우주탐사 물리학은 사이언스, 네이처, 피지컬 리뷰 레터스 등 세계적으로 권위 있는 과학 분야에 50여 편의 논문을 발표한 윤복원 박사가 2023년 동아시아를 통해 출간한 책입니다.
우주탐사 물리학은 사이언스, 네이처, 피지컬 리뷰 레터스 등 세계적으로 권위 있는 과학 분야에 50여 편의 논문을 발표한 윤복원 박사가 2023년 동아시아를 통해 출간한 책입니다.
물리학 법칙 하에서 가능한 우주 탐사에 대한 설명은 인류가 우주 정복에 대한 막연한 상상을 현실로 느끼게 하는 훌륭한 책이죠. 부재의 현실과 SF를 넘나드는 외계 행성 탐사에 관한 전부라고 할 수 있죠. 1부 무중력과 인공위성의 중력을 느낀다고 할 때 우리는 지구가 당기는 중력을 느끼지 않고 바로 이 ‘중력이 대항하는 힘’을 느끼는 거리라고 합니다.
따라서 자유낙하할 경우 무중력을 경험하게 되고, 다음에 설명하는 탄도우주비행, 제로-G 무중력 체험비행, 그리고 대포알 비행으로 발생하게 됩니다.
물리학 법칙 하에서 가능한 우주 탐사에 대한 설명은 인류가 우주 정복에 대한 막연한 상상을 현실로 느끼게 하는 훌륭한 책이죠. 부재의 현실과 SF를 넘나드는 외계 행성 탐사에 관한 전부라고 할 수 있죠. 1부 무중력과 인공위성의 중력을 느낀다고 할 때 우리는 지구가 당기는 중력을 느끼지 않고 바로 이 ‘중력이 대항하는 힘’을 느끼는 거리라고 합니다.
따라서 자유낙하할 경우 무중력을 경험하게 되고, 다음에 설명하는 탄도우주비행, 제로-G 무중력 체험비행, 그리고 대포알 비행으로 발생하게 됩니다.
지구에서 400Km 상공 초속 7.7킬로미터로 지표면과 평행한 방향으로 날아가는 ISS 우주 정거장도 지구에 계속 자유 낙고 있어 무중력 상태가 되네요. 아래 설명과 같네요. 지구에서 400Km 상공 초속 7.7킬로미터로 지표면과 평행한 방향으로 날아가는 ISS 우주 정거장도 지구에 계속 자유 낙고 있어 무중력 상태가 되네요. 아래 설명과 같네요.
2부 태양계 우주탐사 인공위성처럼 지구 주위를 공전시킬 수 있는 최소한의 발사 속도는 초속 7.9킬로미터로, 이를 ‘제1우주속도’라고 하고, 우주선이 지구의 중력을 탈출 속도인 ‘제2우주속도’는 초속 11.2킬로미터죠. 한편, 달에 도달하기 위한 초속 11.1 킬로미터인 것이군요. 2부 태양계 우주탐사 인공위성처럼 지구 주위를 공전시킬 수 있는 최소한의 발사 속도는 초속 7.9킬로미터로, 이를 ‘제1우주속도’라고 하고, 우주선이 지구의 중력을 탈출 속도인 ‘제2우주속도’는 초속 11.2킬로미터죠. 한편, 달에 도달하기 위한 초속 11.1 킬로미터인 것이군요.
다른 행성으로 가기 위해서는 태양의 중력을 이기기 위해서 더 빠른 속도가 필요하며, 이를 정리하면 다음과 같습니다.
다른 행성으로 가기 위해서는 태양의 중력을 이기기 위해서 더 빠른 속도가 필요하며, 이를 정리하면 다음과 같습니다.
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그러나 지구의 공전 속도를 이용하여 태양계의 다른 행성으로 가면 초기 속도는 훨씬 줄어들며 다음과 같습니다.
그러나 지구의 공전 속도를 이용하여 태양계의 다른 행성으로 가면 초기 속도는 훨씬 줄어들며 다음과 같습니다.
행성의 중력을 이용한 중력 지원(Swingby)으로 속도를 늘리거나 줄여 방향을 바꿀 수도 있지요. 행성의 중력을 이용한 중력 지원(Swingby)으로 속도를 늘리거나 줄여 방향을 바꿀 수도 있지요.
로켓 추진으로 늘어난 속도를 뜻하는 속도 증분은 러시아 과학자인 치올코프스키가 1897년에 발견한 다음 로켓 방정식으로 계산할 수 있지요. 로켓 추진으로 늘어난 속도를 뜻하는 속도 증분은 러시아 과학자인 치올코프스키가 1897년에 발견한 다음 로켓 방정식으로 계산할 수 있지요.
이론상 궁극의 에너지 생산방식은 물질과 반물질이 만나 소멸되어 에너지를 만드는 방식을 생각할 수 있는데, 이는 질량에너지 등가원리 때문에 다음과 같이 계산할 수 있지요. 이론상 궁극의 에너지 생산방식은 물질과 반물질이 만나 소멸되어 에너지를 만드는 방식을 생각할 수 있는데, 이는 질량에너지 등가원리 때문에 다음과 같이 계산할 수 있지요.
위 식을 위해 1톤의 광자 로켓으로 초속 100킬로미터의 Δv를 내려면 334그램의 질량이 사라져야 한다.
플루토늄-2391킬로그램이 핵분열하면 0.9그램의 질량이 사라져 에너지를 만듭니다.
따라서 334그램의 질량이 사라지려면 370킬로그램의 플루토늄 239가 필요하고, 이는 1톤의 전체 광자 로켓의 37%를 차지하고 있지요. 궁극의 에너지를 이용한 반물질과 물질 각각 167g으로 초속 100km의 속도를 만들 수 있는데, 이는 나가사키에 투하한 핵폭탄 334개의 에너지와 맞먹습니다.
3부 소행성과 혜성, 그리고 지구 방위 6600만 년 전에 공룡을 멸망시킨 소행성이 남긴 멕시코 유카단 크레이터의 크기는 직경 150킬로미터로, 직경 17킬로미터로 계산되어 있지요. 소행성이 지구와 부딪히는 속도의 원동력은 지구와 태양의 중력으로 지구의 중력 탈출 속도인 초속 11.2킬로미터로, 지구에 가까워지면서 충돌할 경우 지구의 중력에 이끌리는 속도 때문에 초속 16.7킬로미터로 지구와 충돌하게 되죠. 따라서 공룡을 멸망시킨 직경 17킬로미터의 암석 소행성이 초속 11.2킬로미터로 지구와 충돌할 때는 나가시키 투하의 핵폭탄 47억 개가 폭발하는 에너지와 맞먹으며, 얼음 소행성이 충돌하면 핵폭탁 18억 개와 맞먹는 에너지라고 합니다.
만약 초속 16.7킬로미터로 지구와 충돌한다면 암석 소행성은 나가사티의 핵폭탄 에너지의 105억 배, 얼음 소행성의 경우 40억 배로 계산된다고 합니다.
질량 4,000만 톤의 아포피스는 2029년 4월 13일에 지구에서 3만 2,000킬로미터 이내에 접근한다고 하는데 지구와 초속 12.6킬로미터로 충돌하면 나가사키의 핵폭탄 3만 5,000개가 폭발하는 에너지와 맞먹으며 이는 한반도 크기의 모든 건물을 완전히 파괴할 수 있는 에너지라고 하니 엄청난 파괴력이네요. 4부장 기간 유인 우주 탐사에 필요한 인공 중력 지구와 화성의 거리는 약 5500만 킬로미터로 지구에서 달까지의 거리에 140배 이상 떨어져 있네요. 화성탐사선 퍼시비어런스가 화성까지 204일 정도 걸리고 지구 화성 전이궤도로 가면 240일 정도 걸리고 우주선은 이 기간 거의 추진력 없이 관성으로 날아 우주선은 무중력 상태가 되지요. 위 식을 위해 1톤의 광자 로켓으로 초속 100킬로미터의 Δv를 내려면 334그램의 질량이 사라져야 한다.
플루토늄-2391킬로그램이 핵분열하면 0.9그램의 질량이 사라져 에너지를 만듭니다.
따라서 334그램의 질량이 사라지려면 370킬로그램의 플루토늄 239가 필요하고, 이는 1톤의 전체 광자 로켓의 37%를 차지하고 있지요. 궁극의 에너지를 이용한 반물질과 물질 각각 167g으로 초속 100km의 속도를 만들 수 있는데, 이는 나가사키에 투하한 핵폭탄 334개의 에너지와 맞먹습니다.
3부 소행성과 혜성, 그리고 지구 방위 6600만 년 전에 공룡을 멸망시킨 소행성이 남긴 멕시코 유카단 크레이터의 크기는 직경 150킬로미터로, 직경 17킬로미터로 계산되어 있지요. 소행성이 지구와 부딪히는 속도의 원동력은 지구와 태양의 중력으로 지구의 중력 탈출 속도인 초속 11.2킬로미터로, 지구에 가까워지면서 충돌할 경우 지구의 중력에 이끌리는 속도 때문에 초속 16.7킬로미터로 지구와 충돌하게 되죠. 따라서 공룡을 멸망시킨 직경 17킬로미터의 암석 소행성이 초속 11.2킬로미터로 지구와 충돌할 때는 나가시키 투하의 핵폭탄 47억 개가 폭발하는 에너지와 맞먹으며, 얼음 소행성이 충돌하면 핵폭탁 18억 개와 맞먹는 에너지라고 합니다.
만약 초속 16.7킬로미터로 지구와 충돌한다면 암석 소행성은 나가사티의 핵폭탄 에너지의 105억 배, 얼음 소행성의 경우 40억 배로 계산된다고 합니다.
질량 4,000만 톤의 아포피스는 2029년 4월 13일에 지구에서 3만 2,000킬로미터 이내에 접근한다고 하는데 지구와 초속 12.6킬로미터로 충돌하면 나가사키의 핵폭탄 3만 5,000개가 폭발하는 에너지와 맞먹으며 이는 한반도 크기의 모든 건물을 완전히 파괴할 수 있는 에너지라고 하니 엄청난 파괴력이네요. 4부장 기간 유인 우주 탐사에 필요한 인공 중력 지구와 화성의 거리는 약 5500만 킬로미터로 지구에서 달까지의 거리에 140배 이상 떨어져 있네요. 화성탐사선 퍼시비어런스가 화성까지 204일 정도 걸리고 지구 화성 전이궤도로 가면 240일 정도 걸리고 우주선은 이 기간 거의 추진력 없이 관성으로 날아 우주선은 무중력 상태가 되지요.
무중력 상태에서 장기간 우주 여행을 하는 것은 건강에 좋지 않은 영향을 미칩니다.
이 문제를 해결하려면 우주선 안에 인공중력을 만들어야겠네요. 인공중력은 우주선을 회전시켜 만들 수 있으며, 이는 반경의 크기와 돌아가는 속도 때문에 결정되며, 지구와 비숙한 중력을 만들기 위해서는 아래 그림과 같은 반경과 속도가 나와야 합니다.
무중력 상태에서 장기간 우주 여행을 하는 것은 건강에 좋지 않은 영향을 미칩니다.
이 문제를 해결하려면 우주선 안에 인공중력을 만들어야겠네요. 인공중력은 우주선을 회전시켜 만들 수 있으며, 이는 반경의 크기와 돌아가는 속도 때문에 결정되며, 지구와 비숙한 중력을 만들기 위해서는 아래 그림과 같은 반경과 속도가 나와야 합니다.
5부 외각 천체를 찾는 1995년 마요르 교수와 케로 교수는 페가수스자리에 위치한 51페가수스의 별빛 스택트램에서 청색편이와 적색편이를 관측해 51페가수스에서 평균 788만 킬로미터 떨어져 있어 목성보다 크지만 질량은 절반 정도인 51페가수스 b 행성을 발견했습니다.
이 발견으로 2019년 노벨 물리학상을 수상하였으며, 이 내용을 요약하면 다음과 같습니다.
5부 외각 천체를 찾는 1995년 마요르 교수와 케로 교수는 페가수스자리에 위치한 51페가수스의 별빛 스택트램에서 청색편이와 적색편이를 관측해 51페가수스에서 평균 788만 킬로미터 떨어져 있어 목성보다 크지만 질량은 절반 정도인 51페가수스 b 행성을 발견했습니다.
이 발견으로 2019년 노벨 물리학상을 수상하였으며, 이 내용을 요약하면 다음과 같습니다.
은하는 은하 중심을 축으로 돌지만 지구에서 멀어지는 별은 적색편이를 가까이 하는 별은 청색편이 나타납니다.
이를 통해 속도를 알 수 있습니다.
그런데 은하에서 먼 별은 물리학 이론으로 계산한 속도는 충분히 작아야 하지만 실제 측청 속도는 줄어들지 않아 암흑물질의 존재를 가정해야 하는 관측 결과가 나옵니다.
백색왜성이 폭발해 만들어지는 Ia 초신성은 밝기가 일정한 것으로 알려져 있습니다.
따라서 지구에서 보이는 밝기를 측정하면 거리를 알 수 있고, 적색편이를 측정하여 지구에서 멀어지는 정도를 계산할 수 있습니다.
이를 계산한 결과 우주는 가속 팽창하는 것으로 나타났으며, 암흠 에너지의 존재를 가정해야만 설명이 가능했습니다.
가속 팽창하는 우주를 관측한 공로로 팔머터, 슈미트, 리스는 2011년 노벨 물리학상을 수상했습니다.
지난 2016년 2월 5000㎞ 떨어진 미국 두 곳에 설치된 레이저 간섭계 중력파 관측소인 라이고(LIGO)를 통해 중력파를 관측해 노벨 물리학상을 수상하게 됩니다.
이 책은 중력파 관측 데이터의 분석을 자세히 설명하고 있는데, 태양질량의 36배 및 29배인 블랙홀이 합쳐져 태양질량의 62배인 블랙홀이 만들어졌고, 태양질량의 3배가 사라져 중력파를 만들어냈다고 합니다.
6부 특수상대성이론에서 푸는 외계행성 유인탐사 특수상대성이론에 의해 속도가 빨라지면 시간은 천천히 흘러갑니다.
이를 통해 가장 가까운 별인 프록시마 센터와 북극성 및 안드로메다 은하까지의 여행 시간을 우주선의 속도에 따라 계산하면 다음과 같습니다.
은하는 은하 중심을 축으로 돌지만 지구에서 멀어지는 별은 적색편이를 가까이 하는 별은 청색편이 나타납니다.
이를 통해 속도를 알 수 있습니다.
그런데 은하에서 먼 별은 물리학 이론으로 계산한 속도는 충분히 작아야 하지만 실제 측청 속도는 줄어들지 않아 암흑물질의 존재를 가정해야 하는 관측 결과가 나옵니다.
백색왜성이 폭발해 만들어지는 Ia 초신성은 밝기가 일정한 것으로 알려져 있습니다.
따라서 지구에서 보이는 밝기를 측정하면 거리를 알 수 있고, 적색편이를 측정하여 지구에서 멀어지는 정도를 계산할 수 있습니다.
이를 계산한 결과 우주는 가속 팽창하는 것으로 나타났으며, 암흠 에너지의 존재를 가정해야만 설명이 가능했습니다.
가속 팽창하는 우주를 관측한 공로로 팔머터, 슈미트, 리스는 2011년 노벨 물리학상을 수상했습니다.
지난 2016년 2월 5000㎞ 떨어진 미국 두 곳에 설치된 레이저 간섭계 중력파 관측소인 라이고(LIGO)를 통해 중력파를 관측해 노벨 물리학상을 수상하게 됩니다.
이 책은 중력파 관측 데이터의 분석을 자세히 설명하고 있는데, 태양질량의 36배 및 29배인 블랙홀이 합쳐져 태양질량의 62배인 블랙홀이 만들어졌고, 태양질량의 3배가 사라져 중력파를 만들어냈다고 합니다.
6부 특수상대성이론에서 푸는 외계행성 유인탐사 특수상대성이론에 의해 속도가 빨라지면 시간은 천천히 흘러갑니다.
이를 통해 가장 가까운 별인 프록시마 센터와 북극성 및 안드로메다 은하까지의 여행 시간을 우주선의 속도에 따라 계산하면 다음과 같습니다.
수소 핵융합 시 질량의 0.7%가 소멸하고 에너지로 변화합니다.
이를 고려하여 10톤 우주선을 외계행성거리 15광년에서 250만 광년의 거래까지 필요한 연료질량을 포함한 우주선 질량과 속도에 따른 편도 여행시간은 다음과 같습니다.
수소 핵융합 시 질량의 0.7%가 소멸하고 에너지로 변화합니다.
이를 고려하여 10톤 우주선을 외계행성거리 15광년에서 250만 광년의 거래까지 필요한 연료질량을 포함한 우주선 질량과 속도에 따른 편도 여행시간은 다음과 같습니다.
마지막으로 완벽한 효율의 광자 로켓을 사용할 경우 10톤의 우주선을 거래별로 필요한 연료질량을 포함한 우주선 질량과 우주여행 시간은 다음과 같습니다.
마지막으로 완벽한 효율의 광자 로켓을 사용할 경우 10톤의 우주선을 거래별로 필요한 연료질량을 포함한 우주선 질량과 우주여행 시간은 다음과 같습니다.
7부의 결론, 이 책을 통해서 여러분도 현대 물리학을 통한 행성 탐사와 외계 행성 탐사를 상상할 수 있겠네요. 지구에서 가장 가까운 거주 가능한 행성인 화성조차도 240일이라는 매우 장기간의 우주여행이 필요했고, 인류가 우주여행 기간 동안 건강을 유지하기 위해 지구의 중력과 같은 조건을 만들면서 여행하는 것은 매우 어렸지요. 또한 외계 행성에 가기 위한 방대한 양의 연료를 생각하면 거의 불가능하다는 생각이 들어서 지구에서 벗어날 수 없을 것 같습니다.
우리 지구 행성의 환경을 보호하면서 오랫동안 우리와 우리 후손들의 삶을 이어가야 할 것 같네요. ^^ 7부의 결론, 이 책을 통해서 여러분도 현대 물리학을 통한 행성 탐사와 외계 행성 탐사를 상상할 수 있겠네요. 지구에서 가장 가까운 거주 가능한 행성인 화성조차도 240일이라는 매우 장기간의 우주여행이 필요했고, 인류가 우주여행 기간 동안 건강을 유지하기 위해 지구의 중력과 같은 조건을 만들면서 여행하는 것은 매우 어렸지요. 또한 외계 행성에 가기 위한 방대한 양의 연료를 생각하면 거의 불가능하다는 생각이 들어서 지구에서 벗어날 수 없을 것 같습니다.
우리 지구 행성의 환경을 보호하면서 오랫동안 우리와 우리 후손들의 삶을 이어가야 할 것 같네요. ^^