[Cosmos] 전자기추진엔진 'EmDrive'에 대한 모든 것!

격주마다 돌아오는 Smileru's Note, 이번 시간에는 Smileru's Cosmos시간으로, 예고해드린대로 논란이 되고 있는 'EmDrive'(ElectroMagnetic Drive)에 대해서 다뤄보고자 합니다. 저도 최근 인터넷에서 관련된 글을 접하고 나서 상당히 관심이 가더라구요. 개인적으로 우주, 과학에 큰 관심을 가지고 있기도 하지만, 어찌되었건 굉장히 신기하잖아요? 뭐 제가 전공자는 아니긴 합니다만, 관련된 정보들을 끌어모으는 정도는 할 수 있지 않을까 싶습니다. 늘 그렇듯 가볍게 읽어주시면 될 듯 합니다. 다 귀찮으시면 바로 '4. 결론 및 정리'로 가셔도 됩니다.

0. 일단 인터넷 글

: 짚고 넘어갈 점

음, 그러고보니 어쩌면 EmDrive와 관련된 논란이 있다는 것 조차 모르시는 분들도 계실것 같네요? 일단 인터넷에 떠돌고 있는 글을 올려 놓고 시작하도록 하겠습니다. 'w'님이 제보해주신 글입니다.

http://www.ppomppu.co.kr/zboard/view.php?id=freeboard&no=3649284

(아래는 링크 내용 중 일부)

간단설명:
운동량 보존법칙에 위배되는 엔진 개발영국과학자 "이거 되는데? 뭐임?"

↓

과학계 "위배되잖아. 안될걸"

↓
중국팀 "이거되는데?"

↓

과학계 "중국이잖아"

↓

미국과학자 "이거되는데? 나사야 해봐"

↓

나사 "이거 되는데?"

1. 영국의 과학자 Roger Shawyer가 전자기파 쓰러스터(자세 제어 분사기)가 작동한는 것 같다고 발표를 한다. 허나 다른 모든 과학자들은 Roger Shawyer의 실험이 기존의 이론들 (상대성이론+@)에 위배된다고 재고 가치가 없다고 주장

2. 근데 Roger Shawyer의 이론을 가지고 중국팀이 EmDrive를 만들었고 실험해보고 720mN의 추진력을 생산했다고 밝힘 허나 중국 팀의 결과는 거의 관심을 얻지 못했다. (서구에서 그것을 믿는 사람이 없었다.)

3.미국의 한 과학자 Guido Fetta가 다시 시도하고 나사에게 이거 해보라고 설득함. 실험 결과는 Celeveland에서 열린 제 50회 Joint Propulsion Conference에서 발표되었고, 놀랍게도 긍정적이였다.

4. 과학계는 충격과 공포에 휩싸임

저 추진력으로 화성까지 일주일이면 간다고 함 ㄷㄷ

일단 짚고 넘어가야 할 부분이 있는데, 인터넷에 돌아다니는 글에서 과학계가 발칵 뒤집혔다거나 과학법칙이 다 무시되는 현상이라는 이야기들은 너무나도 과장된 말입니다. '과학계'라는 표현이 늘 그렇듯 상당히 난해한데요. 이번에는 'NASA'라는 거대한 국가기관도 등장해 논란을 키우고 있긴 합니다. 하지만 NASA의 한 연구팀('Eagleworks')에서 실험결과에 대한 보고서가 나온 것은 사실이어도 그것이 NASA의 공식입장은 아니죠. 또 당장 5명의 연구 결과를 사실인 것처럼 믿는것은 과학적이지 못한 처사입니다. 지난 NASA에서의 비소생명체 논란도 잘못된 분석인 것으로 정리되었고, 최근 일본에서의 유도만능줄기세포 논란도 거짓으로 확인되고 있지 않습니까? 검증을 해 봐야겠죠.

아무튼 사실이 왜곡되거나 과장된 부분들이 정말 많은데, 오늘 하나하나 짚어보도록 하겠습니다. 뭐 인터넷에 저보다 좋은 글들도 많겠습니다만, 저는 최대한 인터넷에서 다른분들이 다루지 않았던 이야기들을 해보려 노력해보겠습니다. ^^

1. EmDrive의 가장 큰 논란

: 운동량 보존법칙

자, 일단 인터넷에 돌아다니는 글 읽어보셨는지요? 위에 올린 글도 괜찮구요. 결국 EmDrive를 요약하면, 밀폐된 금속 깔대기 안에서 Microwave를 쏴주면, 깔대기가 통채로 움직인다는 겁니다. 움직인다는 것은 움직이는 방향으로 힘이 작용한다는 것이죠.

결국 EmDrive의 원리가 무엇인지를 떠나, 이러한 사실 자체만으로 바로 문제가 생기게 됩니다. 바로 '운동량 보존법칙'을 위배한다는 것이죠.

'운동량 보존법칙'은 '에너지 보존법칙'과는 조금 다른 이야기입니다. 음... 영화 '그래비티' 보셨는지요? 보면, 주인공이 한쪽 방향으로 움직이거나 내동댕이 쳐지면, 그냥 허우적 거려서는 그 운동방향을 절대 바꿀 수가 없습니다. 이미 '나'라는 존재 자체가 통채로 움직이고 있는 상황이고, 벽이든 공기든 물이든 뭔가 '딛을 수' 있는 것이 없는 이상 할 수 있는 것이 없죠. 회전을 해도 마찬가지이고, 정지해 있어도 마찬가지입니다.

그래서 뭔가를 '던져야' 합니다. 표현이 이상하지만, 달리기를 할 때도 바닥을 뒤로 밀어내는 것이고, 헤엄을 칠때도 물을 뒤로 내던지거나 차버리는 식으로 이동하는 것이라는 거 잘 알고 계실겁니다. 로켓은 연료를 연소시켜 연소된 가스를 뒤로 내던지며 반대방향으로 이동하는 것이구요. 뭐 다들 잘 아시죠?

"우어어 우주 정거장에서 멀어진다~!"

소화기에서 내뿜을 가스가 없다면?

소화기를 내던지면 되니 안심.ㅋ 소화기가 무거워서 다행.ㅋ

(영화 '그래비티'의 한 장면)

이미 실용화되어 요즘 우주 탐사선에서 널리 활용되고 있는 '이온 엔진'도 결국 무거운 이온들을 뒤로 내던지면서 추진력을 얻는 것인데요. 반대로 내가 뭘 던지지 않고 누가 나한테 뭘 던져줘도 될겁니다. 대표적인 것이 2010년 발사된 일본의 탐사선 '이카로스'입니다. 거대한 금속의 '돛'을 우주에서 펼쳐, 태양에서 날아오는 전자기파의 '복사압'(Radiation pressure)을 받아 이동하는데 성공했죠. 태양에서 쏟아지는 전자기파는 지구에 내리쬐는 빛 또는 Wi-Fi신호와 똑같이 모두 광자로 이뤄져 있고, 동시에 기타 소립자들이 태양에서 쏟아져 나오기 때문에, 그것들이 이카로스의 돛을 때리면서 압력이 작용하게 되죠. 광자처럼 질량이 없는 입자도 운동량을 가지고 있기 때문에 그 운동량이 이카로스의 돛에 전달될 수 있습니다.

이카로스 : "연료없는 인류최초의 태양범선 성공~~! (찡긋)"

그렇다면 EmDrive는 어떨까요? EmDrive 역시 이카로스와 마찬가지로 '복사압'을 이용해서 추진한다고 설명하고 있는데, 차이가 있죠. 이카로스는 태양으로부터 쏟아져 나오는 전자기파와 소립자를 이용합니다. 즉 그 전자기파가 '외부'에서(태양) 공급되는 것이죠. 반면, EmDrive는 밀폐된 구리 깔대기 안에서 전자기파가 쏟아져 나온다는 것입니다.

그게 무슨 차이일까요? 이는 '그래비티'의 주인공이 우주공간에서 허우적 거리는 것과 같은 결과를 낳게 됩니다. 밀폐된 깔대기 안에서 사방으로 반사되는 전자기파(Emdrive에서는 Microwave이용)는 이쪽 저쪽으로 다 작용할 것이기 때문에 특정 방향으로의 움직임을 기대할 수는 없습니다. 우주공간에 떠 있는 깔대기 안에서 반영구적으로 튕기는 탁구공을 사방으로 쏘아댄다고 생각해보세요.

그런데 EmDrive는 움직인다는 겁니다. 일단은 이해가 안되는 것이죠. 물론 EmDrive의 발명자 Roger Shawyer는 운동량 보존법칙을 위배하지 않는 특정 원리로 특정 방향으로의 힘이 작용한다 말하고 있습니다. 아래에서 설명하겠습니다만, 아무튼 일단 딱 보기에는 뉴턴이 정립한 운동의 법칙을 위배하는 것입니다. 고등학교 때 배운 '벡터' 화살표가 가만히 있던 물체에서 쑥 튀어나오는 것과 같거든요.

결국 EmDrive가 위배한다는 과학법칙은 이 '운동량 보존법칙' 하나입니다. 인터넷에서는 Emdrive가 각종 물리법칙을 다 위배하는것처럼 설명하고 있는데 굉장히 과장된 이야기입니다. 일단 '에너지 보존법칙'은 다른 이야기입니다. 물론 운동량이 곧 에너지라 볼 수 있기에 그게 그것입니다만, Microwave를 발생시키는데 사용된 전기에너지만큼 추진력이 발생한다면 넘어갈 수 있는 문제입니다. (Roger Shawyer는 엄청난 추진력이 발생할 것처럼 말하고는 있습니다만...) 아인슈타인의 '상대성이론'과 '고전전자기학'을 위배한다는 이야기도 있지만 역시 위배한다고 표현하긴 어렵습니다. Roger Shawyer는 상대성이론을 이용해 원리를 설명하려 하고 있기 때문에 따져봐야 하는 것이지 '위배한다'고 말할 상황은 아니고, '고전전자기학'은 일부 과학자들이 기존 맥스웰 방정식 등으로 이를 설명하려 하다가 실패했을 뿐인거지 EmDrive가 그를 위배하는 것은 역시 아닙니다. 사실 Roger Shawyer는 EmDrive원리 설명에 맥스웰 방정식을 사용하고 있기도 하지만, EmDrive원리의 기본은 전자기파의 양자적 현상에 집중되어 있기에 고전전자기학은 애초에 운운할 필요가 없을 것 같네요.

"엮지 좀 마라 이 녀석들아"

아무튼 전체적으로 보면, 가장 큰 논란은 일단 현상 자체만으로 위배하는 것처럼 보이는 '운동량 보존법칙' 하나이고, 다른 법칙들은 위배한다기 보다는 따져봐야 하거나 어디서부터 따져봐야 할지도 모르는 상황입니다. 따져보고나면 정말로 위배할 수 있겠지만, EmDrive의 발명자인 Roger Shawyer는 모든 과학법칙을 위배하지 않는다고 주장하고 있고 오히려 그것들이 원리라고 주장하고 있습니다.

2. EmDrive의 성능과 개발상황은?

: 화성까지 1주일은 거짓, 속도는 광속의 70%?

일단은 EmDrive가 맞다고 가정하고 이야기를 이어나가보죠. 지금 EmDrive의 성능은 어느정도이고 개발상황은 어느정도이며, 미래에는 어떻게 활용될 수 있을까요?

우선 인터넷에 떠돌고 있는 EmDrive의 성능과 개발 상황에 대한 이야기 중에 일단 짚어봐야 할 말이 두개 있더군요. '화성까지 1주일 걸린다', '2세대 EmDrive로는 전자렌지 하나 돌릴 전력으로 3톤을 들어올린다' 가 그것인데요.

일단 '화성까지 1주일 걸린다' 라는 말을 처음 던진건 유명한 과학기술잡지 'Wired'(와이어드)로 보입니다. 하지만 직접 확인해보니 1주일이 아니고 몇 주(weeks)라고 써있더군요. 1주일은 굉장히 오버인 것인데.... 그래도 논란이 되고 있는 NASA의 'Eagleworks'팀에서 나온 보고서를 보면, 현수준의 EmDrive로는 (0.4N/kW) 화성까지 두달 내외가 걸린다고 설명하고 있고, 10배정도 성능이 개선되어 추력이 4N/kW이 된다면 한 달안에 화성을 오고갈 수 있을 것이라고 말하고 있습니다. weeks라는 표현은 적절하다고 할 수 있겠지만, 현재 인터넷에서 1주일이라고 하는 것은 과장이라고 보여지네요. 개발되다보면 1주일만에 갈수도 있겠지만 그런 논리라면 한 3일 정도 밖에 안 걸린다고 했으면 더 설레였겠죠? ^^;

뭐 어찌되었건 이렇게만 되도 굉장한 일이긴 하지!

- 화성까지 가는데 몇주 정도만 걸린다는 말이 나온 Wired 기사 원본 링크 (기사 맨 마지막 문단)

- NASA 'Eagleworks'팀의 Emdrive 보고서 링크 (PDF, 20page참고)

그리고 '2세대 Emdrive로는 전자렌지 하나 돌릴 전력으로 3톤을 들어올린다'는 말이 있는데요. 일단 제작자인 Roger Shawyer의 주장이니 그렇다고 받아들일 수 있겠습니다만, 심각한 문제가 있습니다. Roger Shawyer는 2세대 EmDrive 엔진에서는 저 구리 깔대기를 엑체헬륨으로 완전히 감싸 '초전도' 상태를 달성하면 kW당 3톤의 추력이 나올 것이라고 말하고 있다는 겁니다. '초전도'이야기는 빼놓고 이야기가 돌고 있는데 그건 너무 중요한 부분을 간과한 것이죠.

어떻게 '초전도' 상태를 달성하느냐를 생각해 봐야겠죠. Roger Shawyer는 '초전도 기술'(Superconducting Technology)이라고만 말하고 있으나, 가속기(accelator)를 이야기하는 것을 보니 깔대기를 감싸거나 마이크로웨이브 장치를 초전도 상태에서 작동시키는 것 들중 하나이거나 둘 다 일듯 한데요. 어느쪽이든 지금 아주 간단하게 100kg 미만, 아니 수kg으로 설계되어있는 EmDrive에, 극저온 상태를 유지하기 위한 장치들이 달리게 되면 그 무게는 굉장히 커지겠고 전력소모도 커지겠죠? 작은 EmDrive 하나로 자동차를 둥둥 띄울 수 있을 것이라고 생각하기에는 굉장히 무리라는 것입니다. 엑체헬륨을 무한정 들고 다닐 수도 없고요. 아래에서 보시겠지만, Roger Shawyer가 구상한 'Hybrid spaceplane'의 경우에는 차량의 거의 모든 부분이 초전도 장비와 액체산소/헬륨으로 가득 차 있습니다. 이런식이라면 당장은 지금의 1세대 EmDrive를 여러개 장착하는게 훨씬 낫지 않을까 싶네요. 그나저나 구리는 초전도 상태가 되지 않을텐데...

Roger Shawyer가 2009년에 만들었다는 초전도 추진기. 안에 EmDrive가 있는건가? 여튼 이건 초소형.

- 2세대 Emdrive에는 초전도 기술이 필요하다는 Roger Shawyer의 글 링크.

- 초전도 Emdrive에 대한 실제 계산이 들어있는 Roger Shawyer의 2009년 글. (DOC, MSword파일 )

뭐 그런 과장된 이야기들이 있긴 합니다만, EmDrive의 성능은 굉장히 고무적입니다. 사실 제가 주목하고 있는 것은 '최대속도'입니다. 가속력은 이미 중요하지 않습니다. 이미 우주탐사에 널리 사용되는 '이온 엔진'을 뛰어넘거든요. 수십mN의 추력을 보이는 '답답한' 이온엔진도 느리지만 좋다고 잘 써먹고 있는데, EmDrive는 현 수준에서도 이미 수십mN의 추진력을 발생시킴은 물론, 1kW당 수백mN의 힘을 낼 수 있을 것으로 예상되고 있으니, 가속력은 뭐 과분할 정도죠.

앞서 말한대로 그래서 중요한 것이 최대 속도인데요. Roger Shawyer가 그의 논문에서 계산한바에 따르면, EmDrive의 경우는 속도가 0.7118c, 즉 광속의 71%가 될 때까지는 추진력이 계속 발생한다고 설명하고 있습니다. Microwave가 깔대기 앞쪽을 때려야 그 쪽이 힘을 받는데 그 쪽이 너무 빠르게 도망가 버리면 추력이 발생하지 않는다는 계산인데요.

그러한 계산이 맞는지의 여부를 떠나서, 그럼 직접적으로 표현하지는 않았지만 결국 0.7118c까지 속도를 올릴 수 있다는 것인데... 정말 상상을 초월하는 것이죠. 현재 일반적인 화학로켓으로는 제가 알기로는 20km/s 이상을 내는 것이 불가능하고, 이온엔진으로는 현재 50km/s 급 정도의 속도까지 개발된 상황입니다. '운동량 보존법칙'과 같은 과학법칙에 따라 정해진 한계 속도인데, EmDrive는 210000km/s까지 가능하다는 것이니... 된다면 정말 엄청나겠죠?

0.7118c가 넘어서면 오히려 반대방향으로 힘이 작용하게 된다는 계산.

- EmDrive 이론 논문 'V9.4' 링크 (PDF, 해당 내용은 5~6page)

Roger Shawyer는 이런 EmDrive의 사용처를 굉장히 제한하고 있더군요. 소행성 충돌 방지, 통신위성 궤도 유지, 무인우주탐사선 등이 그것인데요. EmDrive의 성능이 저 정도라면 이러고 있을 때가 아니죠. 중력가속도를 이겨낼 정도로만 여러개의 EmDrive를 장착하면 지구에서 곧장 이륙하는 것도 가능할텐데, 화학로켓을 이용해 이륙한 뒤 우주에서 EmDrive를 사용하겠다거나 초전도 장비를 가득 장착하겠다는 이야기를 하고 있으니 제가 다 답답하더군요. ^^;

아니 이 사람아 그냥 엔터프라이즈호가 된다고 왜 말을 못하니!

액체산소(LO2)랑 액체수소(LH2)넣고 뭐하는거야....ㅠㅜ

(이미지 출처 : http://emdrive.com/hybridlaunch.html)

3. EmDrive의 원리

: 이상한 원리, 그리고 이상한 동영상

(1) 군속도 차이? - 이상한 1952년 출처 논문

(2) 깔대기는 어느쪽으로? - 이상한 실험영상과 바뀌는 주장

아무튼 그래서 EmDrive라는 것, 뭔가 굉장한 것으로 보이긴 하죠? 이제는 원리에 대해서 생각해 볼 시간이 된 것 같습니다. 사실 원리를 먼저 이야기했어야 하지 않나 싶습니다만, 글을 쓰면서 생각해보니 이게 뒤에 오는게 맞을 것 같더군요. 이 쪽에서 뭔가 이상한게 많이 발견되서... 일단 구조를 먼저 보죠.

기본적인 구조와 원리는 이미 아실겁니다. 구조는 극도로 단순한데요. 일단 구리로 된 깔대기가 있습니다. (Roger Shawyer의 특허에는 '철'로도 가능한 것으로 써 있더군요) 그리고 전자레인지처럼 Microwave를 발생시키는 부위가 내부에 있습니다. 그리고 그곳에서 Microwave를 발생시키면, 깔대기의 '넓은 쪽으로' 이동하려는 힘이 발생한다는 것입니다. 위의 사진상에서 오른쪽이 앞이 되겠습니다. 로켓 노즐등을 생각하신다면 반대방향이죠? 보통 넓은 쪽으로 가스를 뿜어내며 윗 사진으로 치면 왼쪽으로 날아가는데 말이죠. 또 중요한 것은, 깔대기의 좁은 쪽과 넓은 쪽이 모두 막혀있다는 것입니다. 이것이 결국 '운동량 보존법칙' 논란의 시작이기도 하구요.

아무튼 그럼 어떻게 해서 추진력이 발생하느냐... Roger Shawyer는 자신의 쓴 특허와 논문(모두 정식 게재, 출원, 등록 된 것인지는 모르겠습니다)에서 원리를 설명하고 있는데, 제가 설명을 살짝 덧붙여 간단히 말해보면 다음과 같습니다. 깔대기 끝과 끝의 간격이 파장의 정수배여야 한다는 이야기들도 있긴 하지만, 중요하지 않고 이해가 안되는 것들도 많으니 굳이 언급하진 않겠습니다.

1. Microwave같은 전자기파(EM wave, ElectroMagnetic wave), 즉 광자(Photon)는 운동량을 가지고 있고 빛의 속도로 움직임.

2. Microwave를 비롯한 전자기파는 그 파가 흐르는 관(도파관, EmDrive에서는 깔대기)의 모양에 따라 군속도가 달라짐. 1952년 논문에 나와있음.

3. 그렇다면 깔대기 안에서 Microwave를 발생시킬 경우, 넓은 쪽에서 Microwave의 군속도가 빠르고 좁은 쪽에서는 느려지게 됨.

4. 깔대기의 넓은 쪽이 좁은 쪽보다 Microwave가 벽을 더 세게 치게 되고, 결국 넓은 쪽이 앞으로 이동하는 힘 발생!

그런데 이론에 대해서 알아보다보니 여기에서 이상한 부분들이 굉장히 많더군요. 어려운 내용이 전혀 없고 한글만 이해할 수 있으시면 이해 가능한 부분들이니 한번 잘 읽어보시기 바랍니다. 첫째는 '군속도'(Group velocity)입니다.

(1) 군속도 차이? - 이상한 1952년 출처 논문

Roger Shawyer는 자신이 쓴 논문 V9.2에서 깔대기 안에서 Microwave의 군속도(Group velocity) 차이가 생기고 그것이 힘을 발생시킨다고 말하고 있습니다. 하지만 대학교때 배운대로는 '군속도'라는 것은 여러 파장의 전자기파가 섞여 있을 때 보여지는 겉보기 속도이지 실제 전자기파를 이루는 광자의 속도를 말하는 것은 아닙니다. 광자의 속도는 당연히 저 구리 깔대기 안에서 늘 광속으로 움직이며, 깔대기의 좁은 부분이라고 해서 광자가 좁다고 느리게 움직이는 일은 일어나지 않습니다. 따라서 광자의 운동량은 변화하지 않는다고 봐야 하죠.

초록색은 군속도(group velocity = progation velocity:전파속도)의 움직임, 빨간색은 위상속도의 움직임이다.

파장의 이러한 움직임은 겉보기 움직임일 뿐더러, 입자인 광자의 운동량을 따져야 하는 EmDrive에서는 완전히 별개의 문제다.

(이미지 출처 : Wikipedia)

그래서 Roger Shawyer가 도파관의 모양에 따라 group velocity가 변한다는 내용이 있다는 1952년의 논문을 찾아봤습니다. 한번 보시겠습니까? 그런 내용은 없는 것 같은데.... 그래도 계속 그 논문을 인용하는걸 보면 그렇게 보이는 부분이 있긴 있나봅니다.

- 1952년 논문 링크 'Absolute power measurement at microwave frequencies' (PDF)

- 구글에서 텍스트로 자동 변환한 것 링크 (내용 검색등을 위해)

- Emdrive의 원리 설명과 군속도 변화 내용이 1952년의 논문에 나와있다는 내용의 출처 링크 (Emdrive 홈페이지. Emdrive 논문에서도 해당 논문을 인용하고 있음)

아무튼 중요한건 군속도는 의미가 없다는거에요. 단순히 진공인 깔대기 안에서 광자의 속도가 변화하지 않는다면, 깔대기의 넓은 쪽이든 좁은 쪽이든 광자 한개가 충돌하여 가하는 평균적인 운동량은 같습니다. 그래도 넓은 쪽에 더 많은 광자가 힘을 가하지 않겠냐고 할 수 있겠지만, 설령 그렇다해도 그건 앞서 설명한 우주범선 '이카로스' 수준에 불과하며 지금과 같은 기적의 엔진이 될 수는 없습니다.

또한 깔대기의 '빗면'도 고려를 해야 합니다. 처음부터 그 생각을 했는데 외국에서도 그런 주장이 있더군요. 광자는 넓은 면만을 때리는게 아니라 빗면도 때립니다. 깔대기의 빗면이 넓은 쪽으로 열려있기 때문에, 깔대기를 좁은 쪽으로 미는 충돌이 더 많이 발생할 수 밖에 없습니다. 결국 '이카로스' 수준도 안되는, 운동량 보존법칙에 따라 제자리 움직임을 하는 엔진이 될 수 밖에 없죠. Roger Shawyer는 군속도가 변화하는 것을 마치 입자의 속도인 것처럼 특수상대성이론 공식에 넣어 운동량의 변화를 계산하고 그 때 전자기파가 운동량을 잃는 것이 운동량 보존법칙의 근거라고 하였는데, 그것은 분명한 잘못입니다. 앞서 말한 것 처럼 군속도와 개별 광자의 운동량은 상관관계가 없습니다. 관련해서 조금만 관심이 있으신 분들은 바로 아실거에요.

(화살표 크기는 과장되어 있음)

결국 Group velocity 속도차이가 발생하는지도 의문인 상황이고, 개별광자의 속도는 정말로 변하지 않을 것임.

그렇다면 이런식으로 빗면에도 Microwave 광자들이 충돌할 때 힘을 가할테고,

각도상 빨간 화살표가 파란 화살표보다 많을 수 밖에 없다. 결국 좌우 방향 전체힘도 상쇄될 것.

(2) 깔대기는 어느쪽으로? - 이상한 실험영상과 바뀌는 주장

둘째는 누구나 쉽게 이해하실 수 있는 문제입니다. 보시면 이게 정말 이상한데요. 일단 영상을 먼저 보시죠. EmDrive의 실험 영상입니다. EmDrive 홈페이지에 파일로 올라와있고 Youtube에도 누군가가 올린 모양이더라구요. 관련된 실험사진이 EmDrive 홈페이지에도 있습니다.

EmDrive의 작동 동영상.

중앙에 에어 베어링이 있고 그 위에 전체 무게 100kg정도의 EmDrive 실험장비가 놓여져있다.

EmDrive는 오른쪽에 위치하는데, 장비는 전체적으로 시계 반대방향으로 회전한다.

(실험 내용 출처 : http://emdrive.com/dynamictests.html, 영상도 다운로드가능)

그런데 이것을 잘 보셔야 하는게요. 동영상을 보시면 이 EmDrive dynamic test 장비에서 EmDrive는 오른쪽에 달려있고, 전체 장비는 시계 반대방향으로 회전하고 있습니다. 그런데 아래의 장비사진을 한번 보시죠.

위의 사진에서 EmDrive는 장비내의 오른쪽에 장착되어 있는데, 깔대기의 넓은 쪽이 오른쪽을 바라보고 있습니다. EmDrive가 작동한다면 윗 사진 속 장비 전체는 위의 사진에서 오른쪽으로 움직이기 시작해야 합니다. 깔대기의 안에서 넓은 쪽으로 힘을 가하니까요.

하지만 바로 영상 속 장비(윗 사진과 같음)는, 위 사진 속에서나 영상 속에서나 시계방향으로 회전해야 함에도 불구하고, 동영상 속에서는 시계 반대방향으로 움직이고 있습니다. 깔대기 내부에서 좁은 쪽으로 더 강하게 미는 것처럼요. 이론과 완전 반대입니다. 이건 도대체 무슨일일까요? 전 제가 처음에 기본 원리에 대한 영어 해석을 잘못했는 줄 알았어요. 그런데 넓은 쪽을 앞으로하여 이동해야 하는게 맞단 말이죠. 왜 그럴까요?

그리고 찾아보니 이상한 것을 하나 발견했습니다. 이 Roger Shawyer가 EmDrive의 원리에 대해 새로운 주장을 한 것이죠. 2세대 Emdrive에 대한 논문(역시 통과됐는지는 모르겠습니다만)에서는 EmDrive의 원리를 기존의 '군속도 변화에 따른 복사압 차이'가 아닌 '도플러효과에 따른 에너지 차이'로 설명하고 있습니다.

해당 논문의 일부분.

깔대기가 좁은 부분을 앞으로 하여 가속 중이라고 가정하자. (Cavity Acceleration A)

넓은 쪽에서 Microwave가 발사되어 좁은면에 충돌하고 그러면서 깔대기를 민다.

좁은 부분이 나와 멀어지고 있었기 때문에 적색편이(Redshift)가 일어나 Microwave의 에너지가 약해지는데,

그리고 튕겨서 넓은쪽에 가서 충돌할 때는 아까 좁은 쪽에서 깔대기를 밀었기 때문에 속도가 더 빠른 상태이고(Vf>Vr),

따라서 넓은 면이 다가오고 있기 때문에 Microwave가 튕길 때

적색편이로 줄어든 에너지보다 더 큰 청색편이(Blueshift)를 얻을 수 있다.

그럼 좁은 쪽으로 튀어갔을 때 아까보다 더 세게 좁은 면을 칠 수 있고,

이것이 반복되면 깔대기는 점점 빨라지게 된다.

논문 출처 (http://www.emdrive.com/IAC13paper17254.v2.pdf)

네... 이건 완전 정신나간 소리죠. 이건 운동량 보존이 문제가 아니라 '에너지 보존법칙' 위반이에요. 깔대기도 에너지를 얻고, 내부의 Microwave도 점점 에너지가 증가(무한한 청색편이)하게 됩니다. 외부에너지 공급이 있긴 하겠지만 무한대로 증가할 에너지를 따라갈 수 없겠죠. 결국 '영구기관'이라는 말입니다. 또 중요한게 있는데, 이젠 깔대기가 필요없습니다. 그냥 밀폐된 금속 상자만 있으면 됩니다. 상자의 모양도 상관없고, 한쪽으로 밀폐된 공간이 이동을 시작하기만하면 그 안에서 Microwave는 에너지가 올라가기 시작하지요. (전자레인지 건드리면 날아갈 듯.ㄷㄷㄷ)

글쎄요, 기존의 EmDrive로도 괜찮았는데 왜 이렇게 무리수를 던지게 됐을까요? 혹시 깔대기의 이동 방향이 생각과 달라, 그 어느쪽으로 이동해도 상관없는 이론을 생각한 것일까요?

4. 결론 및 정리

저는 개인적으로 '개방적인' 과학매니아라고 생각하고 있습니다. 공대생이고 대학원을 나와 현재도 연구개발분야에 종사하고 있지만, 모든 급진적인 이론들을 좋아합니다. 대부분 그것이 사실일 확률은 정말 작겠지만, 작다고 무시하진 않는다는 겁니다. 우주를 좋아하시다보면 양자역학, 평행우주 등에 대해 알아가면갈수록 확률은 0이 아닌 그 자체로 의미가 있다는걸 알 수 있으실 거에요.

그러한 '일말의 가능성', 늘 존재한다고 봅니다. 알지 못하는 과학적 현상으로 인해, 우리가 아는 수준에서는 운동량 보존법칙과 에너지 보존법칙을 위반하는 것으로 보여도 실제로는 우리가 모르는 원리에 의해 잘 지켜지고 있다던지 하는 일이 일어날 수 있지요. 그렇습니다. 과학이 발전해 나가야 할 방향은 너무나도 많고, 지금 우리가 알고 있는 수준의 길은 매우 좁으며, 과학은 늘 아예 새로운 길을 뚫어버리는 사람들로 인해서 발전해 왔으니, 제 아무리 급진적인 이론이라해도 우린 그것들을 잘 살펴봐야 겠죠.

"내가 만든 이론 같은거 말야 짜샤." (또 등장)

그런 면에서 이 EmDrive... 일단 영국, 중국, 미국 NASA 연구소의 한 팀 등에서 '추진력이 발생한다'는 결과가 나온 상태입니다. 셋의 결과가 뭔가 일관되지 않은 느낌(발생된 힘이...)이지만, 그렇다고 해도 확실히 이것은 연구가치가 있는게 맞다고 봅니다. 거짓이면 거짓이라고, 사실이면 사실이라고 입증을 해내야 하는 것이죠.

그렇게 봤을 때, 지금까지 살펴본 EmDrive에 대한 이야기를 토대로 내린 저의 생각은 다음과 같습니다.

1. EmDrive는 작동하지 않으며 실험 오류 또는 외부 영향의 결과일 가능성은 일단 기본적으로 있음.

2. EmDrive는 실제 작동할 수도 있음. 하지만 최소한 Roger Shawyer의 원리는 모든면에서 말이 안됨. 자신도 알 듯.

3. NASA 'Eagleworks'팀에서 말한 '양자진공'과 관련된 현상일수도 있으나(가능성은 언제나...) 그 역시 말만 던진 막연한 추측. (뜬금없이 양자진공 이야기를 해서 'Eagleworks'팀의 수준이 의심스러울 정도... (양자진공이 갑자기 여기에서 왜??) 아무튼 양자진공 운운한 걸 보면, NASA의 그 팀도 Roger Shawyer가 말한 군속도 차이나 도플러 효과는 말이 안된다고 생각하는 듯)

4. 결국 작동한다해도 현재로는 원리를 가늠할 어떤 증거도 없는 상태.

5. 그래서 검증과 동시에 연구가 필요함.

사실 더 솔직하게 말하면, 헤프닝일 가능성이 크다고 개인적으로 생각하고 있습니다. 외부요인의 영향이 아닐까 싶어요. 가열된 주변 대기나 냉각수의 영향이라든지...

또한 Roger Shawyer가 이 EmDrive에 대한 주장을 최소 2005년부터 한 것으로 보이는데, 그 때부터 EmDrive의 성능이 발전된 것이 전혀 없습니다. 이론도 똑같았는데, 2013년에 와서 도플러 효과를 운운한게 좀 특이한 상황이죠. 동시에 그가 보여준 사진들도 굉장히 제한되어 있습니다. 동영상은 한편이구요. 2005년부터 개발했다면 동영상이나 다양한 실험데이타들이 나왔을법한데, 최근 NASA 'Eagleworks'팀에서 나온 한편의 보고서 속 자료들이 더 많을 정도에요. Roger Shawyer는 정말 믿을 수 없는 사람 같더군요.

그래도 EmDrive의 실제 작동 가능성을 무시해서는 안되겠죠. 몇번의 검증만 더 거친다면 금방 결론이 나올 것 같습니다. 같은 구리 깔대기를 사용해줬으면 좋겠는데... 물론 저는 EmDrive가 실제로 작동해줬으면 좋겠습니다. 뭔가 아닐 것 같다는 생각이 들긴 하지만 바람은 그렇다는 것이죠. 과학과 우주를 좋아하는 모든 사람들이 바라고 있지 않을까요? 아니, 아예 그렇게 자유롭게 우주를 돌아다니고 싶다는 것이 모든 인간의 꿈 아니겠습니까? ^^ 오늘 글은 여기까지 입니다. 감사합니다.

p.s. 문제있는 부분 발견하시면 지적해주세요~ 수정하겠습니다~

EmDrive가 되도 호버보드는 안될 듯. ㅠㅜㅠㅜ

(영화 '백투더퓨쳐' 중)

[Smileru's Cosmos]

전자기추진엔진 'EmDrive'에 대한 모든 것!

- fin -

오타 수정 (2014.8.10)

문장 어색한 부분 수정 (2014.8.15)

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