다른 행성에서 사는 법: 토성

저 먼 곳에서 태양계 행성 중에서 가장 아름다운 천체가 있음. 태양은 창백한 별로 보이고 지구는 위치에 따라 보이지 않음.

토성에서 사람이 살 수 있을까?

 

설명

토성은 태양계에서 두 번째로 큰 행성임. 지구보다 아홉 배 이상 크고 무게는 100배 더 많이 나감. 선명한 고리와 커다란 위성으로 구별할 수 있음.

일반적인 거대 가스 행성처럼 대부분 수소와 헬륨으로 구성되어 있고, 중심부에는 엄청난 압력으로 인해 고체 상태로 존재함.

토성의 대기는 목성만큼 많은 것이 알려져 있지는 않음. 목성은 총 8번의 우주 탐사 계획이 있었지만, 지금까지 세 우주 탐사 계획만이 토성에 도달했기 때문에 많은 것이 알려져 있지는 않음. 그러나 카시니 탐사선에서 아직 많은 것을 배울 수 있음.

토성의 대기는 목성보다 훨씬 차가움. 거대 가스 행성 간의 질량 차이는 기체등이 얼마나 압축이 되지 않았는지로 구별할 수 있음. 지구의 대기압(1 atm)과 비슷한 고도를 찾으면 -173도의 차가운 안개 층이 나옴.

 

더 깊이 들어가면 세 가지 층이 나옴. 가장 가벼운 암모니아는 위에 뜨고, 그 아래에는 황화 암모늄 층이 몇백 km에 걸쳐 있음. 가장 아래층에는 10 atm 이상의 압력을 받는 얼음 층이 있음. 인간이 살 수 있는 온도의 대기는 1 기압 고도에서 300km 아래 지점에 있고, 이 지점에서 압력은 지구의 수백 배에 달함.

 

토성의 가장 특이한 점은 고리임. 고리는 99%가 얼음이고 두꼐는 1m에서 1km 사이로 다양함.

고리를 구성하는 입자들은 일반적으로 매우 작고 대부분 수 센치미터 크기임. 몇몇은 수 미터, 수 톤 정도임.

고리 사이에는 달들이 있음.

위성들 중 가장 유명한 것들은 타이탄, 이아페투스, 레아 디오네, 테티스 등이 있음. 대부분 지름이 1000km이 넘고 그중에서도 타이탄은 태양계에서 2번째로 큰 위성으로 지름이 5150km임.

 

토성에는 62개의 알려진 달이 있고, 그 중 16개는 지름이 18~500km 정도임. 토성의 더 작은달들은 더 큰 위성들을 지원하기 위한 식민지로서의 가치가 있음.

 

거주 가능성

만약 토성이란 행성 자체에 살기로 결정했다면, 목성보다는 쉽지만 상당히 어려운 일을 해야 할 것임.

지표면이 없으므로 식민화는 대기 중에서 이뤄져야 함. 저고도에서는 온도와 압력이 지나치게 높아지기 때문에 토성의 상층부만이 현실적으로 접근 가능할 것임.

 

-100km 고도와 -300km 고도 두 가지 선택지가 있음.

 

-100km에서는 대기압이 지구의 해수면과 같음. 그러나 온도는 134K로 차가움. -300km에서는 온도는 섭씨 20도 정도지만, 기압이 10 기압임. 바닷속 90m에서의 압력과 비슷함.

 

거주지의 보온과 가열에 투자하는 게 10 기압의 압력에 버티게 하는 것보다 더 가벼운 거주지를 만들 수 있을 것임. 따라서 식민화 시도는 높은 고도일수록 더 많을 것임.

 

가장 큰 문제는 공기 위에 떠 있는 것임.

 

만약 풍선에 주변보다 더 밀도가 적은 기체가 들어있다면 안과 밖의 밀도 차 때문에 풍선이 위로 올라가려는 힘을 만들 것임.

지구에서는 헬륨의 밀도가 0.178kg/m^3이고 공기의 밀도는 1.292kg/m^3으로 헬륨의 밀도가 매우 작기 때문에 헬륨 풍선이 효율적임. 둘의 차이 1.114kg/m^3은 1 세제곱미터의 헬륨이 1.114kg를 부양할 수 있다는 것임.

 

그러나 토성에서는 부력을 얻기 더 어려움. -100km에서 토성의 대기 밀도는 0.19kg/m^3 정도로 추정되고 헬륨 풍선은 자신을 겨우 부양할 수준일 것임.

 

더 나은 풍선은 더 낮음 밀도의 기체(수소)와 더 높은 내부 온도, 외부의 기압보다 낮은 풍선 내부 기압 등이 필요할 것임. 내부가 진공인 풍선의 밀도는 0kg/m^3이지만, 이마저도 세제곱미터 당 190g만 들 수 있을 것이고 그마저도 풍선 자체 질량을 고려해야 함. 따라서 토성에서 1톤의 질량을 들기 위해서는 지름 20m의 풍선이 필요할 것임.

 

요약하자면 토성의 대기에서 떠 있는 것은 가능하지만, 작은 질량을 부양하는 데도 엄청나게 큰 풍선이 필요함. 매우 발전된 물질만이 이런 요구를 만족시킬 수 있을 것임.

 

다른 방법은 날개를 다는 것임.

 

날개를 사용해서 토성 대기 상층부에서 고도를 유지하는 것임. 토성의 표면 중력은 1.065g으로 지구의 표면 중력과 비슷함. 1톤의 물체를 날리려면 날개에서 1톤의 양력을 발생시켜야 함.

 

그러나 토성은 대기의 밀도가 매우 낮기 때문에 어려움이 있음. 토성 대기에서 날개는 같은 면적일 때 지구에서의 양력의 14.7% 정도만 만들 수 있음. 이를 보완하려면 날개를 6.8배 더 크게 만들거나 2.6배 더 빠르게 날아야 함. 날개의 면적에 비례해서 날개의 질량이 커지므로 제트 여객기 속도로 비행하려면 에어버스 A340보다 솔라 임펄스 비행기와 더 비슷하게 생긴 비행기 = 길고 얇은 날개가 비행기 크기의 대부분을 차지하는 비행기가 필요함.

2.6배 더 빨리 난다는 것은 일반적으로 알고 있는 비행기가 이륙할 때 토성에서는 초음속이 필요하다는 것임.

 

다행히 양력과 항력은 연관되어 있기 때문에 양력을 발생하기 힘들다면 항력도 적음. 쓸만한 수준의 양력을 얻을 때 지구에서 얻는 항력과 비슷한 양의 항력을 얻을 것임. 따라서 토성에서 가장 효율적으로 나는 방법은 초음속으로 비행하는 것임.

이런 경우에는 효율성이 매우 중요할 것임. 가장 효율적인 엔진은 터보젯 엔진이지만, 엔진의 프로펠러들이 날개가 겪는 일을 비슷하게 겪을 것임. 같은 추력을 내는 데 일곱 배 더 빠르게 회전해야 할 것임. 하지만 재료의 한계와 난류 때문에 현실적이지 않고, 터보팬을 쓴다고 해도 비슷한 결과가 나올 것임.

가장 잘 작동하는 엔진은 램제트일 것임. 들어오는 수소나 터빈 없이 압축돼서 산소나 원자로에 의해 가열돼서 가속되는 구조임.

 

물론 떠 있는 것은 문제의 반쪽일 뿐임.

 

에너지나 물질 같은 자원이 날아다니는 식민지를 유지하기 위해 필요함.

 

필요한 모든 게 토성의 대기에서는 부족할 것임.

식민지에서 접근할 수 있는 자원의 99.5%는 수소와 헬륨임. 메테인과 암모니아가 나머지 0.5%를 차지함. 물과 산소는 백만분의 일 정도로 존재함. 사막의 가스 행성 버전이라 할 수 있겠음. 가스들이 저장되고 액화되고 분류된다면 3.2g의 메테인과 0.1g의 암모니아를 세제곱미터 당 얻을 수 있음.

그나마 다행인 점은 암모니아와 메테인에서 질소와 탄소를 얻을 수 있고, 이 둘과 수소를 잘 조합하면 아라미드 섬유를 얻을 수 있다는 것임. 아라미드 섬유는 높은 인장 강도를 갖고 있고 가볍기 때문에 거주지를 짓는 데 적합하고 풍선을 만들 수도 있음. 단단한 부분은 탄소 섬유를 대신 사용하면 됨.

 

그러나 식민지에 전력을 공급하는 것도 큰 장애물임. 토성에는 140W/m^2의 태양광이 닿는데, 100km 고도에서는 이 양이 절반이 되고 태양 전지로 얻을 수 있는 양은 이 절반 정도임. 1kW를 얻으려면 35m^2가 필요함. 작은 식민지 하나에 전력을 공급하려면 수백 제곱미터가 필요함. 항력, 질량, 구조 등을 고려할 때 실용적인 디자인은 아님.

화학, 대기 중 온도차, 풍력, 핵 발전 등이 다른 대안임.

 

수소에서 탈 만한 반응성이 좋은 물질은 매우 희귀하고 이미 안정된 분자로 존재하므로 화학 에너지는 에너지원으로서의 가치가 적음.

 

대기 중 온도차 방식은 서로 다른 고도의 온도차를 이용하는데 토성의 중심부는 12000K로 에너지를 복사한다고 알려져 있고, 대기 상층부의 온도는 80K 정도이기 때문에 많은 에너지를 추출할 수 있지만, 두 점 사이의 거리가 매우 멀고 압력 차이도 크기 때문에 어려움.

 

거대 가스 행성은 매우 크기 때문에 수백km 정도의 거리차가 있다 해도 온도 차이는 몇 켈빈 수준임. 대기 온도차 발전은 두 점 사이에서 냉각재가 흘러야 하기 때문에 매우 어려워지고, 발전 시설을 공중에 띄우는 건 더 어려움.

풍력 발전은 가장 좋은 선택임. 토성의 태풍은 적도에서 최대 풍속 400m/s 이상이고 지구에서보다 6배 더 빠름. 풍력 발전량은 풍속의 세제곱에 비례하므로 토성의 낮은 밀도의 대기일지라도 상대적으로 작은 발전기로도 메가와트 급의 전력을 공급할 수 있음. 물론 여러 가지 공학적 문제가 있겠지만, 아래에서 다루도록 하겠음.

가능한 모든 에너지원 중에서 핵 에너지가 가장 현실적인 선택임. 이는 강력하고 크기도 작고 오래 지속되며, 지구에서 미리 조립된 상태로 도착해 수십 년 동안 작동될 수 있음. 식민지 외부의 차가운 기체를 이용한다면, 원자로의 폐열 관리가 훨씬 쉬울 것임. 문제점은 토성, 그의 달들, 그리고 태양계의 천체 대부분이 핵연료를 충분히 갖지 못하고 있다는 것임.

토성은 거주하기에 적당한 환경을 가지고 있기는 함. 떠다니는 식민지는 우주선이 감마선과 기타 방사선에 대한 충분한 보호를 받을 수 있다는 것을 의미함. 1g의 중력과 해수면 압력은 거주 조건이 북극 연구소보다 열악하지는 않을 것이라는 걸 알 수 있음..

 

사실, 식민지는 극도의 바람에 계속 밀려날 것임. 창문 밖을 보면 끝없는, 격동하는 구름이 지평선에서 지평선까지 뻗어 있고 그 위를 조금의 빛만이 비추는 모습을 볼 수 있을 것임. 서식지가 구멍이 뚫리거나, 날개가 마모로 인해 고장 나는 위험이 항상 있으며 (비행하는 식민지는 수리를 위해 착륙할 수 없음), 그래서 어떻게 보면 많은 면에서 우주의 진공보다 더 나쁜 상황일 수도 있음. 바람과 온도는 날마다 정확히 예측할 수 없기 때문에 더 어려움.

이런 어려움에도 불구하고 영구적인 거주지가 설립된다면, 이 식민지는 아마도 다른 달들에 있는 기지에서 들어오는 공급품에 완전히 의존하게 될 것임. 그리고, 궤도 역학은 이 식민지의 접근성을 낮추는 데 또 다른 벽을 만듦: 토성 저궤도에 도달하려면 25km/s의 궤도 속도가 필요함. 토성은 적도에서 놀라운 9.87km/s의 속도로 회전함. 행성의 회전 방향으로 발사하면, 저궤도까지의 dV을 15km/s까지 줄일 수 있음.

 

토성의 달에서 토성의 적도로 공급품을 보내는 데 필요한 dV는, 에어로브레이킹을 최대한 활용할 경우, 미마스에서는 5.7km/s, 타이탄에서는 9.5km/s 정도임. 지구 표면에서 저궤도까지 보내는 데 필요한 dV와 비슷함.

반대로 토성의 상층 대기에서 달로 보내는 것은(과학자나 비행기에서 멀미가 나는 개척자들이나) 21km/s에서 25km/s까지 필요할 것임.

 

수소-산소 화학로켓이나 열핵로켓 같은 것을 사용한다면, 토성 저궤도는 편도로만 갈 수 있음. 저궤도에서 다시 위성들로 올라가기 위해서는 매우 높은 질량비(12~587)가 필요할 것임. 매우 높은 dV 때문에, 토성 저궤도의 정거장은 에어로브레이킹을 사용할 수 있는 대기 내의 날아다니는 정거장보다 연료를 공급하기가 더 어려움.

 

타이탄

가장 큰 달이자 가장 신기한 달 그리고 식민화하기 가장 좋은 위성임.

지구의 달보다 50% 더 크고 두 배 더 무겁고, 태양계에서 두 번째로 무거움. 표면 중력은 0.14g로 대부분이 질소로 이루어진 두꺼운 대기를 가짐.

 

표면에는 메테인, 에테인으로 된 액체 강과 호수가 있음. 타이탄은 지구가 받는 태양 에너지의 1% 정도만 받고, 두꺼운 구름 때문에 표면에서 받는 에너지는 0.1% 정도라서 온도는 94K로 매우 낮음.

표면은 두꺼운 얼음이고 위에 호수와 강이 있음. 두꺼운 석유 안개가 호수 위에서 떠다님. 호수 사이에는 협곡, 크레바스 등이 있음.

암모니아는 물보다 가볍기 때문에 (액체든 고체든) 타이탄의 지표 위층에 집중되어 있음. 암모니아는 다공성 얼음 내부로 침투해서 물 암모니아 메탄 화합물을 형성함.

더 깊이 들어가면 거대한 얼음 속 바다가 있음. 빙하 층의 두께는 200km 정도로 추정되고, 그 아래에 또 다른 300km 깊이의 바다가 있을 거라고 추정됨.

 

달이 형성되는 동안 상대적으로 따뜻한 기간을 겪어서, 거의 액체 상태의 지각을 30억 년 이상 가졌을 것임. 아래 사진에 보이는 것처럼, 외부 층은 암석, 금속, 미네랄과 같은 무거운 원소들이 바닷바닥으로 가라앉을 수 있게 했음. 지금처럼 대부분의 바다가 얼어붙은 후에는 표면에 있는 얼음보다 무거우거나 더 밀도가 높은 것들은 아래로 내려가 버렸음을 의미함.

남은 열은 얼음 화산을 통해 메탄과 같이 대기로 배출되어 태양에서 오는 자외선으로 광화학 반응이 일어남. 이 반응들의 결과로 톨린이라고 불리는 석유이자 유기물이 생성됨.

톨린은 수소, 탄소, 질소로 구성된 큰 분자임. 크고 느린 빗방울의 형태로 떨어져서 메테인 호수의 바닥에 진흙층으로 축적되는데, NASA는 이를 gunk라고 부름. 톨린은 타이탄의 대기를 붉게 만듦.

타이탄에서 살기는 어려울 것임.

 

표면의 극저온이 가장 큰 문제임. 열을 잃는 유일한 방법이 복사뿐인 우주와는 다르게, 타이탄의 두꺼운 대기는 전도와 대류 때문에 훨씬 빠르게 열을 빨아들임. 293K의 내부에서 94K의 외부로, 우주 등급의 1mm 두꺼운 알루미늄 벽은 40MW/m^2 이상의 열을 잃게 할 것임. 표면에 버려진 사람은 몇 초 만에 얼어붙을 것임.

 

이 문제를 해결하려면 에너지와 질량이 필요함. 전도를 늦추기 위해 두꺼운 단열재가 필요함. 폴리우레탄 폼 10cm는 열 손실을 4W/m^2 미만으로 줄일 수 있음. 평범한 사람의 체온은 잘 단열된 환경을 따뜻하게 하는 데 충분함. 위에서 설명한 두꺼운 폴리우레탄 단열재를 활용한 경우, 10m 길이, 5m 폭의 반원형 서식지는 314W의 난방이 지속적으로 필요하지만, 인간은 평균적으로 100W의 체열을 방출하므로 3명 정도만 있다면 충분함.

 

가장 완벽한 해결책은 표면 아래를 파고 들어가서 지하 공간을 거주지로 만드는 것임. 모든 노출된 표면을 두꺼운 단열재로 덮는 것은 초기 식민지에게는 상당한 부담임. 그러나 얼음은 자연적인 단열재임. 얼음으로 된 벽이 있는 거주지 안에서 사는 사람들은 얼음을 녹일 정도로 빠르게 식민지를 따뜻하게 할 수 있음.

 

그러나 타이탄의 표면 얼음은 건설에 적합하지 않음. 우리가 알고 있는 얼음은 표면의 메탄이 가득 찬 다공성 암모니아/물 얼음보다 무거우므로 가라앉을 것임. 표면 얼음은 다공성이고 메탄으로 가득 차 있기 때문에 건설 자재로 사용할 수 없음. 식민지의 열에 다공성 얼음을 노출하면 메탄이 기포를 내며 빠져나와 어떤 구조물이든 붕괴시킬 만큼 큰 통로와 빈 공간을 만들 것임.

메테인 비가 적게 내리는 극지나 호수 주변이 가장 좋은 장소임. 액체 메탄으로 거주지의 표면을 식혀서 얼음이 녹거나 기체로 변하는 걸 방지할 수 있음. 따라서 이 지역들에서는 땅을 굴착할 필요 없이 표면에 바로 거주지를 건설할 수 있음.

대부분의 식민지들이 필요로 하는 것들이 타이탄에는 다 있음. 수소와 산소를 생산하기 위한 많은 양의 물, 비료와 유기물 합성을 위한 암모니아, 플라스틱을 만들기 위한 메탄 등이 모두 타이탄에 있음. 식민지 건설 자재들은 보통 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리에틸렌등일 것임. 탄소보다 무거운 금속들이나 원소들은 사용할 수 없을 것임. 도한, 황, 칼슘, 인과 같은 필수적인 것들은 외부에서 수입해와야 함.

 

도 다른 문제는 에너지임.

 

식민지 난방에 대한 필요가 줄어들었음에도 불구하고 생명유지장치, 환기장치, 농장, 채굴 장비 등을 가동하려면 전력이 필요함. 식민지를 확장하거나 발전시키는 데에는 그에 비례하는 에너지가 필요함.

 

타이탄에서 에너지를 만드는 것은 꽤 어려움. 태양광은 너무 희미해서 표면에서 14W/m^2 정도밖에 안 되고 타이탄의 두거운 얼음 지각은 지열 에너지를 사용하지 못하게 함. 바람의 속도도 느려서 지구보다 1500배 더 적은 전력만을 생산할 수 있음.

 

낮은 중력과 평평한 지형 때문에 수력발전도 거의 불가능함. 그리고 무거운 원소들은 모두 가라앉아 버리기 때문에 핵분열성 물질을 찾기도 어려움.

 

그러면 타이탄에서는 어떻게 에너지를 생산할 수 있을까?

지구와는 다르게 타이탄에는 반응성 높은 화학물질이 없음. 질소는 아주 안정적이고, 메탄을 태우기 위한 공짜 산소는 없음. 물에서 산소를 뽑아내는 것은 산소를 메테인과 연소시킬 때 나오는 에너지보다 더 많은 에너지를 필요로 함. 공짜 수소는 대기 상층부에 있고, 질소와 반응하여 발열 반응하지만(다들 아는 하버-보슈법) 타이탄에는 수소가 0.1%밖에 없고 에너지도 몰 당 30.8kJ 정도밖에 안 됨

 

다른 방법은 톨린의 열분해임. 톨린은 극단적으로 낮은 온도에서만 안정적으로 존재할 수 있는 큰 분자임. 조금이라도 가열된다면 암모니아, 질소, 메테인 등으로 분해되면서 열을 내놓음. 이 물질이 에너지 생산에 쓰일 만큼 많은 양을 얻을 수 있을지는 모르지만, 호수 밑바닥을 긁어보면 어느 정도 있을 것임.

 

그리고 풍력 발전이 있음.

두껍고 차가운 대기 때문에 타이탄에서 바람의 속력은 매우 낮음. 지표면에서는 0.5m/s이고 3000m 고도에서는 2m/s임. 지구에서는 같은 고도에서 5m/s, 20m/s 정도임. 타이탄에서 비슷한 풍속을 찾으려면 40km 고도에서 20m/s, 60km 고도에서 30m/s로 더 높이 올라가야 함. 가장 강한 바람은 가장 큰 호수에서 부는 바람임.

 

풍력 발전에서 얻을 수 있는 일률은 다음과 같은 방법으로 구할 수 있음.

 

일률 = 0.5 * 터빈 효율 * 면적 * 밀도 * 풍속^3

 

터빈 효율은 무차원량임. 최신 터빈들은 보통 효율이 40% 정도이고 이론적 한계는 59.3% 임. 면적은 터빈 블레이드가 덮을 수 있는 면적(m^2)이고 밀도는 터빈의 고도에 존재하는 대기 밀도임타이탄에서 지표면 대기 밀도는 5.77kg/m^2이고 40km에서는 0.73kg/m^3 임. 밀도는 압력과 비례하고 (0.1 bar 40 km, 1.5 bar 0km) 온도에 반비례함(75K, 94K).

 

현재 쓸 수 있는 가장 강력한 풍력 발전기인 vestas V-164(면적 21000m^2)를 타이탄 상공 40km에 놓는다면 24.5MW의 전력을 생산할 것임. 이 전력은 지구에서 같은 고도에 두었을 때 보다 35% 많은 양임.

 

타이탄에서 풍력 발전은 여러 가지 장점이 있음. 낮은 중력으로 구조물의 무게를 가볍게 항 수 있음. 짙은 대기 때문에 더 높은 고도에서 풍선이 떠다닐 수 있기 때문에 터빈이 더 높게 올라갈 수 있고 더 빠른 바람을 만날 수 있음. 고고도 풍력발전기에는 많은 디자인이 있음. 아래 그림에 나온 것과 비슷하지만 약간 더 작고 가벼운 것이 타이탄에서 쓰일 수 있을 것임.

타이탄 풍력 발전기의 또 다른 장점은 대기의 온도가 낮기 때문에 몇몇 초전도체는 냉각기나 별도의 보호 없이 작동할 수 있다는 것임.

사진: 코안다 효과를 이용해서 입구로 들어오는 풍속을 30~40% 높이고, 출력을 2배 높인 풍력 터빈

풍력 에너지는 타이탄의 에너지 문제를 해결할 가장 좋은 방법임. 풍력 발전은 에너지 밀도에 의해 제한됨. 터빈을 공중에 띄우기 위해 큰 풍선과 공간이 필요함. 산업에 쓸 정도로 거대한 전력 생산 장비는 식민지 초기에는 사용할 수 없을 것임.

 

그리고 초전도체와 전자석에 쓰이는 중원소들은 토성에서 구하기 힘들 것임.

 

 

토성 에너지 네트워크

 

목성과는 다르게 토성은 전력으로 쉽게 전환할 수 있을 만큼 강력한 자기장은 없음.

 

대신 토성은 상대적로 온화한 환경과 매우 강한 바람을 갖고 있음. 새로운 터빈 디자인들을 이용하면 테라와트에 달하는 에너지를 뽑아낼 수 있음. 단점은 목성에 비해 매우 많은 시간과 자원을 사용해야 완전한 식민화를 할 수 있다는 것임.

 

토성에서 풍력 에너지를 얻는 방법의 가장 큰 문제는 바람에 실려 바람과 같은 속도로 떠다닌다면 바람에서 에너지를 얻을 수 없다는 것임. 열기관과 비슷하게 에너지를 얻기 위해서는 구배가 필요함. 표면이 고체인 행성이라면 표면에 풍력 발전기를 고정하면 되므로 쉽지만, 토성에서는 더 느린 바람이 있는 곳에서 더 빠른 바람이 있는 곳에 풍력 터빈을 띄워야 함.

수직, 수평, 지역적인 세 개의 풍속 구배가 토성에 있음.

 

수직 구배는 대기 상층부와 하층부의 차이임. 지구에서는 성층권의 강풍은 24km 고도의 제트 기류에서 60~75m/s가 가장 빠름. 토성은 100km에서 300m/s, -150km에서 500m/s로 보퍼트 풍력 계급을 부적절하게 만듦. 바람이 압력이 더 높은 깊은 곳에서는 더 빠르게 움직이는지는 알 수 없음.

 

수평 구배는 다른 위도 사이에서 발생함. 적도의 바람이 가장 빠르고 극지방의 바람이 가장 느림.

풍력 터빈은 수평 방향으로 매달려서 위도 차이를 이용해서 바람의 속도 차이를 얻을 수 있음. 위의 표에서 그래프가 더 평평할수록 풍속이 더 많이 차이 남. 예를 들어 위도 -40도에서는 5도 차이나는 지점과의 풍속 차이가 140m/s이고, 둘 사이 거리는 95000km임.

 

지역에 따라 다른 풍속 구배는 폭풍과 대류에 의해 발생함. 거대 가스 행성에서 폭풍은 자주 발생하고 강력함. 이런 폭풍들은 풍속 구배가 매우 커지는 날카로운 지점들이 있어서 상대적으로 작은 터빈으로도 발전이 가능함.

대류 셀은 수직 방향으로 많은 양의 공기를 움직임. 풍속은 낮지만, 폭풍보다는 안전하고 예측 가능함.

 

이런 풍속 구배를 이용하는 풍력 터빈은 수직 구배를 이용하는 경우 수십 킬로미터, 격오 구배를 사용하는 경우 수천 킬로미터 정도로 매우 클 것임. 하지만 이 터빈들은 기가와트의 연속적인 공짜 에너지를 제공해 줄 것임.

 

두 가지 디자인을 살펴보겠음.

 

연으로 끌려다니는 풍력 터빈:

저고도에 있는 빠른 바람을 받는 연이 높은 고도의 부유식 풍력 발전기를 끌고 다님. 풍속의 차이가 터빈을 돌리고 전력을 생산함.

 

줄의 길이가 길수록 풍속의 차이가 증가하고, 깊은 대기층일수록 공기의 밀도가 증가하고 풍선이 잘 뜸. 낮은 밀도의 대기에서는 날개를 펴서 항력을 받는 대신 양력을 얻을 수도 있음.

 

적도 -100km 고도에서 -150km애 연을 담그고 있는 풍력 발전기는 150m의 풍속 차이를 얻을 수 있음. 잘 디자인된 wind funnel이 터빈의 입구에 있다면, 터빈 입구의 풍속은 200m/s까지 증가할 수 있음. 이 디자인을 사용한다면 380kW/m^2로 50% 더 효율적으로 작동하고 100m 지름의 풍력 발전기는 2.98GW의 전력을 생산할 것임. 터빈이 더 낮은 고도에서 작동한다면 더 작은 풍선을 사용해도 되고 더 짙은 대기에서 에너지를 생산할 수 있음. 작은 풍선은 항력을 덜 발생시키므로 연의 크기를 줄일 수 있음.

 

위도 바람개비:

더 거대한 프로젝트로는 위도 바람개비가 있음. 토성의 위도별로 다른 바람 속도를 이용함. 바람으로 터빈 블레이드를 돌리는 대신 반대 방향으로 이동하는 바람을 잡아서 구조물 전체가 이동함.

 

고리의 둘레 부분은 바람을 붙잡을 수 있도록 돛이 달려 있고 지구에서 쓰이는 것과 같은 기술을 사용함. 이 돛들은 바람의 방향에 따라 각각 다른 각도로 바람을 받아서 순풍에도 바람보다 2배까지 빠르게 이동할 수 있음.

 

구조 전체의 회전을 사용하면 바람개비 가운데에 있는 연결부에 에어포일을 다는 방식으로 양력을 제공할 수 있음. 헬리콥터처럼 양력을 발생시켜서 부피가 크고 향력이 많이 발생하는 풍선을 사용하지 않아도 됨. 중앙의 회전하는 발전기 때문에 날개가 기울어지면 토크가 발생함. 이 토크가 각운동량의 차이와 양력의 차이를 보상함. 각각의 바퀴에서 테라와트의 전력이 생산될 것임.

 

토성의 대기에서 전력을 생산하는 건 아직 끝나지 않았음. 토성의 달에 있는 공업 단지나 타이탄의 콜로니 같은 원하는 장소로 전력을 보내야 함.

풍력 에너지를 보내는 데는 네 가지 단계가 있음. 모든 방법이 먼 거리를 이동하기 위해 빔 전송 방식을 사용함. 첫 번째는 두꺼운 대기에서 벗어나는 것임. 대기 상층부에서 다시 저궤도의 정거장으로 에너지를 이동해야 하고 제귀도에서 위성으로 전력을 전송하고 위성에서는 받은 에너지를 사용 가능한 형태로 변환해야 함.

 

위에서 말했듯이, 터빈은 저고도일수록 더 빠른 풍속과 밀도를 이용할 수 있기 때문에 터빈 자체의 장치로 레이저로 변환할 수 있음. 지구에서는 사용할 수 있는 파장은 대기 내 수증기에 매우 많은 영향을 받지만, 토성에서는 수소의 흡수 스펙트럼이 어떤 파장이 쓰일 수 있을지를 결정함. 다른 미량의 가스들이 미치는 영향은 아래 그래프에 나와있음.

흡수 스펙트럼에서 검은 선 사이의 색깔이 있는 간격들은 사용해도 안전한 파장들임. 토성의 반사 스펙트럼은 어떤 파장이 흡수되지 않는지를 알려주고(높은 반사성) 어떤 파장이 흡수되는지 알려줌(낮은 반사성). 더 작고 가벼운 광학 장치로 빛을 집중할 수 있기 때문에 짧은 파장이 선호되므로 680nm파장의 빛을 사용하겠음.

 

풍력 터빈에 커다란 레이저 발진 장치가 달리는 것을 원하지는 않으므로 자유 전자 레이저의 에너지 밀도가 현재 기술에 비해 크게 줄어들지 않는다면 사용하지 않을 것임. 광섬유 레이저가 효율이 50% 정도이므로 좋은 대안이 될 것임.

레이저 빔은 궤도의 릴레이 정거장에 닿음. 이 정거장들이 필요한 이유는 이 풍력 발전기들이 10km/s가 넘는 속도로(토성 관성좌표계 기준) 돌고 수백만 km 떨어진 곳을 계속 겨냥하는 게 쉽지 않기 때문임.

 

대기 중 전송 가능 거리는 2000 ~ 2500km 정도일 것임. 레이저를 그 정도 거리까지 집중하는 것은 대형 광학 장치를 달 수 있는 거대한 위도 바람개비에게는 쉬운 일이겠지만, 연에 의해 끌려 다니는 풍력 발전기에게는 어려운 일일 것임. 해결 방법은 고고도에 레이저의 초점을 다시 맞춰주는 거울을 달고 다니는 풍선을 올려놓는 것임.

 

궤도 릴레이 정거장은 같은 레이저 빔을 350만 km 떨어진 달에 다시 초점을 맞춰서 보내주면 됨. 또 다른 방법은 second hramonic genertaion 등을 사용해서 레이저의 파장을 줄여서 초점을 맞추는 걸 더 쉽게 하는 것임.

레이저 빔이 원하는 위성에 도착하면 다시 전력으로 변환되어야 함. 태양광 발전기는 레이저의 파장에 맞춰진다면 30~40% 의 효율을 보여줄 것이고 레이저-열 증기 터빈은 50%가 넘는 효율을 낼 수 있음. 레이저-열 MHD 시스템은 60% 효율을 넘을 것임.

 

타이탄은 특수한 경우임. 먼 거리를 이동한 레이저 빔이 다시 위성의 대기를 뚫는 것은 매우 어려움. 타이탄에서는 다른 에너지 전송 방법을 사용해야 함.

 

순수 레이저 기반 에너지 전송 시스템은 전체적인 효율이 매우 낮을 것임. 4단계를 거치면서 80%의 에너지를 손실할 것임. 1kW를 보내면 200W만 받을 것이고 타이탄에서는 더 많은 에너지를 잃어버릴 것임.

 

대안은 수소를 물리적으로 운반하는 것임. 레이저 빔을 만들기 위해 전력을 생산하기보다 풍력 터빈이 수소를 수집하고 저장하도록 하는 것임. 액체 수소는 삭마성 히트 실드와 낙하산으로 덮인 응력이 높은 탱크로 운반됨.

 

이 탱크는 토성에서 코일건으로 발사되고 타이탄에 5.57km/s의 속력으로 도착할 것임.

 

수소는 타이탄의 질소 대기에서 태우면 kg 당 15MJ를 얻을 수 있음. 이 열 에너지는 MHD 발전기를 사용한다면 전기 에너지로 40~60% 효율로 변환될 수 있음. 따라서 kg 당 7.5MJ를 얻을 수 있음.

 

타이탄 고도에서 1kg의 중력 퍼텐셜 에너지는 31MJ이므로 (1kg - 토성 질량의 GMm/r^2) 80% 효율의 레일건이 있다면 38.7MJ가 1kg의 수소를 타이탄까지 배달하는 데 필요할 것임.

 

수소 기반 전력 전송은 1kg 당 38.7MJ를 사용해서 타이탕까지 7.5MJ를 배달할 수 있음. 전체 효율을 19.4%로 에어로셸이나 히트실드, 낙하산 등을 포함한다면 더 낮아질 것임. 그러나 레이저 기반 시스템과는 충분히 경쟁할 만 함.

 

미마스, 엔셀라두스, 테티스, 디오네, 레아, 이아페투스

이 여섯 개의 달은 지름이 396km에서 1527km 정도로 토성계에서 특별한 시스템임. 이 위성들 사이의 이동은 다른 행성들로의 이동보다 dV 측면에서나 이동 시간 측면에서 훨씬 저렴함. 따라서 다른 식민지에서 자원을 가져와서 식민지를 성장시키는 데 유리함.

 

미마스:

여섯 개의 달 중 가장 작고 태양계에서 자체 중력으로 구형을 유지하는 천체 중 가장 작은 크기임. 밀도는 1150kg/m^3으로 거의 물로 이루어져 있고 중앙에 암석 먼지가 있음.

 

미마스는 조석력이나 태양 복사를 거의 받지 않기 때문에 차갑고 죽은 토성의 위성 정도임. 토성의 자기권 안에 있기 때문에 태양 방사선에 보호를 받을 수 있음.

 

미마스에서 다른 곳으로 이동하는 데 필요한 dV:

미마스 저궤도는 표면에서 500m 위임. 궤도 속도는 96m/s임.

 

미마스에서 토성 저궤도까지 가는 데에는 9.7km/s가 필요함. 이는 지구에서 저궤도까지 가는 데 필요한 dV임. 미마스는 토성에 있는 식민지에 물품을 보내는 중간 단계로 적합하지 않음. 엔셀라두스에 비해 1km/s 정도밖에 절약하지 못함.

 

이 위성은 보다 토성에 더 가깝고 여러 특징을 공유하는 소 위성들인 야누스와 에피메테우스나 A고리와 B고리에 있는 소행성들과 비교하면 특징이 더 흐릿해짐. 미마스에서 사용할 수 있는 자원인 물은 토성계에 풍부하게 존재함.

 

엔셀라두스

엔셀라두스는 E고리에 있고, 지름이 500km 정도임. 토성에서 238000km 떨어진 곳을 공전하고 표면 중력은 0.0113g임.

크기가 작음에도 불구하고 타이탄 다음으로 흥미로운 위성임.

 

디오네와 궤도 공명하면서 중심부가 조석력으로 밀고 당겨지며 가열됨. 이렇게 발생한 열은 얼음 화산 활동을 일으키고 계속해서 바뀌는 지각과 지하 바다의 원천임.

중심의 암석 핵은 위성의 질량 대부분을 차지하고 충분한 금속과 자원이 있어서 위성의 평균 밀도가 1609kg/m^3 정도임. 핵은 열을 얼음과 메탄을 분출하는 간헐천 형태로 분출함.

열은 남극에 있는 지각을 5km 정도의 얇은 두께로 침식시킴. 65km 두께의 소금물이 그 아래의 기반암과 지각을 분리시킴.

 

엔셀라두스의 바다는 얇은 얼음으로 덮여 있어서 바닥에 고압 얼음이 형성되는 걸 막아줘서 핵에 쉽게 접근할 수 있음. 바닥의 압력은 50~

100bar 정도로 지구에서 500~

1000m 깊이에서의 압력임. 표면 근처의 얼음/물 경계층에서는 압력이 5 bar 정도로 낮을 것임.

 

토성 식민화 시도는 타이탄에서 시작하겠지만, 엔셀라두스가 다음이 될 것임. 5km의 얼음이 지열로 인해 녹아있는 게 지구의 1% 정도의 중력에 잡혀있기 때문에 굴착하기 매우 쉬움. 가장 어려운 점은 -189도의 단단한 얼음 표면을 뚫고 들어가는 것임. 만약 굴착이 1km 깊이의 협곡이나 통풍구에서 이루어진다면 더 쉬워질 것임.

이런 압력에서 살아남을 수 있는 거주지를 만드는 건 따뜻하고 보호된 환경과 위성의 핵에 접근할 수 있는 능력 같은 큰 장점을 제공함.

 

엔셀라두스의 물은 광물과 메테인을 많이 포함하고 있고 물에서 소듐, 염소, 일산화탄소 등의 carbochlorination process에 필요한 자원을 얻을 수 있음. 이 프로세스로 알루미늄과 백금 같은 순수한 금속을 원석으로부터 얻을 수 있음.

 

포타슘, 칼슘, 인, 나트륨과 같은 원소들을 엔셀라두스의 핵에서 사실상 무제한으로 추출할 수 있음. 이 원소들은 우주에서 인간이 살아가는 데 필요한 것들임. 핵 표면 근처에서는 알루미늄, 마그네슘, 철과 같은 경금속들이 발견될 수 있음. 핵으로 파고들면 아연, 니켈, 우라늄까지 채굴할 수 있을 것임. 디오네의 열 활동과 비교해 보면 엔셀라두스의 열 출력은 핵분열에 의해 발생하는 열이 어느 정도 차지한다는 것을 알 수 있음.

 

내행성으로부터 멀리 있는 곳에서 이런 무거운 원소는 매우 귀함. 이런 원소는 비싸게 팔 수도 있고, 철과 알루미늄으로 식민지 건설에 큰 도움을 줄 수 있음. 다른 외행성계 식민지들은 아라미드 섬유나 탄소 기반 재료를 사용해야 함.

산업 활동을 위해서는 처음에는 외부에서 전력을 공급해줘야 함. 위에서 말한 풍력 발전소 같은 곳에서 직접 에너지를 받아와야 함. 레이저의 파장에 맞춰진 태양 전지판으로 전력을 얻을 수 있음. 전기로 과산화수소를 만들 수 있는데, 과산화수소는 저장하기 쉽고 물과 밀도가 비슷해서 휘발유처럼 이동식 차량에 사용할 수 있음.

 

엔셀라두스에서 다른 곳으로 이동하는 데 드는 dV:

낮은 중력과 저궤도까지 가는 데 드는 dV가 적기 때문에 이온 엔진과 같은 효율이 좋은 전기 추진 엔진을 표면에서부터 사용할 수 있음. 다른 천체에서 이륙하려면 별도의 높은 추력 엔진이 필요함.

 

엔셀라두스에서 타이탄으로 화물을 보내려면 5.4km/s의 dV가 필요함.

 

그러나 타이탄의 대기는 공력 제동을 사용할 수 있기 때문에 4km/s만 있어도 됨. 아크제트 같은 전기 엔진으로 질량비가 1.22 정도만 나온다면 이동할 수 있음. 수소 추진체는 물을 전기분해하면 쉽게 얻을 수 있고, 엔셀라두스에 전력을 공급하는 것과 비슷한 태양 전지판과 레이저로 로켓에 동력을 공급할 수 있음. 화학 로켓도 수소/산소 연료나 메테인/산소 연료로 450, 380초의 비추력을 얻을 수 있고 수소는 전기분해로, 메테인은 바다에 녹아있는 걸 채취할 수 있음. 화학 로켓은 3 정도의 높은 질량비가 필요하지만, 태양 전지판보다 에어로브레이킹을 더 잘 견딜 수 있음.

 

테티스:

테티스는 토성에서 세 번째로 가깝고 29만 km 떨어진 곳에서 돌고 있음. 토성과 가까이 있기 때문에 토성의 자기권 끝자락에서 고에너지 입자들의 폭격을 맞아야 하는 위치임.

테티스는 미마스처럼 단단한 얼음 덩어리로 조석에 의한 가열을 찾아볼 수 없음. 지하에바다가 있을 확률은 상당히 낮음. 만약 있다고 해도 지각에서 몇 킬로미터 아래의 얇은 층으로 존재할 것임.

 

많은 수의 크레이터가 위성의 오래된 표면에 있는데 이 장소들은 위성을 채굴할 때 방사능을 피할 수 있게 해 줌. 몇몇 크레이터는 40km 넓이에 수 킬로미터의 깊이를 가짐.

 

이 크레이터들은 금속성 소행성의 충돌로 생겼을지도 모름. 얼음에 대한 열적, 지질학적 활동이 없다면 소행성의 파편은 크레이터의 바닥에 있을 것이고, 금속 자원에 쉽게 접근할 수 있을 것임. 이는 매우 낮은 확률로 일어나겠지만, 사실이라면 이 위성을 식민지화할 유일한 이유가 될 것임.

테티스는 지름 20km 이상의 큰 위성인 텔레스토, 칼립소와 궤도를 공유함. 두 위성은 물 얼음과 휘발성 물질로 이루어져 있다고 추정됨.

 

테티스에서 다른 곳으로 가는 데 필요한 dV:

dV 측면에서 테티스는 토성과 타이탄 모두에서 꽤 가기 힘든 곳임.

디오네:

디오네는 1123km 지름의 위성으로 토성에서 377000km 떨어진 곳에서 공전하고 있음. 엔셀라두스와 1:2 궤도 공명을 해서 서로의 위성 핵을 가열하고 내부의 온도를 지하 바다가 존재할 수 있을 정도로 올림. 지각 활동은 느리지만 확실히 일어나서 표면은 시간이 지날수록 바뀜. 지각 내부에 거주지를 만들면 터널이 붕괴할 수 있으므로 위험함.

 

엔셀라두스와 대체로 유사함. 그러나, 식민화하기에 좋은 크기는 아님.

 

이 위성의 지각 두께는 65km으로 엔셀라두스의 5km에 비해 매우 두꺼움. 중력은 0.024g로 계산해 보면 지각을 뚫고 내려가는 것은 엔셀라두스보다 26배 어려움.

 

이 정도 깊이의 바다는 지각과의 경계에서 21.5 MPa 정도로 높은 압력을 받음. 이 바다의 바닥에서는 36.5 MPa의 압력을 받을 것이고 지구 바다에서 깊이 2110m~3650m 정도의 압력임.

 

디오네의 밀도는 1478kg/m^2로 엔셀라두스보다 9% 낮음. 그 말은 핵에 무거운 원소가 적다는 말임. 게다가 크기 때문에 무거운 원소들은 가벼운 원소 아래에 깔려있을 것임.

 

디오네에서 다른 곳으로 가는 데 필요한 dV:

dV 관점에서 보면 디오네는 엔셀라두스와 타이탄의 사이 정도에 있음. 디오네에서 보내는 물체는 타이탄에 가려면 3.7km/s가 필요하고 에어로브레이킹을 사용한다면 2.1km/s 정도로도 됨. 엔셀라두스에서 타이탄까지 4km/s가 필요하므로 운송되는 데 연료를 세 배정도 절약할 수 있음.

 

토성 식민화 초기의 일시적 식민지에서는 엔셀라두스가 타이탄으로 무거운 원소를 운반하는 데는 더 유리함. 그러나 식민화 후기에는 디오네가 더 많은 dV를 절약할 수 있기 때문에 더 많은 관심을 받을지도 모름.

 

레아

레아는 먼지와 얼음으로 된 가장 가벼운 위성임. 핵은 없고 중심에는 압축된 얼음만 있음.

 

에너지를 적게 받기 때문에 바다가 없고 표면의 깊은 상처로 보아 매우 안정적인 지각을 갖고 있을 것임.

목성의 달 칼리스토와 유사한 구조임. 엔셀라두스나 디오네처럼 얼음층을 뚫고 들어가느라 굴착에 많은 돈을 사용할 필요 없이 쉽게 좋은 광물들을 많이 얻을 수 있음. 표면에서 얼음에 섞인 금속이나 광물들을 찾을 수 있을 것임.

 

레아 식민지를 깊이 채굴할수록 비휘발성 물질들을 더 많이 볼 수 있을 것임. 바다가 있는 위성에 비해 더 접근성이 좋게 자원을 제공할 것이고 높은 압력을 버티는 채굴 장비도 필요 없어서 개척자들이 레아 식민지를 깊이 채굴할수록 비휘발성 물질들을 더 많이 볼 수 있을 것임. 바다가 있는 위성에 비해 더 접근성이 좋게 자원을 제공할 것이고 높은 압력을 버티는 채굴 장비도 필요 없어서 개척자들이 광물성 원소를 얻을 때 가장 좋은 곳일 수 있음.

 

레아의 dV 표를 보면 엔셀라두스보다 3km/s를 아낄 수 있는 것을 볼 수 있음.

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이아페투스

커다란 크레이터로 데스 스타로 잘 알려진 이 위성은 특이한 외관으로 충격을 줌.

이 위성은 토성에서 356만 km 떨어진 곳에서 다른 달들과 많이 떨어져서 공전하고 있음.

이아페투스의 밀도와 크기는 레아와 거의 비슷하고 내부 구조도 비슷함. 따라서 두 달 모두 표면의 얼음을 녹여 굴착하며 먼지들을 분별하는 것만으로도 채굴할 수 있음.

이아페투스와 레아의 가장 큰 차이점은 이아페투스가 토성에서 더 멀리 떨어져 있다는 것임. 따라서 레이저로 전력을 전송하는 것은 많은 에너지 손실을 낼 수 있음.

이아페투스에서 타이탄으로 물자를 보내는 것은 레아보다 약간 적은 dV(2.1 vs 2.7km/s)를 필요로 함. 하지만 위 표에서 보여주지 않은 게 있는데, 타이탄과 이아페투스의 궤도 경사각 차이 때문에 호만 전이 궤도를 사용할 때의 최소 dV가 다른 궤도일 때보다 많이 줄어든다는 것임.

이 window가 열릴 때를 제외하면 평소에는 더 많은 dV를 사용해야 타이탄에 도달할 수 있을 것이고, 이아페투스의 장점이 없어져버림. 그러나 다르게 보면, 태양계의 다른 곳에서 이 행성으로 뭔가를 보내거나 받을 때 이 행성에서 하는 게 가장 효율적이라는 것임. 같은 화물을 레아에서 보내는 것보다 3.3km/s를 절약할 수 있음. 다른 행성들은 먼지가 걸러진 얼음이 필요한 반면, 먼지들은 엔셀라두스의 산업 발전에 사용할  수 있다는 장점도 있음.

(데스 스타 관광지로 관광객 유치하면 잘 될 것 같음)

 

고리

토성의 아름다운 이유인 이 고리는 우주로 수십만 km까지 뻗어나가는 거대하고 복잡한 구조물임.

크기는 매우 크지만, 매우 작은 밀리미터 ~ 몇 미터  정도의 작은 크기의 입자들로 구성된 매우 얇은 원반임.

이 입자들은 넓게 분포하고 있어서 많이 모으기 위해서는 고리의 넓은 부분을 빨아들여야 함. 고리 질량의 99.9%는 얼음이라서 고리를 식민화할 때 필요한 자원이 부족함. 물은 토성의 위성들에 이미 많이 있으므로 고리에 있는 물은 가치가 없음.

아름답게 이는 것과 고리를 지나쳐 가는 데 위협을 제공하는 것 외에 고리의 식민화 잠재력은, 위성에 착륙할 수 없는 우주선에 물을 공급할 수 있다는 것임. 보통 야누스와 같은 작은 위성들이 이런 목적으로 사용될 수 있고, 토성 저궤도 근처 연료 저장소로 사용될 수 있지만, 토성의 궤도처럼 아무 장소에서나 물 = 우주선의 연료를 공급할 수 있다는 것은, 정치적, 군사적으로 많은 의미가 있음. 토성을 공격하는 우주선들은 효율성이 높고 추력이 낮은 엔진으로 나선형으로 천천히 하강하는 대신 dV 비용이 많이 드는 토성 진입 기동을 한 후 고리에서 연료를 공급할 수 있을 것임. 토성의 방어자들은 자신들의 영역에서 싸우는 것에 대한 이점을 잃게 될 것임.

식민지
토성계에 대한 식민화 시도는 엔셀라두스와 타이탄 두 곳으로 사람들을 집중할 것임. 식민지 개척자들의 선호와 기회에 따라 두 위성의 인구 비율이 결정될 것임.

엔셀라두스에서는, 토성의 풍력 발전소가 준비될 때까지 핵 에너지가 필요할 것임. 원자력 발전소는 달의 얼음을 파고 들어가서  지하 바다에 거주지를 세우는 데 필요한 에너지를 제공할 것임.

오랜 시간 동안 개척자들은 인공조명, 폐쇄된 공간, 낮은 중력에서 사치품 없이 살아야 함. 광부들은 바다 아래 가라앉은 금속과 광물들을 수집해서 표면으로 보낸 후 처리해야 함. 이 자원들은 식민지의 거주지를 늘리고 공업 단지를 확장하는 것부터 토성에 거대한 풍력 발전기를 만드는 데까지 사용될 것임.

만약 개척자들이 더 많은 자유를 원한다면 바다의 표면 근처를 돌아다닐 수 있을 것임. 5 bar 정도의 압력을 받는데 이 정도 압력은 지구에서 수심 40m 정도의 깊이에서 받는 압력이고, 스쿠버 다이버라면 이 정도는 갈 수 있음. 지하 바다에 사는 사람들은 거주지 내부와 외부의 압력을 동일하게 해서 출입을 더 쉽게 하는 것을 선호할 수도 있음. 폐쇄공포증이 있거나 불편한 사람들은 위에 있는 얼음 터널에 살 수도 있음.

타이탄은 미리 제작된 요소들로 식민지를 만드는 것이 더 쉬울 것임. 거주지는 지표면에 있을 것이고 거주지의 기압은 외부보다 약간 높게 설정될 것임. 에너지는 풍력 터빈을 풍선으로 띄워서 줄로 연결해 주면 됨. 나가서 걸을 수 있고, 날개와 산소 탱크와 단열이 잘 되는 옷이 있다면 날아다닐 수 있고 해방감을 느낄 수 있을 것임.(비행기로 날아다니는 게 아니고 사람 몸에 날개 달아서 날아다니는 거 말하는 것 같음. 기압이 높고 중력이 낮아서 충분히 가?능함)

그러나 산업 역량과 장기적 생존은 다른 위성에서 받는 자원에 달려 있음. 타이탄 식민지에는 항상 사고로 식민지 내 모든 사람이 얼어 죽을 위험이 있음. 로켓이 공력 제동을 사용하고 낙하산으로 표면에 쉽게 도달할 수 있지만, 다시 올라기기 위해서는 고도 보상 노즐과 항력 최소화 궤적이 사용되어야 함.

진화
토성 식민지들의 발전은 에너지원과 에너지원을 관리를 중심으로 발전할 것임. 에너지 부족 상태는 토성의 폭풍으로 발전기를 돌리고 레이저로 토성계에 전력을 공급할 때까지 계속될 것임.

이 에너지로 얼음에서 로켓 연료를 얻을 수 있고, 연료를 통해 엔셀라두스에서 타이탄으로 건축 자재들을 보내서 거주지를 빠르게 짓고 산업을 발전시킬 수 있음. 그리고 자원들로 풍력 터빈을 만들어서 더 많은 에너지를 얻을 수도 있음.

토성 식민지들이 다른 행성들과 무역해도 될 정도의 잉여 자원을 얻을 수 있을 것임.

질소나 메탄같이 태양계에 풍부한 물질들은 dV와 거리로 인해 수출하는 이점이 크지 않음. 대신에 더 닿기 힘든 행성들인 천왕성, 해왕성 등으로 보내질 수 있음.  엔셀라두스나 디오네 같은 위성들은 목성의 위성 같은 더 금속이 적은 곳에 무거운 원소들을 수출할 수 있을 것임.

토성 에너지 네트워크가 가동되고 있다면, 일부 에너지는 토성이 태양 궤도를 도는 속도인 9.7km/s의 코일건 탄환으로 전환될 수 있음. 만약 코일건이 토성의 진행 방향과 반대 방향으로 되어 있다면, 태양 주위를 돌지 않고 태양으로 떨어질 것임.

발사체는 태양전지가 달린 드론으로 토성 저궤도를 지나는 궤적을 만들 것임.

태양 쪽으로 계속 떨어진다면, 발사체는 많은 양의 운동 에너지를 얻을 것임. 어떤 우주선들은 자기장이나 연료 구름 등을 이용해서 발사체의 운동 에너지를 우주선을 가속하는 데 사용할 것임.

아래 그림은 토성에서 지구로 -9.7km/s로 보낸 물체의 궤적임.

이 발사체는 태양과의 거리 1AU에서 39km/s 정도일 것이고 지구에 있는 우주선은 이 발사체를 최대 69km/s의 상대 속도로 받을 수 있을 것임. LEO에서는 상대 속도가 최대 77km/s일 것임.

토성은 에너지를 이런 방식으로 수출할 수 있음. 지구 LEO에 도착할 때 에너지가 63배 증폭되므로 토성에서 1kJ로 물체를 보낸다면 지구에서는 63kJ를 받을 것임.

목성과 비교해 봤을 때 많은 양은 아니지만, 토성은 목성의 위성과 트로이 소행성에 이 에너지를 수출할 수 있음. 상대 속도는 이 경우 24km/s이고 에너지는 6배 증폭됨. 목성 저궤도에서의 상대 속도는 64km/s에 이름.

목성은 운동 에너지를 자기 자신에게 팔 수 없으므로 토성의 입지는 가치 있음. 목성계 내부 이동에는 많은 dV가 필요하므로 토성의 운동 에너지를 이용한다면 높은 ISP와 추력을 모두 얻어서 이 문제를 해결할 수 있을 것임.

 

번역 출처:https://toughsf.blogspot.com/2017/08/how-to-live-on-other-planets-saturn.html

How to Live on Other Planets: Saturn

 

오타 있을 수 있고 번역 오류도 있을 수 있음.

너무 길어서 한 3달 걸린 듯?