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| 우주 엘리베이터 - 공상과학일까 인류의 미래일까 |
1. 개요
Space elevator, 우주 엘리베이터, 궤도 엘리베이터우주로 화물 등을 운송하기 위해 지표면에서부터 우주로 뻗어 있는 거대한 엘리베이터 구조물을 말한다.
지구의 자전에서 오는 원심력으로 엘리베이터를 유지하는 것이 특징이며, 기존 로켓에 비해 매우 효과적인 에너지 효율을 자랑하기 때문에 막대한 자원이 필요한 구조물임에도 불구하고 주목을 받고 있다.
2. 특징
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| 궤도 엘리베이터의 예상 구조[1] |
우주로 뻗어나가는 엘리베이터라는 개념은 러시아 우주 계획의 선구자라 불리는 콘스탄틴 치올코프스키가 에펠탑을 보고 영감을 얻어 처음으로 생각해 냈었다. 이후 궤도 엘리베이터는 아서 C. 클라크의 소설 낙원의 샘과 히지리 유키의 만화 초인 로크 - 겨울 무지개에서 다뤄졌으며, 특히 낙원의 샘은 궤도 엘리베이터에 대한 어지간한 개념들을[2] 전부 풀어놓는 심도 있는 서술을 하였다.
궤도 엘리베이터는 보통 지구 적도 근방에 건설되는 것이 이상적이라 여겨지며, 제1 우주속도를 달성하지 않고도 우주에 진출할 수 있다는 막강한 이점이 있다. 로켓보다 훨씬 싼 엘리베이터라는 운송수단으로 손쉽게 우주 진출을 할 수 있다는 뜻이다. 현 시점에도 로켓은 사고 위험이 높고 막대한 자원소모와 환경오염을 일으키는데 그에 비해 발사 중량은 초라하기 짝이 없다. 때문에 근미래에 활발하고 거대한 수준의 우주 물류를 위한 수단으로써 주목을 받고 있으며, 엘리베이터 역할은 리니어 모터 캐터펄트가 맡고 건설 소재로는 풀러렌 형태의 탄소나노튜브가 유력한 것으로 여겨진다. 제일 연구가 진척된 곳은 미국으로, 리니어를 이용한 운반체의 실험에 성공한 상태이다.
3. 구상
정지 궤도상에 위성을 먼저 쏘아올리고, 이 위성에서 최초의 케이블[3]을 지상으로 내린다. 이 최초의 케이블을 따라 다른 케이블들을 하나씩 추가하며, 이를 반복하다가 어느정도 안정이 되면 본격적으로 엘리베이터 장치와 기지 건설 등에 필요한 장비를 투입하는 방식이 제안되었다. 이것은 리프트포트 그룹에서 연구 중인 방식으로, 최초 케이블의 무게는 20t으로 예상하고 있다. #엘리베이터의 높이와 무게중심에 대한 논의는 이미 끝난 상태인데, 정지궤도인 35,785km 높이에 기지를 설치해서 원심력으로 붙잡아 놓는 것이다. 이론적으로는 중력과 자체적인 무게가 원심력과 균형을 이루면 지면과 엘리베이터가 연결되어 있지 않아도 되기 때문이다. 후에 더 무거워진다고 해도, 위로 더 뻗어 올린 뒤에 카운터 웨이트를 설치하면 안정성을 확보할 수 있다.
금속 케이블은 54km고 그래파이트 섬유는 1,050km다. 탄소나노튜브는 10,204km까지 자체 하중을 스스로 지탱할 수 있다. 현재까지 탄소 나노튜브는 64.3 기가 파스칼까지만 시험되었는데, 이론적으로는 300 기가 파스칼의 인장력을 얻을 수 있다. 다만, 단일 탄소 나노튜브 성능 자체는 요구사항을 만족한다 하더라도 이를 다시 로프 형태로 엮는 것은 별개의 문제이며, 이 부분에서 연구의 진척이 매우 더디게 진행되고 있다.
달은 중력도 훨씬 작고 대기에 의한 손상도 비교적 덜 받기에 상대적으로 우주 엘리베이터를 건설하기가 만만해보이겠지만 달 또한 만만하지 않다. 여기서도 중력적 안정성을 얻으려면 수천 내지 수만 km는 나가야 하는건 똑같기 때문에 자재 수급이 훨씬 힘들고 매장량도 적은 달에서 이정도의 자원을 확보한다는 것은 불가능하다. 또한 달에다 궤도 엘리베이터를 짓는다 해도 지구에 궤도 엘리베이터가 없으면 결국 효용성이 없다. 애초에 우주 물류량을 저렴하고 크게 늘리기 위한 목적으로 짓는 것인데 이 물류량을 지구에서 감당하지 못하면 결국 달의 궤도 엘리베이터도 의미가 없기 때문이다.
3.1. 스카이훅 방식 구상
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| 우주를 향한 1000km의 케이블 - 스카이훅 |
반드시 지표면에서부터 구조물을 쌓을 필요는 없고 궤도 엘리베이터 자체를 대기권에 띄우는 방안도 제시되었다. 이를 구체화한 것이 풀톤 회수 시스템을 모방한 스카이훅(Skyhook) 구상이다. #
스카이훅은 궤도 엘리베이터의 중간부분을 잘라놓은 형태로, 수직으로 선 길다란 막대가 궤도를 공전하는 것을 상상하면 된다. 이때 막대 전체의 공전속도는 막대의 무게중심에서의 공전속도를 따라간다. 그리고 조그마한 로켓 또는 궤도에 진입할 수는 없지만 탄도비행 형태로 대기권을 벗어날 수는 있는 항공기에 위성 등을 탑재한 뒤, Skyhook의 아랫쪽 끝에 도킹해서, 엘리베이터를 이용하여 위쪽 끝으로 올려보낸 뒤, 위성을 발사하면 된다. 혹은 Skyhook 자체가 통째로 회전을 해서 위아래를 바꿈으로서 페이로드를 최고도까지 올린다.
처음부터 끝까지 로켓을 이용해서 발사하는 것보다 비용도 훨씬 적고, 지표면에 고정할 필요가 없기 때문에 대기상태를 견딜 정도의 강도도 필요 없으며, 길이가 상대적으로 짧기 때문에 SF적인 신소재를 개발할 필요도 없이 지금 쓰이는 재료를 이용해서도 건설 가능하다. 궤도 엘리베이터보다는 덜 유명해서 그런지 창작물에서 찾아보기는 힘들다.[4]
Skyhook을 자전하게 만들 경우, 대기가 없는 위성에서 사용하면 더욱 엄청난 물건을 만들 수 있는데, Zero velocity rotating skyhook이 그것이다. # Skyhook의 자전속도를 공전속도와 일치시키면, Skyhook의 최저점에서는 자전속도와 공전속도가 서로 상쇄되어 일시적으로 지표면에 대한 상대속도가 0인 순간이 생긴다. 이때 그냥 위성을 스카이훅 최저점에 걸어두면 된다. 지표면과 상대속도가 0이기 때문에 로켓이고 뭐고 전혀 필요없다. 다만 기술적인 한계를 감안하면 이렇게 하기는 힘들고 고도 100km에서 마하10 정도의 속도로 날면서 페이로드를 걸어주는 쪽이 좀 더 현실적이라고 한다.
4. 장점
대표적인 장점은 로켓을 사용할 때와는 비교도 되지 않는 높은 에너지 효율이다. 보다 정확히 말하면 로켓을 사용함으로써 발생하는 막대한 에너지 낭비에서 자유로워진다. 로켓은 1kg의 화물을 옮기는 데 몇만 달러 가량이 들지만, 엘리베이터로 1kg의 화물을 올려보내는 데에는 100달러 이하가 들 것으로 추정되고 있다.보통 엘리베이터를 타나 로켓을 쏘나 지구에서 우주로 물건을 옮기는 데는 같은 에너지가 든다고 생각하기 쉽지만 추진기관까지 고려하면 이야기가 달라진다. 로켓 엔진이 내는 속력의 대부분은 로켓 본체가 아닌 분사되는 가스가 가져가는데, 그 이유는 운동량 보존 법칙 때문이다. 질량 비율이 k:1인 두 물체가 서로 붙어있다가 운동량을 보존하면서 떨어지려면 두 물체의 속도 비율은 1:k가 되어야 하고, 그 결과 가져가는 속력 비율은 1:k가 된다. 즉 가벼운 쪽이 무게의 역수의 비율로 더 많은 속력을 가져간다.[5][6], 따라서 탄두부분의 수배의 연료가 소비되어야 탄두부분이 속력을 얻어가니 어마어마한 에너지가 소비될 수밖에 없는 것. 더구나 그 로켓 본체 역시 발사체보다 엔진과 연료가 차지하는 비중이 높으므로 로켓 엔진이 만들어내는 에너지 중에서 발사체 자체의 운동에너지로 사용되는 비율은 매우 작다. 그리고 제일 심각한 문제는 탄두를 쏘아올리기 위해 연료를 실었으므로 그만큼 더 무거워져 연료를 쏘아올리기 위한 연료를 실어야 하고 또 추가로 실은 연료를 쏘아올리기 위한 연료를 실어야 할뿐 아니라 유인로켓의 경우 사람의 안전을 위해 가속도가 3G로 제한되는데 연료소모량은 대기권 체공시간에 비례하므로 더 많은 연료가 필요하다. 반면에 엘리베이터를 이용하게 되면 연료와 로켓의 질량비가 아니라 지구와 로켓의 질량비로 바뀌어 속력의 99%를 가져가게 되어 이러한 비효율을 피할 수 있다.
자세한 이야기로 가면 다소 달라지지만 결국 우주와 연결되는 막대가 생기는 것이나 마찬가지다. 그러므로 지구의 자원(물, 인간 등)이 쉽게 올라가게 될 수 있는 것은 물론 우주의 자원을 옮겨오는 것 또한 무척 쉬워질 것이다. 그 중 가장 효용가치가 높은 것은 에너지(전기)가 될 가능성이 높다. 우주 전력 발전소-대기권을 통한 무선 전송의 문제점은 손실율이 높으며 자연환경에 적대적(온난화 가속)이고 무기로 전용될 가능성이 있다는 것이었다. 무엇보다 우주에 대규모 발전소를 짓자고 로켓을 쏘아올리는 것은 비용이 너무 높았다. 그러나 궤도 엘리베이터를 통해 발전소를 건설/유지/보수하고 유선전송이 이루어질 수 있다면 엘리베이터는 그 자체로 지구상에서 가장 큰 에너지 플랜트가 된다. 튜브 트레인 타입 리니어 엘리베이터의 전력을 해결할 수 있는 것은 당연하며 설비만 충분히 마련한다면 전 지구상의 에너지 수요를 해결할 수 있는 완벽한 대체에너지가 된다. 지구 내 송전과 분배 등의 기술적/정치적 문제가 산적하지만 가장 필요하다고 느끼는 자원이니만큼 투자 유치목적으로는 가장 구미가 당기는 것일 수 있다. 이를테면 중동 산유국들이 에너지자원 지배력 유지를 위해 넘처나는 오일 머니를 들여 개발한다든지 말이다.
그 외의 자잘한 것으로는 로켓발사 시에 지구 대기권에 미치는 악영향도 주목받고 있다. 로켓 발사로 인해서 오존층이 파괴된다는 주장이 있으며, 연료가 분사되면서 발생한 블랙카본으로 성층권이 오염될 경우에는 오염도가 층층이 쪼개지면서[7] 온도가 지 맘대로 변하는 문제도 발생한다. 현재로서는 워낙에 기록이 적어서 불완전하지만 장기적으로 우주개발이 진행된다면 확실히 짚고 넘어가야 할 문제이다.
또한 우주에서 발생한 쓰레기를 가지고 내려와 우주쓰레기 발생을 줄일 수도 있을것이다. 기존에는 가지고 올라가는 것도 막대한 비용이 드는 데다 다시 지구로 가지고 내려오기도 힘들다. 지구로 귀환할때는 거의 다 버리거나 소모하거나 우주로 사출시킨 뒤 돌아올수 밖에 없다는 것을 생각해보자. 엘리베이터는 그냥 내려갈 때 같이 실어서 내리면 된다. 심지어 내리는건 에너지도 거의 안들고 오히려 발전을 시키거나 도르래등을 활용하여 다른 화물을 올리는힘으로 전환시킬수도 있다
5. 단점
다른 무엇보다도 엄청난 규모 자체가 가장 큰 문제가 된다. 인간이 현대의 건축 기술을 총동원하고, 5조 5,700억원의 비용을 들여 지은 가장 높은 건축물인 부르즈 할리파조차 높이가 1km에 미치지 못한다. 실용적인 궤도 엘리베이터를 건축하려면 이것의 수만 배에 달하는 높이까지 건축물을 올려야 한다. 그에 드는 자원의 양만 해도 상상을 초월할 정도이며, 이것의 무게를 지탱하기는 커녕 자체 중량이라도 버틸 수 있는 소재의 개발과 설계 기술은 물론이고 대기권을 넘은 높이에서 인간이 직접 작업하는 것은 불가능하기 때문에 극히 정교한 로봇 공정 기술도 요구된다.20세기까지는 궤도상까지 올라가도 튼튼하게 버틸 재료가 별로 없다는 점과 만에 하나 붕괴되거나 추락이라도 하면 대참사가 벌어진다는 점 때문에 별 가망없는 아이디어로 생각되었다.[8] 다행히도 시간이 지나 나노 기술이 발달하면서 획기적으로 내구도가 올라간 탄소 나노튜브가 등장함에 따라 내구도 면에서는 버틸만한 소재는 일단은 등장했다고 보여진다. 그러나 이 탄소나노튜브를 우주 구조물에 활용하기 위해서는 적어도 미터단위로라도 뽑을 수 있어야 하는데 지금도 끽해봐야 고작 수 마이크로미터가 고작이므로 대량생산은 커녕 지금도 갈 길이 매우 멀다. 거기다가 일부 탄소나노튜브의 경우 발암 물질이기까지 해서 대기에 의해 지속적인 마모와 충격을 받게 될 경우 환경에 어떤 영향을 미칠지도 미지수다.
또한 사고와 테러에 매우 취약하고 일단 일이 터질 경우 리스크가 어마어마하다. 지상에서 우주까지 어마어마한 면적으로부터 들어오는 물리적 충격과 태양광, 대기 마찰을 버텨내야 하고 인간이 의도하건 의도하지 않건 사고가 났을 경우 대처할 방법이 없다. 지상으로 떨어질 경우엔 더 말 할 필요도 없이 인류 역사상 최악의 참사가 될 것이고 특히나 허공으로 날아가버리기라도 하면 우주 엘리베이터의 유형에 따라 다르겠지만 국가 수준으로 큰 타격을 우려해야 할 만큼 심각한 문제가 될 수 있다. 막대한 건축자재를 잃는건 둘째 치고 오히려 속도를 더 받아서 지구로 다시 날아들어올 가능성이 있기 때문이다. 이렇게 되는 이유는 핵폐기물 쓰레기처럼 처치곤란인 물질을 태양에 버리지 않는 이유와 동일한데 지구의 공전, 자전속도 자체도 어마어마하게 빠르기 때문에 일단 지구 중력권에 있는 우주 엘리베이터가 멀리 가지 못하고 어떤 식으로건 지구 주변을 떠돌 가능성이 높아서 그렇다.
발사체를 끌어올리는 동안 작용 반작용의 원리로 궤도 엘리베이터가 아래로 끌어당겨진다는 점이 있다. 지상이라면 땅에 발을 짚고 서 있으면 되겠지만 우주 공간에서는 짚고 설 곳이 없다. 그렇다고 해서 엘리베이터의 고도를 유지하기 위해 로켓을 이용한다면 뭐하러 로켓의 문제를 극복하겠답시고 쓰는 궤도 엘리베이터에 로켓을 다느냐는 가장 근본적인 모순이 생긴다. 다만 이 경우에도 재래식 로켓 발사체가 공기저항과 한 번 발사 후에 연료를 추가적으로 보급받을 수 없기 때문에 처음부터 모든 연료를 가지고 가야하기 때문에 생기는 비효율성으로부터는 벗어날 수 있기 때문에, 현재의 로켓 발사체와는 비교할 수 없는 효율이 나온다.
현재의 기술로는 효율이 좋은 이온엔진을 사용하더라도 이온엔진은 자체추력이 낮아서 지상에서부터 궤도까지 스스로를 올릴 수 없으므로, 효율이 나쁜 재래식 화학로켓을 이용하여 고궤도까지 올린 후에야 제역할을 할 수 있지만, 일단 궤도엘리베이터를 건설하고 나면 지상부에서 궤도까지 페이로드를 올리는 데 효율이 나쁜 재래식 추진체계를 사용할 필요가 없어지기 때문에, 정지궤도 상의 중계기지에서 이온엔진과 같은 비추력이 높은 추진체계를 이용하여 반작용을 상쇄하는 방향으로 추진하면 되기 때문이다.
이에 대한 대안으로 제시되는 것은 무게추를 엘리베이터 궤도 바깥쪽에 놓고 발사체를 끌어올리는 만큼 무게추를 아래로 당김으로써 무게중심을 맞추는 것이다.[9] 그러나 그 무게추를 로켓 등으로 다시 궤도 바깥쪽으로 밀어내야 한다면 결국 상기한 문제가 엘리베이터에서 추로 옮겨간 것과 다를 바가 없다. 발사체와 무게추 모두 엘리베이터를 뒤쪽으로, 즉 공전주기가 길어지는 쪽으로 끌어당기게 된다는 것이다.
무게추는 정지궤도 바깥쪽에 있으므로 정지궤도에 있는 엘리베이터 자체보다 공전주기가 길다. 또한 발사체는 엘리베이터와 공전주기는 같지만 공전축에서의 거리가 더 가깝기 때문에 그만큼 선속도가 늦다. 궤도 엘리베이터는 발사체를 위로 끌어올리는 과정에서 발사체에 선속도를 추가하는 것이 되므로 작용-반작용의 원리로 엘리베이터 자체는 뒤로 끌어당겨지게 된다.
이러한 문제가 없게 하려면 무게추가 인공위성과 비교도 안 될 정도로 무겁게 만들어야 될 것이다. 무게추가 충분히 무거우면 발사체를 끌어올리는 과정에서 무게추의 고도가 낮아지는 것도 무시할 수 있는 수준이 되며, 무게추가 움직일 거리를 고려하지 않아도 된다면 궤도 엘리베이터와 같은 정지궤도에 있게 되므로 자전주기의 문제 역시 무시할 수 있게 되기 때문이다. 문제는 그정도로 어마어마한 질량의 무게 추를 어떻게 올리냐는 것인데 로켓으로 일일이 쏘자니 너무 많이 쏴야되고 소행성 같은걸 끌고오자니 엘리베이터 무게추로 쓰기에는 질량이 너무 크다. 소행성도 겉보기에나 그냥 돌덩어리지 그래도 나름 천체이기 때문에 아무리 작아도 질량이 수십만톤을 가뿐히 넘으므로 케이블이 힘을 버텨낼 수가 없기에 현실성이 없다.
궤도 엘리베이터 자체의 위치도 문제다. 적도상, 공기가 희박한 고지대, 태풍의 진로나 지진대 같은 자연재해 발생 지역에서 벗어날 것, 물자 수송의 편의 등을 고려해보면 건설 가능지역이 상당히 제한된다. 또한 궤도 엘리베이터가 위치했거나 아주 가까운 국가가 반드시 존재할 것이므로 정치적인 문제가 발생할 가능성도 크다. 궤도 엘리베이터가 상용화 될 경우 우주 물류가 매우 활발해질 가능성이 높은데 궤도 엘리베이터의 수는 극히 한정적이기 때문에 국가적 제재 같은 이유로 궤도 엘리베이터로 가는 길목을 틀어막게 되면 큰 문제가 생긴다.
자원과 내구도 문제만 해결된다면 기둥 하나가 아니라 아예 지구의 적도 위에 거대한 고리를 만들고 거기에서 궤도 엘리베이터 여러 개를 수직으로 늘어뜨리는 방식도 이론적으로는 가능하다. 하나의 위성이 아니라 균등하게 배포된 고리이기 때문에 지구가 고리의 모든 지점을 동일하게 끌어당겨 궤도 이탈의 문제도 크게 줄어들 것이며, 규모가 커지는 만큼 접근성도 훨씬 좋아진다. 물론 이정도 스케일이 되면 지구상에서 모든 자재를 충당하기도 힘들고 이 경우에는 궤도 안정성의 확보라는 해결이 불가능한 문제가 생긴다. 이런 링 구조물을 안정적으로 궤도에 띄워 둘 방법은 사실상 없기 때문인데 중력적으로 오비탈 링 같은 구조는 안정적인 위치를 가질 수 없으므로 어느 한쪽이 지상으로 당겨지면서 박살날 수 밖에 없으며, 같은 이유로 애초에 이런 구조물을 건설하기 위해서는 계속 지상으로 떨어지려는 엄청난 크기의 구조물을 고정해두어야 한다는 소리이기 때문에 공사를 시작하는 것조차도 힘들다. 오비탈 링을 지지할 수 있는 구조물을 지상에서부터 건설해올린다면 이야기가 달라지겠지만 이게 가능하려면 애초에 이 문서에서 논하는 문제들은 이미 해결하고도 남을 기술이 있어야 한다.
또한 자주 놓치는 부분인데 여행 거리가 생각보다 엄청나게 먼 것도 매우 큰 문제다. 구조물을 건설했다 해도 거리가 최소 3만 5천km가 넘어간다. 이건 거의 지구 한바퀴를 도는 거리이며, 로켓과 항공기를 제외하고는 이정도의 거리를 안정적으로 이동할 수 있는 기계가 없다. 로켓이 궤도로 순식간에 올라가는 이유는 속도가 정말 무시무시하게 빠르니까 가능한 것이고 우리가 알고 있는 운송 수단으로는 최소 수십시간, 심하면 며칠 정도 걸릴 것을 각오해야 한다. 그렇다고 속도를 올리자니 우주 엘리베이터의 케이블이나 구조물을 타고 이동해야 하는데 이런 인공 구조물들은 지반에 비해서 안정성이 너무 떨어지기 때문에 이동속도를 함부로 올릴 수도 없다. 필연적으로 흔들림과 엘리베이터를 지지하는 부속의 편평도, 공진 같은 문제를 겪을 수 밖에 없고 운행 기간까지 너무 길어서 사고가 안날래야 안날 수가 없기 때문이다. 이 때문에 유인으로 운행할 경우 궤도 엘리베이터에 화장실과 취사시설이 필요할지도 모른다. 또한 지구 궤도에는 밴앨런 복사대와 같은 고방사능 지역이 있고 로켓과는 달리 훨씬 긴 시간을 여기서 체류할 가능성이 높기 때문에 방사선 차폐까지 해야 한다.
이런 문제 때문에 아직은 SF의 영역에 머물러 있다.
6. 대중문화에서
[1]
기반 구조물 - 케이블 - 엘리베이터 - Counterweight으로 이루어져 있는 모습을 확인할 수 있다.
[2]
다이아몬드 수준의 탄소 섬유, 건설 위치, 궤도 상의 중계기지, 진동을 통한 회피술, 사건 발생 시의 구조법, 안전설계 등.
[3]
이를 '리본'이라고 부른다.
[4]
1997년작인
대운동회 OVA나 1999년작
∀건담 정도이다.
[5]
이 설명이 어렵게 느껴진다면, 물 위에 떠 있는 나무판자를 딛고 앞쪽으로 점프를 한다고 생각해 보자. 당연하게도 나무판자가 크고 무거우면 무거울수록 점프하기가 쉬울 것이며 반대로 나무판자가 '공기처럼' 가볍다면 가져가는 운동에너지는 동등하므로 점프시에 나무판자의 질량차이만큼 수십수백배 빠르게 점프해야 하므로 점프더라도 별로 속도를 가져가지 못할것이다.
[6]
분사되는 연료 전체의 총합은 남은 로켓보다 훨씬 무겁지만(로켓 전체 무게에서 연료가 약 80%) 매 순간 로켓에서 분사되고 있는 가스는 '로켓 + 남아있는 연료'보다 훨씬 가벼울 수밖에 없다.
[7]
성층권은 비가 내리지 않고 대류도 별로 없이 안정적이라서 문제가 된다. 실제로 대류권의 블랙 카본은 비 한 번만 오면 싹 쓸려간다.
[8]
일단 그게 무너지기라도 한다면 그걸 이용하고 있던 사람들은 영원히 편도 우주관광을 하게 되며, 만약 잔해들이 지구로 낙하하면 인공 운석이 떨어지는거랑 다름이 없다.
[9]
실제 엘리베이터를 생각해보자.