뉴스페이스 시대, 우주 개발의 예정된 걸림돌: 우주 쓰레기

 

'현재와 장래에도 유용한 목적에 이용되지 못하는 인공 물체'

 

우주 쓰레기를 지구 환경과 비교하자면 썩지 않는 플라스틱, 비닐 등과 유사하다고 생각하면 쉽다. 플라스틱 경우 재활용이라도 가능하지만 우주 쓰레기는 재활용은 커녕 오로지 파괴 기능만 가졌다.

우주 쓰레기에 의한 손상 정도는 파편이 10cm 이상이면 완전 파괴, 1cm 이상이면 치명적 손상, 1mm 이상이면 부분적 기능 상실로 정의한다. 좀 더 예를 들자면 우주 쓰레기는 초속 10km(음속 20배 이상)되는 속도로 지구 주위를 회전하고 있는데, 직경이 0.5mm 정도의 작은 입자가 우주복도 손쉽게 뚫는 정도다.

우주 쓰레기는 파괴력뿐 아니라 수명도 상당하다.

 

130km	500km	1000km	3만 6천km
1주일 미만	8년	1천년	1백만년

궤도에 위치한 우주쓰레기의 각기 다른 수명

 

2015년 기준으로 우주 쓰레기 양은 약 6,300톤에 달하며 저궤도 73%, 정지궤도 8%, 고타원궤도 10% 그리고 나머지 궤도상에 9%가 존재한다. 저궤도에 속하는 고도 700km~900km 사이에 우주파편이 가장 많이 존재하는데 그중에서도 고도 800km에서의 분포 밀도가 가장 높다. 이는 지구관측위성 및 통신위성이 가장 많이 애용하는 궤도이기 때문이다.

 

최근 재활용 우주발사체로 인한 우주 접근 비용이 급격하게 낮아지면서 무수히 많은 위성이 쏘아 올려지고 있는데 스페이스 X사의 Starlink 프로젝트와 원웹 프로젝트가 대표적이다. 이에 국제 사회는 지금까지 경험하지 못한 거대 군집 임무(Mega Constellation)들로 인해 우주환경 관심을 가지기 시작했다.

*두 프로젝트 모두 통신위성을 쏘아 올리는데 통신위성은 저궤도를 이용한다.

 

특히, 민간 우주개발업체 스페이스X 한 곳이 쏘아 올린 것만 해도 현재 840여 개에 이르며 약 12,000개의 위성이 발사될 계획을 가지고 있다. 스타링크 기차가 괜히 나온 것이 아니며 지구 궤도에서 위성끼리 부딪치면서 생긴 다수의 파편으로 인공위성 추가 발사가 불가능해지는 ‘케슬러증후군(Kessler syndrome)'가 현실화되는 것이 아닌지 우려되고 있다.

이에 활발한 우주 개발의 필연적인 부수물인 우주 쓰레기의 증가로 현재 우주 쓰레기 제거 가이드라인 제정과 다양한 우주 쓰레기 처리 아이디어가 나오고 있다.

 

줄 지어 이동하는 우주 인터넷 '스타링크 기차'

 

우주 쓰레기 제거의 필요성

실제 국제 우주정거장 ISS 경우 파편을 피하기 위한 회피기동을 포함하여 2012년에만 총 3번의 회피기동을 수행한 바 있다. 이처럼 우주개발 활동이 증가함에 따라 우주 쓰레기의 개체수도 증가하여 국제 우주정거장뿐만 아니라 세계 각 국의 위성과 자국 위성의 충돌 위험도 증가하고 있다.

2006년 사이언스가 발표한 우주 쓰레기 증가량 시나리오

2006년 사이언스(Science)지에 발표된 미국 NASA의 연구 결과에 의하면, 우주 쓰레기로 인한 저궤도 우주환경의 악화를 완화하기 위해서는 매년 5~10개의 일정 크기 이상의 특정 우주 쓰레기를 제거해야 한다.

또한, 앞으로 우주발사체의 발사를 중단하고 새로운 우주쓰레기를 생성하지 않는다 해도 현재 존재하는 우주 쓰레기들끼리 자연 충돌로 인해 그 수는 지속적으로 증가하는 것으로 예측되었으며, 유럽 우주기구 ESA는 개별 시뮬레이션을 통해 재차 확인한 바 있다.

 

우주 쓰레기가 발생하는 이유

1. 우주 발사체의 3단 로켓

위성을 쏘아 올리는 우주 발사체의 3단 로켓은 본체에서 떨어져 나간 뒤 지상으로 떨어지지 않고 궤도 비행을 계속한다. 이때 3단 로켓 내부에는 여유분의 추진체가 남아있는 상태로 태양열에 의해 가열되어 폭발을 유발한다. 우주공간은 진공상태이기 때문에 작은 폭발이라도 그 힘은 매우 크며 수많은 로켓 기체의 파편을 우주공간에 뿌려놓는다.

 

2. 인위적인 폭파

군사위성의 경우 군사기밀을 비밀에 부치기 위해서 위성의 수명이나 임무가 끝나면 자체 내에 장착된 폭파장치를 사용해 인위적으로 폭파시켜 여기서도 많은 파편이 발생한다.

 

 

3. 위성 간의 충돌 혹은 우주 쓰레기와의 충돌

실제로 2007년 미국과 러시아 위성 간의 충돌이 있었고, 중국이 자체적으로 폭파로 인해 우주 파편이 러시아 위성과 충돌하기도 했다. 그리고 최근에는 2019년 ESA와 스페이스X간의 충돌 위험이 있었다. ESA(유럽우주국)가 회피 기능을 사용하여 충돌은 면했지만 스페이스X가 통신위성 임무 후 대기권으로 진입하는 과정에서 이러한 위험이 더 발생할 것으로 보인다.

이외에도 인공 물체의 노후화에 따른 부스러기 발생과 위성 및 로켓의 폭발 등이 있다.

 

우주 쓰레기 충돌 위험 사례

2007년 중국은 수명이 다한 자국의 위성 '펑윈 1호'를 미사일로 요격했다. 이 위성은 산산조각이 나 3000개가 넘는 파편을 만들었다. 이후 2013년 러시아의 과학실험용 인공위성 ‘블리츠(BLITS)’가 펑윈 1호의 잔해와 부딪혀 파손되면서 궤도를 이탈하는 사건이 발생했다. 이때 우리나라는 당시 아리랑 위성 1,2호와 펑윈 1호 파편 충돌 시뮬레이션을 돌려 충돌 가능성을 확인하였다.

러시아의 과학실험용 위성 'BLIT'

2009년에는 790km 상공에서 미국의 ‘이리듐 33호’와 러시아의 ‘코스모스 2251호’ 위성이 충돌하면서 1800여 개의 새로운 우주 쓰레기가 생성됐고, 이는 지구 저궤도를 움직이는 인공위성에 언제든 부딪힐 가능성이 있는 위협 요소가 됐다. 실제로 2015년 한국의 ‘과학기술 위성 3호’는 당시 생성된 20cm 크기 파편이 44m 거리까지 접근해 충돌 직전까지 가기도 했다.

 

최근에는 2019년 ESA(유럽우주국)의 위성이 스페이스X 위성인 스타링크(Starlink) 44와 충돌 가능성이 높아지자 회피기동을 사용해 충돌을 면하며 이슈가 되기도 했다. 앞으로 스페이스X는 1만 여개의 위성을 더 쏘아 올릴 텐데 이와 같은 일이 수없이 많이 일어날 것이고, 자연스럽게 우주산업에 '우주쓰레기 처리'분야도 투자개발이 가속화 될 것이다.

 

2019년 2월 ESA 트위터

 

우주 쓰레기 제거 방법

우주 쓰레기를 제거하는 방법으로는 수동적인 방법과 능동적인 방법으로 나눌 수 있다. 수동적인 방법은 외부요인에 의한 제거로써 지구 주위 대기 항력에 의해 대기권 진입을 통한 제거 방법이 한 예다. 능동 제거는 위성이 해당 우주 쓰레기에 근접하여 제거하는 방법이다. 하지만 현재 우주공간에 존재하는 대부분 우주 쓰레기의 경우 직접적인 제어가 불가능하므로 서비스 위성 등을 이용한 능동적인 제거가 필요한 상황이다. 다소 생각하지도 못한 색다른 아이디어들이 많은데 일부를 소개하고자 한다.

 

인공 대기

성층권에서 기체를 폭발시켜 우주 쓰레기 궤도에 인공 대기를 만들어 이곳을 통과하는 우주 쓰레기에 항력을 발생시켜 속도를 낮추고 최종적으로 대기권에서 마찰열로 소각시키는 방식이다. 큰 물체보다 규모가 작은 물체에 효과적이다.

 

풍선형 저항 증가식

제거하고자 하는 우주파편을 포획 가능한 팔과 풍선이 탑재된 제거 위성을 부착시킨 후 풍선을 팽창하 여 미소 대기와의 저항 면적을 증가시켜서 서서히 우주파편을 추락시키는 방식이다.

 

그물 포획식

그물이나 태양돛과 유사한 전개 가능 한 물체를 활용하여 우주파편을 포획하는 방식

 

 

작살

그물과 같이 우주 쓰레기가 어떠한 형태, 자세, 회전율을 가지든지 작살이 물체에 결합하는데 복잡하지가 않다.

 

태양 돛

태양 돛은 최소 부피로 접은 상태로 인공위성이나 로켓 상단에 부착시킨 다음 임무 종료 후 펼친다. 이로서 많은 항력이 유발되어 우주 쓰레기의 속도가 감소되고 더불어 궤도도 점차 낮아지게 되어 최종적으로 대기권에서 마찰열에 의해 소각되어진다.

 

2010년 NASA가 실험한 태양 돛

 

거품

고분자 계열의 거품을 우주 쓰레기에 분사하고 거품이 팽창하여 구형 형태가 형성되도록 하는 방식이다. 이로서 무게 대 면적비가 커지게 되고 과도한 항력을 유발시킴으로써 우주쓰레기를 궤도에서 벗어나게 하는 방식이다. 이 방식은 우주쓰레기에 충격을 가하지 않아 파손되는 가능성은 적지만 1000kg 이하 정도의 큰 대상에 적합하다.

로봇 팔에 달린 거품 방출 노즐과 우주쓰레기에 형성 중인 거품

 

우주파편 차폐 시설

우주정거장 등의 보호 가치가 높은 시설물 혹 은 인공위성 등의 궤도 부근에 침입할 수 있는 우주파편으로부터 보호하기 위한 차폐 시설. 이는 여러 층위로 구성된 탄소섬유 복합재료로 제작된 그물 덩어리로서 보호하고자 하는 우주선 부근에 설치되어 주변에서 올 수 있는 우주파편을 차단하는 시설물이다.

이외에도 밧줄이나 전자기장을 이용한 아이디어 등이 있다. 물론 고도의 기술력이 필요하지만, 생각보다 엉뚱하면서도 단순한 방식들이지 않은가? 그물, 작살, 풍선 등 어떤 새롭고 거창한 방식이 아님을 알 수 있다.

2012년 2월 스위스 로잔 연방공과대학(EPFL)에서는 CleanSpace One 프로젝트를 발표했다. 큐브위성을 이용하여 우주파편을 제거하는 계획으로, 발사된 위성은 630~750 Km 상공에서 7.78Km/sec 속도로 우주파편을 가정한 큐브위성을 청소위성이 잡고, 텀블링을 줄인 안정된 상태에서 대기권으로 재진입한다. 이 청소위성은 2015~2016년에 발사 예정이었으나 2025년으로 미뤄졌다.

 

1999년 독일은 2.5톤짜리 우주 쓰레기 처리기계가 0.4톤짜리 타겟을 붙잡는 기술을 우주에서 시험하였다. 이러한 프로젝트를 통한 기술 확보를 기반으로 임의로 회전하면서 접근이나 도킹에 비협조적인 물체를 로봇팔을 이용하여 붙잡고 지구 재진입을 하기 위한 ‘DEOS’ 프로젝트를 진행해 왔으나, 2015년에 들어서 기술적인 타당성 및 지상시험단계에서 중단된 상태이다. 하지만 독일은 우주 로보틱스 분야에 상당한 기술력을 보유한 것으로 보이며 향후 활용 가능성이 높다.

 

 

우주 쓰레기 가이드라인

우주 쓰레기 경감을 위한 국제 가이드라인은 현재까지 법적 구속력(Non-Legally Binding)이 없는 ‘소프트법(Soft Law)’의 형태이었으나, 2007년 마침내 ‘UN 우주 쓰레기 경감 가이드라인’을 제정, 공포하였다. 또한 1993년 창설된 국제우주쓰레기조정위 원회(IADC)도 우주위험 및 우주쓰레기 관련 전문가들로 이루어진 워킹그룹을 통해 가이드라인을 제정함으로써 미국, 일본, 유럽, 중국, 인도 등 우주개발 국가들도 점차 자체 가이드라인을 제정하여 실천하기 시작하기 시작했다.

 

현재 대한민국은 자립기술로 개발 중인 발사체 '누리호'가 오는 10월 1차 발사를 앞두고 있다. 비록 1단 로켓 조립 지연으로 2월 발사가 10월로 연기되었지만 머지않아 우리나라도 발사체 자립에 성공해 우주개발이 보다 활발해질 것이다. 그렇다면 우리나라도 향후 우주개발에 따른 우주환경 변화에 일정 부분 역할을 할 수밖에 없을 것이다.

그래서 국내 같은 경우 2019년 6월 항공우주연구원이 '우주 쓰레기 경감 가이드라인' 초안을 작성한 상태로 주요 국가 가이드라인에서 요구되는 6가지 기술 항목들을 모두 반영하였다. 기술적으로 정밀한 분석이 필요하거나 당분간 적용 가능한 임무가 없는 지구 재진입 임무나 테더(Tether) 임무와 연관된 항목들은 제외하였다.

미래에 ‘국가 우주 쓰레기 가이드라인’이 공포가 되어 이후 시작하는 모든 우주개발 사업에 전반적인 영향을 줄 것으로 예상할 수 있다.

 

각 국가의 우주 쓰레기 가이드라인과 항우연의 가이드라인 비교를 나타낸 표

 

우주 쓰레기 걱정할 수준인가!?

 

지구를 둘러싼 우주 쓰레기 상상도

우주 쓰레기에 대한 전문가의 견해는 많이 나뉜다. 수많은 우주 쓰레기와 인공위성이 우주에 산재해 있지만 우주공간이 워낙 넓기 때문에 위험할 정도의 충돌사고가 발생할 확률은 매우 적기 때문이다. 그러나 우주개발이 탄력을 받은 이 시점에서 우주 쓰레기는 급증할 것이고 얼마 지나지 않아 가장 큰 골칫덩어리가 될 것은 분명하다. 마치 지금 지구가 플라스틱과 비닐 등 따위로 고통을 받는 것처럼 말이다. 재사용 로켓이 연구되어 지금 우주시대를 열었듯이, 우주 쓰레기 처리기술 또한 연구 중에 있으며 미래에는 급증한 우주 쓰레기를 처리할 해결책을 제시할 것이라 믿는다. 부디 지구 환경을 걷잡을 수 없을 만큼 오염시켰던 일을 반복하지 않기를 바란다.

 

junewoo1120.tistory.com/21

코리아 스페이스 포럼 2020  <1부>- 우주개발의 페러다임, 뉴스페이스 시대를 맞이하며

junewoo1120.tistory.com/15

태양광 발전 기술의 정점: 우주 태양광 발전(Space Solar Power)

 

* 위 글의 내용과 사진은 아래 참고문헌을 참조하여 작성하였습니다.

 

참고문헌

 

하늘을 떠다니는 우주 쓰레기/ 홍용식/ 1993년

 

space debris(우주 쓰레기)의 전파방해(우주 쓰레기 종량제 입박)/ 김광영/ 1995년

 

아리랑위성과 저궤도 우주파편 충돌 위험 분석/ 한국항공우주학회 김해동 외 4명/ 2007년

 

초소형 위성을 이용한 우주파편 제거 연구 동향/ 한국항공우주학회 임성민 외 2명/ 2013년

 

우주파편 능동 제거를 위한 영상 추적 기법 비교/ 한국항공우주학괴 임성민 외 2명/ 2013년

 

중국 위성 요격 시험 잔해, 러시아 위성과 충돌/ 한국우주연구원 원수희/ 2013년

 

우주파편 능동 제거 기술 연구개발 동향 분석/ 항공우주학회 김해동 외 1/ 2015년

 

우주 폐기물(쓰레기) 제거 방식에 대한 고찰/ 항공우주연구원 최준민/ 2016년

 

우주 쓰레기 가이드라인 국제 동향/ 한국항공우주학회 김해동/ 2019년

 

스페이스X의 인터넷 위성, ESA와 충돌 위기 피했다/ IT 조선/ 2019년

 

마구 쏘아올린 상업위성으로 지구 궤도 ‘만원’…우주 교통사고 우려/ 경향신문 이정호/ 2020년

 

우주쓰레기 경감 가이드라인 동향 및 향후 전망/ 한국항공우주학회 김해동/ 2020년