우리가 지구에서 우주로 나갈 때는 화석 연료를 사용합니다. 화석 연료의 엄청난 힘을 이용해서 우주로 나갑니다. 그리고 우주를 항해할 때도 액체 산소가 들어가 있는 화석 연료로 추력을 얻습니다. 근거리에서는 태양광을 이용해서 추력을 얻기도 하고 태양 빛이 약한 곳에서는 원자력 발전으로 추력을 얻기도 합니다.
영화 '마션'에도 소개한 행성의 중력을 이용한 '플라이 바이'도 우주 항해술의 하나죠. 그러나 이런 추력으로는 장거리 우주 항해를 할 수 없습니다. 베르베르의 소설 '빠삐용'에서는 광자들의 이동에서 추력을 얻은 거대한 우주광선 돛으로 항해하는 모습이 보이는데 그게 아마도 가장 현실적인 장거리 우주 엔진이 아닐까요? 그 빠삐용에서 나온 추력을 가진 엔진과 비슷한 엔진이 실제로 세상에 선보였습니다.
연료가 필요 없는 반영구 기관인 EM 드라이브
EM 드라이브에 대해서 잘 아는 분도 있지만 대부분은 잘 모릅니다. 이게 나온지 10년이 되었지만 말도 안된다는 소리가 많아서 논란이 있었습니다. 이 EM 드라이브는 전자기장의 파동을 이용한 일종의 엔진입니다. 일상 생활에서 사용하는 엔진은 아니고 우주 항해를 할 때 사용하는 우주 엔진입니다.
EM 드라이브는 생긴 것은 로켓 엔진과 비슷하게 생겼지만 추력은 전혀 다른 곳에서 얻습니다. EM 드라이브의 추력은 전자기를 이용한 마이크로파입니다. 이 EM드라이브는 너무나도 획기적인 엔진이고 물리적으로 검증된 것도 제대로 설명이 되지 않아서 아직 공식적으로 과학계에서 인정 받고 있지는 않습니다.
그래서 EM 드라이브가 나온지 10년이 되었지만 최근 까지는 열라 신기하고 흥미로운 대발견인데 설명이 제대로 안되어서 그냥 지켜만 보고 있었습니다. 그러나 최근 이 기술을 설명할 수 있는 단서가 나왔고 계속 연구를 하고 있게 되었습니다.
이 EM 드라이브는 전자기장을 이용한 마이크로파를 이용하는 것도 놀랍습니다만 더 놀라운 것은 이 엔진은 연료를 필요로 하지 않습니다. 즉 반영구 기관이자 무연료 엔진으로 우주 항해를 할 때 꼭 필요한 엔진입니다. 장거리 우주 항해를 할 때 가장 큰 걸림돌은 연료입니다. 그런데 연료가 필요 없습니다. 이 EM 드라이브는 2001년 영국의 항공 우주 기술자인 로저 소이어(Roger Shawyer)씨가 만든 엔진입니다. 원추형 콘에서 마이크로파를 반사 시키는 것으로 추력을 얻는 정말 간단한 전자기파 엔진입니다. 기존의 화석 연료 엔진과는 그 설계 자체가 다르고 간단합니다.
그러나 이 엔진이 나온 후 최근까지 과학자들 사이에서는 이게 가능하냐?라는 회의론자와 가능할 수도 있다라는 찬성론자들이 갈려서 싸웠습니다. EM 드라이브의 최대의 미스테리는 어떻게 연료 없이 추진력을 낼 수 있느냐는 것입니다.
더구나 이걸 만든 '로저 소이어'씨도 왜 추력이 발생하는지 제대로 설명을 하지 못했습니다.
상식적으로 물체가 가속도를 얻으려면 외부에서 에너지를 이용해서 추력을 넣어주어야 합니다. 그런데 이 EM 드라이브는 어떠한 연료도 사용하지 않기 때문에 물리학으로 설명되지 않았고 이에 지난 10년 동안 논란의 엔진으로 남았습니다.
전세계에서 EM 드라이브의 추력을 검증하다
이렇게 논란 속에서 2012년 중국의 한 연구팀이 EM 드라이브에서 추진력을 얻는데 성공합니다. 2014년에는 미국의 한 연구자가 EM 드라이브를 만들어서 미항공우주국인 나사에 실제로 실험라고 권하기도 합니다.
이에 나사가 직접 나서서 이 EM 드라이브를 테스트를 합니다. 몇몇 회의론자가 마이크로파가 발생하는 열 대류에 의해서 추진력이 나올 수 있다는 말에 나사는 진공 상태에서 EM 드라이브를 테스트했는데 놀랍게도 추력이 발생한다는 것을 나사도 인정하게 됩니다.
추정해보는 EM 드라이브의 추력 원리
EM 드라이브의 추력은 확인이 되었지만 아직까지도 확실한 원리 설명이 나온 것은 아니였습니다. 그러다 최근 영국 폴리머스 대학의 Mike McCulloch씨가 그 비밀을 여는 이론을 설명했습니다.
세상의 모든 물체는 움직이는 물체는 계속 움직이려고 하고 멈춰 있는 물체는 계속 멈춰 있으려고 하는 관성의 법칙을 따릅니다. 그런데 관성의 법칙은 있지만 이 관성이 어떻게 작동하는 지에 대한 만족할만한 설명은 아직 없습니다. 이 관성의 법칙을 설명하는 것이 언루 효과(Unruh effect)입니다. 언루 효과는 가속 물체가 열을 발산하는 효과입니다. 즉, 속도를 내면 주변 온도가 높아지는 것이죠. 공기 중에서는 공기와의 마찰 때문에 열이 난다고 생각되어지지만 언루 효과는 진공 상태에서도 발생합니다.
즉 우주에서도 속도를 가속하면 주변 온도가 높아지는 것을 관측하는 것이 언루 효과로 1970년대에 나온 이론입니다. 그러나 이 이론도 지구에서 관측하기 매우 어렵기 때문에 실제로 관측되는 지에 대해서는 아직 논란이 되고 있습니다. Mike McCulloch씨는 언루 효과에 의한 방사선이 물체에 압력을 가하면서 관성이 발생한다고 주장하고 있습니다. 중력의 영향을 거의 받지 않는 우주 공간에서는 언루 효과에 의한 복사 파장이 길어진다는 흥미로운 현상이 발견되었습니다.
언루 효과가 관성을 설명하는 이론 중 하나인데 이걸 증명하는 현상이 있습니다. 영화 마션에도 나왔지만 행성의 중력을 이용하면 추력을 더 얻을 수 있습니다. 이걸 플라이 바이(Fly-by)로 우주 항해술에서는 꽤 많이 이용되는 원리입니다. 그래서 긴 우주를 항해하는 탐사선들이 행성의 중력권에 접어들어서 중력을 이용해서 추력을 더 얻어서 항해를 합니다.
이는 인공위성도 플라이 바이를 이용합니다. 그러나 인공위성이 플라이 바이를 이용하는데 이론과 실제에 오차가 생깁니다. 이 오차는 Earth flyby anomaly라는 현상이 일으키는 것으로 보입니다. 플라이 바이 또는 스윙 바이를 이용한 중력 가속이 이론과 실제가 오차가 생기는데 아직까지 정확환 원인은 모릅니다.
Mike McCulloch씨는 이 오차가 위에서 말한 언루 효과에 의해서 물체가 관성의 영향을 받기 때문에 생기는 오차라고 주장하고 있습니다. 그리고 이 오차를 일으키는 관성 효과가 EM 드라이브의 추진력을 만드는 것이라고 주장하네요. 즉 언루 효과를 이용한 엔진이 EM 드라이브라는 소리죠. 좀 복잡하죠. 간단히 말하면 지금까지 관성의 법칙은 잘 설명되지 않았는데 그게 언루 현상 때문이고 그 언루 현상을 이용하는 엔진이 EM 드라이브입니다.
광자가 관성 질량을 가지고 있다고 하면 뭔가에 반사 될 때 관성력을 발생합니다. EM 드라이브는 마이크로파가 관성 질량을 가지고 있으며 원추형태의 콘에서 반사판에 광자(양자)가 부딪힐 때 관성력이 발생하고 이 관성력을 이용해서 한쪽 방향으로 관성력을 몰면 추력이 발생합니다. 즉, 빛과 같은 파동과 입자 성질을 가진 양자(광자)들을 반사판에 쏘면 약간의 관성력 같은 힘이 생기는데 이걸 깔대기 모양으로 한쪽 방향으로만 나오게 해서 추진력을 얻는 것이 EM 드라이브입니다. 그래서 EM 드라이브를 전자기파 엔진이라는 소리도 있습니다.
그러나 이 Mike McCulloch 주장은 광자 관성 질량이 존재한다는 것과 파장이 변하면 빛의 속도도 변한다는 2개의 전제 조건은 현대 물리학에서는 어긋나는 주장입니다. 특히 빛의 속도는 어떠한 환경에서도 (빛의 속도로 나는 우주선에서 빛을 쏴도 빛의 속도로 이동)등속 운동을 한다고 알려졌는데 빛의 속도가 변한다는 것은 기존 물리학을 뒤집어야 합니다.
따라서 이론의 근거는 어느 정도 윤곽이 나왔지만 확실한 것은 아닙니다.
EM 드라이브는 전기로 작동합니다. 연료는 필요 없지만 전기로 광자(양자)를 쏴줘야 움직이기 때문에 전기는 필요합니다. 전기야 태양광에서 얻으면 되죠. 따라서 EM 드라이브는 태양광을 이용한 전자기파 엔진입니다.
나사도 EM 드라이브의 추진력을 확인하다
EM 드라이브의 논란에 나사도 끼어들었습니다. 어쩌면 나사가 개발해야 하는 이 엔진을 민간인이 10년 전에 만들었는데도 나사는 큰 관심을 가지기 않고 있었습니다. 물리 법칙으로 설명이 되지도 않고 설명된 것도 기존 물리 법칙을 뒤집어야 해서 그런지 신뢰를 크게 하지 않았던 것 같네요.
그러나 최근 나사가 이 EM 드라이브를 진공 상태에서 테스트를 해봤습니다. 그리고 놀랍게도 전력 1와트 당 1,2밀리 뉴턴의 추력이 발생하고 있다는 것을 발견하고 발표했습니다.
예전엔 과학 현상이 있고 그걸 이론으로 만들었습니다. 그런데 아인슈타인은 이론을 먼저 만들고 나중에 과학자들이 "우와! 아인슈타인 이론이 맞았어. 그는 신이야"라고 했죠. 그러나 이 EM 드라이브는 예전처럼 기술이 나오고 이론을 증명하는 모습이네요.
아직 이론 정립이 안되고 된다고 해도 언루 효과가 기존 물리학을 뒤집어야 하는 문제가 있습니다. 흥미롭죠. 빛이 등속 운동을 하는데 빛도 속도가 다를 수 있다는 내용을 증명해야 하니까요. EM 드라이브 같은 획기적인 기술이 나왔으면 좋겠습니다.
