m/s) 이게 Cordelia와 만나면 상대 속도는 10785m/s가 됨. 이때 드는 비용은 톤당 13GJ이지만, 99.1GJ를 얻을 수 있음.

 

이 방법은 발사대와 수신기가 더 높은 속도를 다룰 수 있도록 크기가 커져야 한다는 것이 단점임. 운동 에너지에서 전기 에너지 다시 레이저로 바꾸고 그걸 반복하는 데에는 일정항 에너지 손실과 많은 수의 기반 시설이 필요함. 수많은 반사경들이 달들 사이로 이동할 것임.

 

그러나, 극저온으로 냉각된 레이저는 효율적이고, 레이저 반사경은 이런 기반 시설에 비하면 아주 적은 투자임. 게다가, 수신기에서 식민지로 전송되는 에너지는 발사대를 재충전하는 데 사용할 수 있음. 그러면, 내부에 원자로를 별도로 탑재할 필요도 없음. 사실상의 무한동력인 것임.(다시 말하지만 행성의 궤도 속도가 줄어들기 때문에 전체 에너지는 보존됨)

 

그리고 이제 발사체는 몇 주에서 몇 달 정도인 호만 전이 궤도의 Launch window에 영향을 받지 않음. 에너지 수입이 최대가 되는 상황을 생각해 보자. 천왕성에서 1000만 km 떨어진 곳의 소행성은 760m/s만 있으면 천왕성으로 포획할 수 있고, 수신기는 저궤도에서 대기를 채굴하면서 15km/s의 궤도 속도로 돌고 있음. 그렇다면 이 상황에서는 1kg 당 334MJ를 얻을 수 있음. 위의 표에서 나온 것 중 가장 좋은 수치보다 세 배는 더 좋음.

 

여기에서 계산해 볼 수 있음.

 

궤도 간 운동 에너지 교환은 천왕성 주변의 거주를 가능하게 할 것임. 많은 노력, 시간, 비용이 투자된다면, 태양 전지판이나 풍력 발전기보다는 부족하지만, 경쟁력 있는 선택지가 될 수 있음.

 

천왕성 행성 간 궤도 에너지 교환

천왕성에서 발사대와 수신기들의 네트워크는 행성 간 공간에서도 사용할 수 있음. 이 방법으로 천왕성의 식민지는 외부로 에너지를 수출할 수 있음.

지구와 천왕성 간 운동 에너지 교환 예시

천왕성보다 태양에 가까운 행성들은 운동에너지 교환에서 이뤄지는 총에너지의 증가로 많은 에너지를 얻을 수 있지만, 그 행성들은 다른 발전 방법이 있을 것임. 외부 태양계의 거주지들은 그런 선택지가 없음. 태양 에너지는 약하고, 핵발전을 하려면 수입하는 데 너무 많은 비용이 듦. 이런 천체들은 본질적으로 에너지 잠재력이 없음. 레이저로 근처 천체에서 에너지를 보내는 것에는 많은 장애물(산란 등)이 있지만, 물리 발사체는 그런 게 없음.

 

다음 표는 천왕성 저궤도에서 호만 전이 궤도로 보낼 때 필요한 운동 에너지 교환에 대한 표임.

행성이나 달을 공전하지 않는 3, 10,20,30AU 거리의 가상의 수신기를 가정해 보자. 모두 투입한 에너지보다 많은 에너지를 가속하는 데 사용해야 하지만, 20, 30AU 떨어진 식민지에는 다른 대안 에너지가 없음.

 

행성을 공전하는 수신기 기지의 경우 그 행성의 저궤도를 돌면서 얻을 수 있는 속도 때문에 에너지 수신에 큰 도움이 됨. 천왕성에서 목성까지 호만 전이 궤도에 있는 발사체는 목성에 3320m/s로 도착함. 목성 저궤도의 수신기 기지는 42201m/s로 공전하고, 발사체를 45342m/s로 만나서 1kg 당 1GJ를 얻을 수 있음.

 

따라서 호만 전이 궤도를 사용하면 천왕성이 태양계 전체에 에너지를 수출할 수 있음.

 

바로 아래 표는 천왕성의 중력장 끝자락에서 발사했을 때를 가정한 표임.

이 발사체들은 천왕성의 중력을 이겨내고 행성 간 공간으로 나갈 필요가 없기 때문에  가속해야 하는 속도는 호만 전이 궤도에 진입하기 위한 에너지와 같음.

 

목성처럼 저궤도의 속도가 빠른 경우 차이는 작지만, 해왕성의 경우 차이가 매우 큼을 알 수 있음. 3, 10AU의 경우 에너지 수입은 증가하고, 20, 30AU의 경우에도 약간의 손실 정도만 있음.

 

마지막으로 극단적인 경우를 보자. 호만 전이 궤도가 아닌 이 궤도는 천왕성의 궤도 속도를 상쇄하고, 발사대는 천왕성 중력권 끝에 있음.

이 목록은 더 짧은데, 이렇게 발사된 발사체들은 태양을 향해 떨어질 수만 있으므로 더 높은 궤도에 도달할 수 없음. 전송 속도는 천왕성이 공전하는 속도와 동일함.

 

수신기에서 발사체를 받는 속도는 행성의 공전 속도와 수신기가 저궤도를 도는 속도를 합친 값임. 지구를 보면, 29779m/s의 궤도 속도, 7780m/s의 저궤도 속도를 더하면 총 37559m/s이고, 1.5GJ/kg를 얻을 수 있음.

 

내행성들과 목성에서의 효율은 매우 높고, 태양에서 3AU, 10AU 떨어진 지점에서의 이득은 저궤도 속도가 없는데도 불구하고 꽤 높음.

 

하지만 이 방법은 천왕성보다 먼 천체에 전송할 때는 손해를 볼 수밖에 없고, 천왕성과 가까운 천체는 수신기를 궤도에 유지하기 위해 추진체가 필요하다는 것임.(작용-반작용)

 

모든 계산은 이곳에서 찾을 수 있음.

 

천왕성 식민지의 생존 가능성은 태양계의 다른 지역으로 발사체를 쏴서 에너지를 전송하는 것에 있을 수도 있음. 큰 에너지를 다른 연료에 의존하지 않고 만들 수 있는 무한한 에너지가 될 것임.

 

만약 이렇게 되면 천왕성의 위성들이 이동할 수도 있지 않나?라고 할 수 있지만, 아리엘의 궤도 속도를 5m/s 낮추는 데에는 20TW의 문명을 30년간 유지할 수 있을 정도의 에너지가 필요함.

 

지금까지 설명한 궤도와 방법들은 단순하지만, 잠재력이 있음. 발사체가 스스로 태양풍이나 전기 추진을 이용해서 속도를 높일 수도 있고, 중력 도움을 이용해서 더 많은 운동량을 얻을 수도 있음.

 

발사체의 운동량도 사용할 수 있음. 송수신 장치가 있는 소행성은 반동을 소행성에 전달해서 소행성의 궤도 속도를 조절해서 소행성을 이동시킬 수도 있음.

 

발사체는 헬륨-3이나 백금 등을 전달하는 용기로 만들 수도 있음.

 

태양계의 깊은 곳에 있는 장점을 많이 찾아낼수록 천왕성 식민지의 가치는 증가함.

 

식민지

천왕성 주변의 식민지의 생김새에 대해 설명해 보겠음.

 

아리엘을 예시로 들어 보겠음.

 

아리엘의 얼음 속에는 물에 잠긴 터널들이 있을 것임. 가장 중요한 두 개의 구조물은 물기둥임. 이 물기둥들은 핵의 소금물 바다까지 연결됨.

 

왼쪽의 기둥은 인력과 장비를 핵까지 보내기 위한 기둥이고 오른쪽 기둥은 물질들을 지표면으로 회수하기 위한 기둥이고 훨씬 큼.

 

물로 채워진 터널이기 때문에 복잡한 도킹이나 수중-지상 간 이동 없이 부력을 이용한 장치만으로도 충분함.

생활공간은 물에 잠긴 터널과 연결된 얼음 속의 건조하고 절연된 공기 방울 안에 있을 것임. 이 공기로 된 방은 터널의 위쪽에 있고, 압력이 일정하게 유지돼서 물이 방 안으로 들어올 일이 없음. 습기를 방지하기 위해 문이 있긴 하지만, 공기 밀도나 압력 차이는 없음.

 

식민지는 필요에 따라 건조한 곳, 습한 곳, 침수된 곳으로 나눌 수 있음. 예를 들어 원자재를 내리는 작업은 운하의 갑문처럼 부분적으로 물이 찬 곳에서 이뤄지고, 운송 장비를 고치는 곳은 이동이 쉽도록 부분적으로 침수된 곳에서 이뤄질 것이고, 그다음에는 작업자가 작업하기 쉬운 건조한 곳에서 정비될 것임.

 

원자재를 수송하는 로봇은 느리게 움직임. 가이드라인을 따라 잠수하거나 상승함. 이동 중 고장 날 경우를 대비해서 다른 로봇과 충돌하지 않도록 제동 장치가 달릴 것임. 사람을 수송하는 장치들은 빠른 속도를 위해 프로펠러가 달릴 것이고, 고장날 경우를 대비해서 비상 생병 유지 장치가 달릴 것임. 208km을 시속 20km/h 정도로 이동하는 데에는 편도 10시간 이상이 걸릴 것임.

 

이동 시간이 길기 때문에 중간중간에 접근 가능한 거주지가 있을 것임. 이 거주지들은 다른 터널로 통하는 구멍이 될 수도 있음. 더 미래에는 이 터널들이 확장되어 거주지 역할을 해서 핵까지 통근하기 쉬운 환경을 제공할 수도 있음.

 

핵과 그 주변의 바다는 이 짓거리를 하는 가장 중요한 이유임.

 

이 바다는 암모니아와 에탄올로 이루어져 있을 것이라고 예측하고 있고, 따라서 탄화수소, 질소, 나트륨, 칼륨과 같은 자원을 얻을 수 있음.

핵의 최상층은 차가운 진흙으로 되어있을 확률이 높음. 금속과 같이 용해되지 않는 물질을 걸러내기 위해 이 진흙들은 씻겨져 나가거나 표면으로 전달돼서 처리될 수도 있음.

 

아직은 이 핵의 진흙이 어떤 물질로 이뤄져 있는지 모르지만, 방사능 붕괴로 가열되었고, 다른 암석형 행성들과 비슷하다고 추측해 볼 수 있음. 처음에는 동일한 물질로 형성되었지만, 금속의 핵이 훨씬 작았고, 구형이 아니라 중심 주변에 퇴적되어 분산되어 있을 수도 있음. 어떤 경우에도 식민지를 건설할 수 있고, 식빈지를 유지하기에 충분한 재료를 얻을 수 있음. 특정한 자원이 부족할 상황은 없을 것임.

핵으로 더 깊게 파고들면 중심에는 니켈, 철, 우라늄, 백금 같은 희귀한 원소가 풍부하게 있을 것임.

 

하지만 대부분은 가치가 없을 것임. 규소 같은 쓰레기들은 궤도 간 운동에너지 교환의 발사체의 질량 역할을 할 것임.

 

진화

이 식민지는 크게 시작할 것임.

 

목성과 토성이 식민화되고 활발한 행성 간 무역이 이뤄지는 태양계에서만이 천왕성 식민화의 가치가 드러날 것임. 그리고 지구를 벗어난 인류의 활동 범위를 고려하면, 행성 규모의 수요를 충족하기 위해서는 빠르게 성장해야 함.

 

수 킬로미터의 얼음을 파고 들어가서 위성의 핵을 관통하고 초속 수십km의 속도로 발사체를 쏠 수 있는 거대한 매스 드라이버와 수신기를 설치하고, 수천 km을 가로지르는 레이저 전력 전송 시설은 작은 벤처 기업이 하기에는 지나치게 큰 일임

 

미국을 예시로 들자면 서부 개척처럼 가족 단위로 움직이는 게 아니라 싼샤 댐 짓는 수준의 수십억 달러 규모의 기업 투자와 비슷할 것임.

 

천왕성 식민지는 잠재적인 고객들이 등장한 이후에나 개척될 것임. 토성 식민지나 외부 태양계의 우주 거주지 등이 개척에 나설 것임. 천왕성 개척은 인류가 토성에 진출하고, 소행성 채굴 사업이 성장해서 금속을 채굴하는 것 이상으로 혜성에서 휘발성 물질을 채굴할 정도의 수준이 돼야 활성화될 것임.

천왕성은 목성이나 토성보다 장점이 적음. 여기에 설명된 모든 것들은 다른 행성들이 더 잘할 수 있음. 토성 중력권 끄트머리에서 지구로 호만 전이 궤도가 아닌 궤도로 가면 1.45GJ/kg를 전달할 수 있고, 47MJ/kg가 필요함. 천왕성의 23MJ/kg -> 1.52GJ/kg 보다는 별로지만, 이 정도로도 충분함.

 

천왕성만의 장점이 위에 언급한 거대한 초기 투자 비용보다 더 가치 있게 될 때까지 기다려야 함. 수 세기 후의 미래가 될 수도 있음. 수 세기 후의 사건을 설명할 때, 예측할 수 없는 기술, 사회적 요구, 극적인 변화 등이 있을 수 있고, 현재의 예측을 무효화할 수도 있음.

예를 들어 화성의 테라포밍은 대량의 물과 다른 기체들이 필요함. 이것들은 태양에서 멀리 떨어진 혜성에서 구할 수 있고, 궤도를 쉽게 바꿔서 화성에 충돌시킬 수도 있음. 이런 환경에서 천왕성은 에너지, 광물, 금속을 화성에 전달하기에 이상적인 조건일 것임.

아니면 핵융합 추진 기술이 완성돼서 태양계 내부의 여행이 신속하고 저렴해지는 상황을 생각해 볼 수 있음. 이 경우에는 궤도 간 에너지 교환이나 자원을 얻기 위해 필요한 에너지를 비교할 필요가 없음.

 

일단 현재 해본 가정에 따르면 이런 발사체의 용도를 발견한다면, 이 발사체를 잘 활용한다면 식미지가 성장할 수도 있음. 이렇게 된다면, 천왕성의 인구가 증가해서 내수가 활성화될 수도 있음.

 

발사체를 이용해서 소행성을 이동시켜서 핵을 채굴하는 대신  소행성을 광물 자원으로 이용할 수도 있고, 이 방법은 궤도 에너지 교환 시스템이 완성된 후에나 가능할 것임. 그전에는 얼음으로 된 기둥과 방이 사용될 것임. 나중에 버려진 얼음 통로들은 과학 소설이나 게임에서 재미있는 주제가 될 수도 있음.

 

번역 출처: https://toughsf.blogspot.com/2019/08/how-to-live-on-other-planets-uranus.html