연료의 무거운 오르막길
로켓 발사를 본 적이 있지요. 발사대 위의 거대한 탑 같은 로켓들이 서리에 덮인 채 우르르 소리를 내며 깨어나는 모습 말이에요. 로켓 자체는 가늘고 매끈하지만, 연료 탱크는 아주 커요. 날아오르도록 만들어진 물건이 왜 그렇게 많은 무게를 실어야 할까요?
문제는 바로 이거예요. 지구는 여러분을 쉽게 놓아주고 싶어 하지 않아요. 중력은 모든 것을 아주 강한 힘으로 아래로 끌어당겨요. 그 힘을 벗어나려면 로켓은 시속 25,000마일에 도달해야 해요. 이것을 탈출 속도라고 부르지요. 그보다 느리면, 중력이 줄에 묶인 요요처럼 다시 아래로 홱 잡아당겨 버려요.
그런 속도를 내려면 매 순간 계속 연료를 태워야 해요. 자동차는 굴러가던 힘으로 조금 나아갈 수 있지만, 공중의 로켓에는 굴러갈 도로도 없고, 미끄러져 날개로 활공할 수도 없어요. 엔진이 밀어 주기를 멈추면, 곧바로 떨어지기 시작해요.
그런데 잔인한 반전이 있어요. 연료는 무겁다는 거예요. 싣는 연료가 1갤런씩 늘어날 때마다 로켓은 더 무거워지고, 그 연료를 들어 올리려면 또 더 많은 연료가 필요해요. 여행 내내 먹을 간식을 모두 짊어지고 산을 오르는 것과 같아요. 그런데 그 간식 자체가 너무 무거워서, 처음 간식을 나르기 위해 또 extra 간식이 필요한 셈이지요.
로켓 과학자들은 이것을 로켓 방정식의 폭정이라고 불러요. 계산은 무척 가혹해요. 두 배 빠르게 가고 싶다고 해서 연료가 두 배만 필요한 게 아니에요. 훨씬, 훨씬 더 많이 필요해요. 기하급수적으로 더 많이요. 궤도로 향하는 로켓은 무게의 90퍼센트가 연료일 수도 있어요. 실제 화물, 그러니까 위성이나 우주비행사, 장비는 날아가는 연료 탱크 꼭대기에 올라탄 아주 작은 부분일 뿐이에요.
그리고 저 위에는 도와줄 공기가 없어요. 지구에서는 제트 엔진이 대기에서 산소를 빨아들여 연료를 태워요. 하지만 로켓은 산소도 별도의 탱크에 직접 싣고 가야 해서 문제가 두 배가 돼요. 연료와 산소, 각각 몇 톤씩 되는 것들이 모두 함께 가속되는 거예요.
그래서 로켓은 단을 사용해요. 연료가 다 떨어지면 떨어져 나가는 부분들이지요. 한 단이 다 타고 나면, 그 부분은 지구로 떨어져요. 그러면 남은 로켓은 더 가벼워지고, 다음 단의 연료가 더 빠르게 밀어 올릴 수 있어요. 빈 배낭을 산 아래로 던져 버려서 오르기가 더 쉬워지는 것과 같아요.
그러니 발사를 볼 때, 여러분은 중력을 앞지르려고 자기 무게를 필사적으로 빨리 버리려는 날아가는 연료 탱크를 보고 있는 거예요. 발사대 위의 그 거대한 탑이요? 그 대부분은 우주로 들어가기 위한 입장료일 뿐이에요. 몇 분 만에 타 버리고, 떨어져 나가고, 사라지지요. 궤도에 도착하는 화물은 아주 비싼 경주의 작은 생존자예요.
