궤도 엘리베이터(Space Elevator)는 행성 등 표면으로부터 정지 궤도 이상까지 궤도를 가진 엘리베이터가 실현하면 로켓보다 훨씬 저렴한 비용으로 우주에 갈 수 있게 될 것으로 기대되고 있다. 이런 궤도 엘리베이터는 정말 실현 가능할까.
궤도 엘리베이터는 지상과 우주를 연결하는 거대한 엘리베이터 샤프트다. 이를 실현하면 궤도에 가는 로켓에 의존할 필요가 없기 때문에 우주에 가는 비용이 크게 절감될 전망. 궤도 엘리베이터를 건설하려면 압축 강도 강도가 요구되는 일반 건축물과는 전혀 다른 재료가 필요하다. 일반 건축물은 기초 면적을 늘려 고층 정도 체중을 줄이는 것으로 무게 문제를 정리한다. 극단적인 예가 피라미드다. 세계에서 가장 높은 초고층 빌딩인 부르즈 할리파도 마찬가지다.
한편 궤도 엘리베이터는 평형이라는 거대한 질량을 가진 끝 부분이 마련되어 있다. 카운터 웨이트는 지구 자전에 의해 외부로 향한 원심력이 소요되는 쉐도 엘리베이터 지주 부분이다. 밧줄은 우주 측에 끌리기 때문에 지구상 건축물처럼 가장 밑바닥 계층에 가장 가중이 걸리는 일은 없다.
궤도 엘리베이터가 안정된 원형 궤도에 유지하려면 원심력과 중력이 어울리는 포인트를 찾을 필요가 있으므로 먼저 원심력과 중력이 알맞게 높이를 계산하는 것이다. 원심력과 중력을 계산하는 도식으로 계산을 해보면 4만 2,168km에서 지구 반지름을 뺀 3만 6,000km가 나온다. 3만 6,000km 높이 구조물을 지상에 건설하는 건 불가능하므로 궤도 엘리베이터 건설은 거대한 위성에서 지상을 향해 밧줄을 늘려가는 방법이 고안되어 잇다. 하지만 밧줄을 지상을 향해 스트레칭으로 무게 중심이 어긋나 위성이 떨어져 버린다. 따라서 밧줄 반대쪽에 카운터 웨이트를 설치해 중심 위치를 유지하면서 밧줄을 늘릴 필요가 있다.
지구에 가까워질수록 중력이 강해 원심력은 약화되기 때문에 지표에 있는 밧줄은 지상 방향 힘이 강하게 걸린다. 한편 우주에 가까워질수록 중력이 약해 원심력이 강하기 때문에 우주를 향한 발줄은 우주 방향의 힘이 강하게 걸린다. 이렇게 하면 표면 밧줄과 우주 밧줄 중심점은 상당히 강한 힘으로 잡아당긴다. 이를 계산식에 넣어보면 최대 인장 응력은 382기가파스칼이 나온다. 강의 강도보다 240배나 된다.
하지만 강철보다 밀도가 낮으면 필요한 인장 응력을 줄일 수 있다. 또 밧줄은 지상과 카운터 웨이트 부근에선 거의 힘이 들지 않기 때문에 그만큼 체중을 줄일 수 있다. 만일 가장 얇은 곳을 5밀리로 가정하고 굵은 부분 직경을 계산해보면 강철을 쓴다면 가장 굵은 부분 직경은 1.76×1054라는 결과가 나온다. 8.8×1026m라는 이론상 우주보다 훨씬 두꺼운 강철이 필요하다는 결과가 나온다. 다시 말해 철강이라면 궤도 엘리베이터를 건설하는 건 불가능하다는 얘기다.
탄소섬유 복합 재료라면 굵기는 170m, 케블라 섬유는 굵기 80m가 나오지만 두께 80m짜리 케블라 섬유를 만드는 건 현실적이라고 말할 수 없다. 만일 만들겠다고 나서면 비용은 궤도 엘리베이터 장점을 넘어선다.
이런 이유로 궤도 엘리베이터는 실현 가능하냐는 질문에 대한 대답은 만들 소재가 없다는 것이다. 하지만 영원히 불가능이지 않을 수도 있다 궤도 엘리베이터 소재로 유망한 것 중 하나는 카본나노튜브다. 탄소나노튜브의 강도의 경우 최대 인장 응력은 130기가파스칼로 높고 밀도는 1,300kg/m3 밖에 안된다는 것. 하지만 탄소나노튜브 실용화에는 많은 공학적 과제가 기다리고 있다.