중력을 조작하기: 과학 소설인가 현실인가?

추진제 없이 추진?

로켓은 추진제를 고속으로 뒤로 분출해 반대 방향의 추력을 얻습니다. 이 원리는 제2차 세계대전의 V2보다 훨씬 이전부터 알려져 있었습니다.

오늘날 화학 로켓과 전기추진 우주선도 대부분 운동량을 외부로 전달하는 방식으로 움직입니다. 태양돛처럼 빛의 운동량을 이용하는 다른 방식도 있습니다.

추력은 추진제의 질량 유량과 배기 속도 등에 좌우됩니다. 로켓 방정식은 이상적인 속도 변화량을 배기 속도와 초기·최종 질량의 비로 설명합니다. 추진제를 운반하는 데에도 추진제가 필요하다는 제약을 흔히 ‘로켓 방정식의 폭정’이라고 부릅니다.

발사체의 설계에 따라 다르지만, 추진제가 초기 질량의 약 90% 또는 그 이상을 차지할 수 있습니다. 나머지 질량을 구조물, 엔진, 시스템과 탑재체에 배분해야 하므로 설계가 어렵습니다.

그렇다면 추진제를 싣지 않는 대안은 가능할까요? 태양돛처럼 외부와 운동량을 교환하는 방식과, 아무런 외부 교환 없이 추력을 얻는 이른바 무반작용 추진은 구별해야 합니다.

일부 연구자는 비전통적인 설명과 실험을 제안하지만, 측정 이상만으로 중력 제어나 운동량 보존 법칙의 위반이 입증되지는 않습니다.

한 사례는 존 브랜던버그 박사 가 2024년 8월 31일 APEC 추진 콘퍼런스에서 발표한 「중력 수정 실험의 설명과 결과」입니다.

반중력 주장은 어떻게 검증해야 할까

연구자의 경력과 증거

반중력이라는 표현은 공상과학에서도 자주 등장합니다. 과학적 평가에서는 표현의 낯섦보다 측정 방법, 오차, 대조 실험과 독립 재현 여부가 중요합니다.

브랜던버그는 플라스마와 추진 분야에서 활동한 물리학자입니다.

그의 약력에는 핵융합 연구와Lawrence Livermore National Laboratory 및 Sandia Labs 에서의 연구 경력이 소개되어 있습니다. 다만 경력이나 보안 인가가 특정 반중력 주장을 검증해 주는 것은 아닙니다.

그는 또한 마이크로파 전기열 추진기(MET)개발에 참여했습니다. MET는 마이크로파로 추진제를 가열해 분출하는 장치이므로 추진제 없는 엔진이 아닙니다.

출처: URA Thrusters

관련 경력은 연구의 배경을 이해하는 데 도움이 되지만, 새로운 주장은 실험적 증거로 별도로 평가해야 합니다.

중력·전자기 통합 가설 GEM

기본 힘

현대 물리학은 중력, 전자기력, 강한 상호작용, 약한 상호작용이라는 네 가지 기본 상호작용을 구분합니다. 중력과 전자기력은 장거리에서 작용하며, 강력과 약력은 주로 매우 짧은 거리에서 나타납니다.

출처: ResearchGate

브랜던버그의 GEM은 중력과 전자기를 하나의 틀로 설명하려는 비주류 통합 가설입니다. 일반상대성이론의 약한 장 근사에서 사용하는 중력전자기학과 동일하게 받아들여서는 안 됩니다.

기본 상호작용을 통합하려는 연구에는 긴 역사가 있습니다. 예를 들어 전기와 자기를 전자기학으로 통합한 19세기 의 발전과 이후의 전자기력과 약한 상호작용을 연결한 전기약 이론이 있습니다. 관련 연구는 1979년 과 1999년노벨 물리학상을 받았습니다. 1999년 상은 전기약 이론의 양자적 구조를 밝힌 공로에 수여되었습니다.

중력과 전자기의 유사성과 차이

GEM의 수학적 세부 사항은 이 글의 범위를 벗어납니다. 뉴턴 중력과 정전기력의 일부 식에는 형식적 유사성이 있지만, 그것만으로 두 상호작용이 동일하다고 결론 내릴 수는 없습니다.

점질량 사이의 뉴턴 중력과 점전하 사이의 정전기력은 거리 r의 제곱에 반비례하는 1/r² 법칙을 따릅니다. 거리 자체에 단순히 반비례하는 것은 아닙니다.

출처: Mr. Naga Physics

이런 유사성은 가설을 검토할 동기가 될 수 있지만, 새로운 이론에는 기존 관측과 일치하는 정량적 예측이 필요합니다.

브랜던버그는 이 주제로 여러 발표와 논문을 내놓았습니다. 아래는 원문 서지 제목입니다.

• “The Problem of Weak and Strong Nuclear Forces and Prediction of the Higgs-Boson Mass using the GEM (Gravity Electro-Magnetism) Unification Theory” STAIF II, Albuquerque, NM February (2012).
• “A Derivation of the Newton Gravitation Constant and the Proton Mass From the GEM Unification Theory of Baryon-Genesis.” Journal of Cosmology Volume 17, 2011.
• “The Value of the Gravitation Constant and its Relation to Cosmic Electrodynamics,” IEEE Transactions On Plasma Science, Plasma Cosmology Issue Vol. 35, No. 4. p845.

왜 논란이 되는가?

이 접근법의 일부 주장은 현재 검증된 중력 이론과 상당히 다른 예측을 내놓습니다.

그의 해석에는 중력상수 G가 특정 조건에서 달라질 수 있다는 주장이 포함됩니다. 이는 현재 확립된 결과가 아닙니다.

반중력이나 음의 중력에 관한 주장도 별도의 검증이 필요합니다. 그러한 효과가 관측되었다고 학계가 인정한 상태는 아닙니다.

다른 비주류 우주론의 사례로는 프랑스 플라스마 연구자 장피에르 프티의 야누스(Janus) 모형이 있습니다. 이 모형은 서로 다른 종류의 질량과 중력 상호작용을 제안하지만, 표준 우주론을 대체하는 것으로 확립되지 않았습니다. 학계의 반응만으로 모형의 진위를 판단할 수는 없습니다.

기존 물리학을 크게 바꾸는 주장일수록 체계적인 오차 배제와 독립적인 재현이 중요합니다.

무게 변화인가, 반중력인가?

브랜던버그는 헬륨 풍선, 소형 모터 부품, 가는 전선과 끈 등을 사용한 실험을 소개했습니다.

출처: ResearchGate

출처: ResearchGate

그는 전류를 인가했을 때 약 150mg의 질량에 해당하는 무게 감소가 나타났으며, 8초 자기 펄스가 6초 펄스보다 큰 효과를 냈다고 보고했습니다. 이는 질량 자체가 줄었다는 뜻이 아니며, 자기력·정전기력·부력·열·진동 등의 영향을 배제해야 중력 변화로 해석할 수 있습니다.

출처: ResearchGate

다른 연구

그는 또한 브라질 연구진이 보고한 레이저 조사에 따른 무게 변화 (Elio B. Porcelli·Victo dos Santos Filho)를 언급했습니다. 이 연구의 측정과 해석 역시 반중력의 확증으로 받아들여서는 안 됩니다.

별도로, 정전기적 추진 효과를 주장한 연구도 있으며, 그중에는 NASA에서 정전기 분야 연구 경력이 있는 찰스 뷸러 박사의 민간 연구가 있습니다. NASA 경력이 NASA의 검증이나 공식 지지를 뜻하지는 않습니다.

뷸러 연구진은 2016년 매우 작은 효과를 측정했고 이후 장치에서 최대 약 1g에 해당하는 힘을 얻었다고 주장했습니다. 여기서 g는 가속도의 단위로 쓰인 것이며 에너지량이 아닙니다. 이러한 주장은 독립적인 검증이 필요합니다.

이런 보고를워프 드라이브나 광속 초과(FTL) 추진의 가능성과 연결하는 것은 아직 추측입니다. 실제로 작동하는 워프 또는 FTL 엔진이 입증된 것은 아닙니다.

브랜던버그의 결과는 검증되지 않은 실험 보고입니다. 장치가 단순해 보이더라도 재현에는 정밀한 측정과 체계적인 대조 실험이 필요합니다.

다른 연구진이 무게 변화가 재현되는지, 재현된다면 어떤 힘이나 오차로 설명되는지 확인하는 것이 다음 단계입니다.

과학사의 교훈과 한계

주장이 매우 큰 만큼 신중한 검토가 필요합니다. 흥미로운 측정과 설명이 확립된 발견은 구분해야 합니다.

과학의 통설은 새로운 증거로 바뀔 수 있습니다. 갈릴레오와 지동설의 역사는 그런 변화의 사례지만, 과거의 변화가 특정 현대 가설을 뒷받침하지는 않습니다.

잘 알려진 과학자들도 미래를 잘못 예측하거나 새로운 해석에 반대한 적이 있습니다.

• Albert Michelson은 정밀한 광학 측정과 에테르 가설 검증에 기여했으며 1907년 노벨 물리학상을 받았습니다. 그와 관련해 자주 인용되는 역사적 발언은물리학의 기본 원리가 이미 발견되었고 이후에는 정밀도를 높이는 일이 남았다는 취지로 소개됩니다. 정확한 인용과 맥락은 주의해서 확인해야 합니다.
  • 그 뒤 상대성이론과 양자역학이 발전해 물리학의 범위를 크게 넓혔습니다.
• 19세기의 저명한 물리학자 켈빈 경도 항공의 미래에 회의적인 견해를 밝혔고,풍선이나 비행기, 활공기가 실용적으로 성공할지 의문을 제기했습니다.
  • 그러나 라이트 형제의 동력 비행을 비롯한 이후의 발전은 당시의 예상을 뛰어넘었습니다.
• 한편, 아인슈타인은 양자역학의 확률적 해석에 비판적이었습니다. 그렇다고 양자물리학 자체를 부정한 것은 아니며, 그 자신도 양자이론에 중요한 공헌을 했습니다.

이러한 사례의 교훈은 새로운 주장을 무조건 수용하거나 거부하라는 것이 아니라, 재현 가능한 증거로 평가해야 한다는 것입니다.

다른 이색 추진 시스템

반중력 추진이 입증되지는 않았지만, 알려진 물리학에 기반한 여러 대안적 추진 방식은 실제 연구 대상입니다.

오리온 프로젝트

1950년대 후반의 오리온 프로젝트는 핵폭발의 펄스를 이용하는 추진 개념이었습니다.

우주선 뒤에서 작은 핵폭발을 반복하고 충격을 받는 판을 통해 운동량을 전달한다는 구상이었습니다. 높은 성능이 제안되었지만 실용 우주선으로 운용된 적은 없습니다.

출처: NASA

이 방식은 높은 배기 속도와 큰 추력을 동시에 추구했지만, 핵폭발의 영향, 구조적 내구성, 안전성과 정치적 제약 등 큰 난제가 있었습니다.

프로젝트가 중단된 배경에는 여러 요인이 있었고, 1963년 부분적 핵실험 금지 조약이 우주에서의 핵폭발을 금지한 점도 중요한 제약이었습니다.

핵열 추진

핵에너지를 활용하는 다른 방법은 핵열 추진

입니다. 원자로가 수소 같은 추진제를 가열하고 이를 노즐로 고속 분출합니다. 추진제가 반드시 플라스마가 되어야 하는 것은 아닙니다.

높은 배기 속도는 비추력을 높여 같은 추진제 질량으로 더 큰 속도 변화를 얻는 데 유리합니다. 다만 실제 추력은 질량 유량 등에도 좌우됩니다.

달과 화성 탐사를 위해 NASA는 이 개념을 다시 연구해 왔습니다. 2021년에는 각각 약 500만 달러 규모의 계약을 BWX Technologies (BWXT ), General Atomics, Ultra Safe Nuclear Technologies가 이끄는 세 연구팀에 수여해 원자로 개념을 검토했습니다.

한편, 전기장으로 이온을 가속하는 이온 추진기와 홀 효과 추진기는 이미 여러 우주 임무에 사용되었습니다. 전기를 쓰더라도 분출할 추진제가 필요합니다.

레이저와 태양돛

우주선에 추진제를 싣지 않는 방법으로는 빛의 운동량을 이용하는 돛이 있습니다.

태양돛은 실제 우주에서 시험되었으며 , 태양광 압력으로 작은 우주선의 궤도를 바꿀 수 있음이 입증되었습니다.

더 발전된 개념은 지상이나 우주에 설치한 강력한 레이저로 돛을 미는 것입니다. 우주선이 추진제를 싣지 않아도 되지만, 가속 가능한 거리와 시간은 빔의 확산, 출력, 조준 정밀도와 돛의 내열성 등에 제한됩니다.

대규모 레이저 추진망에는 충분한 전력원과 방열·통신·정밀 추적 기반 시설이 필요합니다. 우주 태양광 발전은 가능한 전력원 중 하나로 제안됩니다.

관련 우주 에너지 구상은 다음 글에서 다룹니다. 「지속 가능한 청정에너지를 위한 우주 기반 에너지 해법」.

펄스 융합

핵분열과 달리 핵융합을 이용해 추력을 얻는 방식도 연구되고 있지만, 아직 개발 단계입니다.

일부 실험에서 표적 기준의 융합 에너지 이득이 달성되었어도 전체 시설의 순전력 생산과는 다릅니다. 관련 내용은 「핵융합: 궁극의 청정에너지 해법은 얼마나 가까운가」에서 다룹니다.

발전용 핵융합에서는 반응을 유지하고 시설 전체가 소비하는 에너지보다 많은 유용한 에너지를 얻는 것이 중요합니다.

추진용 시스템은 평가 기준이 다를 수 있지만, 단순히 추력만 내면 충분한 것은 아닙니다. 전력원, 방열기, 추진제, 질량과 임무 성능을 함께 비교해야 합니다.

외부 전력으로 구동하는 방식도 가능성은 있으나, 융합 에너지 수지가 음수라는 사실만으로 다른 추진기보다 유리하다고 할 수는 없습니다.

Helicity Space는 짧은 플라스마 펄스를 합치고 압축해 핵융합 추진을 실현하려는 스타트업입니다.

전 NASA 에임스 연구센터 소장 피트 워든은 Helicity의 기술이 태양계 전반에 대한 접근을 넓히고 장기적으로 가까운 별까지의 임무에 기여할 가능성을 언급했습니다. 이는 개발 비전이며 입증된 성능은 아닙니다.

출처: Helicity

우주에 투자하기

우주산업은 재사용 로켓, 위성 서비스와 관련 기술로 변화하고 있습니다. 관련 시장을 다룬 글은 「재사용 로켓의 비용 절감이 열 수 있는 새로운 시장」입니다.

여기에 인용된 약 4,430억 달러의 우주시장 규모는 특정 시점과 범위에 따른 추정치입니다. 우주관광이나 극초음속 비행에서 추가로 약 3,500억 달러의 시장이 생길 수 있다는 전망과 약 170억 달러 규모의 위성 인터넷 전망도 제시되었지만, 서로 다른 기간과 정의를 사용한 전망을 현재 매출처럼 합산해서는 안 됩니다. 군사·달 탐사·과학 임무 역시 서로 다른 시장입니다.

관련 기업에 투자할 수 있는 증권사를 검토하려면 이 사이트의 국가별 안내를 참고할 수 있습니다. 미국, 캐나다, 호주, 영국, 및 여러 다른 국가.

개별 기업 대신 더 넓은 항공우주 분야에 투자하려면 다음 글의 ETF를 검토할 수 있습니다. 「투자를 검토할 항공우주 ETF 다섯 가지」에는 ARK Space Exploration & Innovation ETF (ARKX) 와 VanEck Space Innovators UCITS ETF (JEDI) 등이 소개됩니다. 펀드별 보유 종목과 비용, 위험은 다릅니다.

우주 탐사에 관한 다른 글로는 「미래의 우주 기반 경제」, 「우주 인프라: 하늘로 향하는 기반 시설」, 「우주 기반 청정에너지 해법」가 있습니다.

혁신적인 추진 기업

핵융합 관련 신생기업은 대부분 비상장사입니다. 관련 연구나 투자를 진행한 상장기업의 한 예는 Lockheed Martin Corporation (LMT )로, 대형 방위산업체입니다.

록히드마틴은 2010년대 초부터 소형 핵융합로를 연구하며 한때 2020년대 실용화를 목표로 제시했습니다. 이후 2021년 프로젝트가 중단되었다는 보도가 나왔습니다.

초기 발표 이후 공개 정보는 제한적이었으며, 중단 이유를 공개 자료만으로 단정할 수는 없습니다.

한편 록히드마틴의 벤처 투자 부문은 2024년 핵융합 추진을 개발하는 Helicity에 투자했습니다.Helicity의 펄스 융합 연구는 록히드마틴의 과거 발전용 핵융합로와 구별되는 사업입니다.

출처: Helicity

투자 사실만으로 록히드마틴 내부 실험이 어떤 결과를 냈는지 알 수는 없습니다.

펄스 추진이 연속 발전보다 먼저 상용화될지도 아직 불확실합니다. 개발 단계의 기술과 검증된 제품을 구분해야 합니다.

록히드마틴은 행성 탐사와 위성 등 우주산업의 여러 분야에서 활동해 왔습니다. 회사는 자사 기술이 여덟 행성 탐사와 300개 이상의 임무 탑재체에 기여했다고 소개합니다.

주요 우주·방위 사업에는 다음이 포함됩니다.

• 오리온 우주선 : 앞서 소개한 핵펄스 오리온 프로젝트와는 별개이며, 아르테미스 유인 달 탐사를 지원하는 우주선입니다.
• GOES-R 시리즈: 차세대 기상위성 사업입니다.
• GPS 위성군 현대화.
• 차세대 요격체(NGI) : 미사일 방어 사업입니다.
• 개발 중인 극초음속 미사일.

록히드마틴은 F-35 전투기 사업의 주계약자이며 Northrop Grumman (NOC )과 BAE Systems (BSP.DE ) 등이 참여합니다. 개발과 생산 과정에서 지연과 기술적 문제가 있었으며, 대량생산 중이라는 사실이 모든 문제가 해결되었다는 뜻은 아닙니다. 수요와 생산능력에 관한 논의도 이어지고 있습니다.

2023년 1분기 부문별 매출은 항공 약 62억 달러, 미사일·사격통제 약 23억 달러였습니다. 후자에는 HIMARS등이 포함됩니다. 회전익·임무 시스템은 약 35억 달러, 우주는 약 29억 달러로 전체 매출은 약 151억 달러였습니다. 회전익·임무 시스템 전체를 헬리콥터 매출로만 해석해서는 안 됩니다.

회사는 또한 사이버 방어 와 해군 체계, 예를 들어이지스 대공방어 체계 및 장거리 대함미사일사업에도 참여합니다.