기획·칼럼

우주 시대 본격화…우주쓰레기는 어쩌나

[우주라이크 사이언스] 우주를 알면 미래가 보인다(2)

지난 24일 미국 플로리다 주 케이프커내버럴 공군기지에서는 60기의 위성을 실은 민간기업 스페이스 X의 팰컨 9 로켓이 발사되었다. 이 날 발사는 스페이스 X가 2008년 9월 첫 로켓을 발사한 이래 12년 만에 이룩한 100번째 로켓 발사였다. 미국이나 러시아 같은 국가가 아닌 민간 차원의 로켓 발사로는 최대 기록이다. 스페이스 X는 영화 아이언맨의 실제 모델로 알려진 일론 머스크가 2002년에 세운 우주기업으로 지난 5월 31일 최초의 민간 유인 우주선 크루드래건을 쏘아 올린 로켓도 바로 스페이스 X의 팰컨 9이었다.

스페이스 X의 100번째 로켓 발사 장면. ⒸspaceX.com

스페이스 X의 로켓 발사는 이달 들어서만 벌써 세 번째다. 이미 지난 6일과 18일에도 각각 60기의 위성을 실은 팰컨 9 로켓이 발사되었다. 지구 전체로 보면 이날 발사된 로켓은 이 달에 발사된 7번째 로켓이었고, 이달 말까지 아직 여섯 차례 정도의 로켓 발사가 남아 있다.

매년 100대가 넘는 로켓이 발사되고 있고, 이들이 배치하는 위성의 수도 매년 수백에서 수천에 이른다. 스페이스 X의 기업 가치는 수백억 달러를 넘어섰고, 우주산업의 시장 규모도 이미 수천억 달러에 이르고 있다. 로켓과 위성이 주도하는 우주 시대가 본격적으로 시작되었다고 볼 수 있을 것이다.

하늘에 별이 많이 보일까, 인공위성이 많이 보일까?

많은 사람들은 밤하늘에서 점으로 빛나는 별들 중 상당수가 인공위성일 것이라고 생각하고 있다. 하지만 실제로 별들과 착각할 수 있는 인공위성은 없다. 지구의 중력으로 인해 어떤 물체도 지구 궤도 위에 별처럼 정지해 있을 수 없기 때문이다. 지구 표면에서 가까이 떠 있는 인공위성일수록 지구의 중력을 많이 받기 때문에 그만큼 더 빨리 지구 둘레를 공전한다.

인공위성은 움직이는 별이다. 우리 눈에 보이는 인공위성들은 대부분 지상 1000km 이내에 있는 저궤도 위성으로 1시간 30분~40분 사이에 한 바퀴씩 지구를 돈다. 따라서 한 지점의 하늘을 가로지르는 시간은 수 분 정도이다. 밤하늘에서 작은 점이 서서히 움직이는 것이 보인다면 그것은 인공위성이다. 물론 움직이는 점에서 주기적으로 빛이 번쩍인다면 그것은 비행기일 것이다.

지상 400km 정도에서 1 시간 30분에 한 바퀴씩 지구를 돌고 있는 국제우주정거장(International Space Station)은 최대 밝기가 -4등급 정도로 1등성보다도 100배 이상 밝게 보인다. 하늘에서 엄청나게 밝은 별이 움직이는 것을 보았다면, 그것은 국제우주정거장일 가능성이 가장 높다.

현재 지구 상공에는 수 천 대 이상의 인공위성이 날고 있는데, 그중 위성 정보가 알려져 있는 것은 대략 2700대 정도이다. 위성 위치를 알려주는 가장 인기 있는 웹사이트인 헤븐스어버브<해당 사이트>에서는 국제우주정거장을 포함하여 자신의 위치에서 볼 수 있는 밝은 위성들의 위치를 실시간으로 확인할 수 있다. 국제우주정거장의 정확한 위치 정보는 미국항공우주국 사이트<해당 사이트>에서도 찾을 수 있다.

지구를 벗어나기 위해서는 얼마나 큰 힘이 필요할까?

공을 던지면 높이 날아가다 떨어지게 된다. 여기에 힘을 더 주면 공은 더 멀리 날아간다. 그러나 아무리 세게 던져도 사람의 힘으로 던진 공은 다시 땅으로 떨어지게 되어 있다. 바로 지구가 잡아당기는 중력과 공기와 부딪히는 항력이 공의 속도를 늦추기 때문이다. 그러면 공이 딸에 떨어지지 않게 하려면 얼마나 빨리 던져야 할까? 공을 7.9km/초의 속도로 던지면, 공은 땅에 떨어지지 않고 지구 둘레를 둥근 궤도로 돌게 된다. 즉 이때 공에 작용하는 중력과 공이 움직이는 힘이 같아지게 되는 것이다. 물론 이 경우에도 공이 도는 위치에 희박하게나마 공기가 있다면 공의 속도는 서서히 줄어들어 결국 땅에 떨어지게 된다.

그렇다면 지구의 중력을 벗어나 공을 우주로 날아가게 하려면 얼마나 빠른 속도로 던져야 할까? 지구의 중력을 벗어나 우주로 날아갈 수 있는 초기 속도인 11.2km/초를 지구 탈출 속도라고 한다. 이 속도 이상으로 물체를 던지면 그 물체는 지구를 벗어나 우주로 날아가게 된다. 그리고 7.9km/초와 11.2km/초 사이의 속도로 물체를 던지면 그 물체는 지구 둘레를 타원궤도로 돌게 된다. 만약 그 속도가 16.7km/초를 넘어서면 물체는 태양계를 벗어나 더 먼 우주로 날아갈 수 있다. 이들 속도를 각각 제1, 제2, 제3 우주속도라고 부른다.

지구 탈출 속도. Ⓒ천문우주기획

그렇다면 인공위성을 발사할 때 어떤 방향으로, 어디에서 발사하는 것이 가장 효율적일까? 일단 인공위성을 지구 위에 올리기 위해선 엄청난 속도를 내기 위한 힘이 필요하다. 그런데 지구의 자전 방향과 같은 서에서 동으로 위성을 쏘아 올리면 지구의 자전 속도인 0.4km/초(우리나라 정도의 위도)의 도움을 받을 수 있을 것이다. 또한 지구에서 가장 자전 속도가 빠른 적도(0.5km/초)에서 발사하는 것이 조금 더 유리할 것이다.

위성은 그 위치와 궤도, 역할 등에 따라 여러 가지로 나누어질 수 있다. 위치에 따라서는 고도 1000km 내외의 높이에 떠 있는 저궤도 위성, 적도 상공 3만 6000km 정도에 떠 있는 정지위성, 그리고 극지 관측을 위해 찌그러진 궤도를 도는 극궤도 위성 등으로 나눌 수 있다. 또한 위성의 역할에 따라 과학탐사위성, 기상위성, 통신위성, 지구관측위성, 군사위성 등 다양하게 나눌 수 있다. 여러 가지 기능을 함께 수행하는 다목적 위성도 많이 개발되고 있다.

우주 인터넷 시대는 언제쯤 도래할까?

초고속 인터넷 서비스를 제공하기 위해 지구 저궤도에 위성을 쏘아 올려 거대한 위성 네트워크를 만드는 사업을 위성 인터넷 별자리(satellite internet constellation) 혹은 메가컨스텔레이션(megaconstellations)이라고 부른다. 현재 미국의 스페이스 X, 아마존, 영국의 원웹 등이 추진하고 있는 이 사업으로 인해 지난 60여 년 동안 쏘아 올린 인공위성보다 더 많은 위성이 앞으로 10년 이내에 지구 궤도에 배치될 전망이다.

지난 7월 말 미국 연방통신위원회는 3000기가 넘는 통신위성을 발사하여 우주 인터넷망을 구성하는 아마존의 카이퍼 계획(Project Kuiper)을 승인하였다. 이보다 앞서 1만 2000대의 위성으로 우주 인터넷망을 구축하는 스타링크 계획(Starlink Project)을 추진하고 있는 스페이스 X는 2019년 5월 첫 발사 이후 현재까지 800대가 넘는 위성을 지상 550km 정도의 궤도에 올려놓았다. 스페이스 X는 스타링크 위성을 최대 4만 개 이상으로 늘릴 계획까지 발표하였다.

이외에도 이미 74대의 위성을 배치한 영국의 원웹은 올해 초 코로나 사태 등으로 인한 경영난으로 파산했지만 영국 정부가 직접 사업을 인수하여 인터넷 사업을 재개할 계획으로 알려져 있다.

스페이스X의 스타링크 구성도. Ⓒ spacex

이들 위성들이 모두 배치되면 하늘에는 눈에 보이는 별들보다 더 많은 인공위성이 떠 있게 된다. 지구 전체에서 맨눈으로 볼 수 있는 별은 1등성에서 6등성까지로 1만 개가 채 안 된다. 수 만개의 위성이 하루에 15 바퀴 이상 지구를 돌게 되면 이들 위성들로 인해 천문학 연구에 상당한 방해가 초래될 수 있다는 우려가 나오고 있다. 위성들이 반사하는 빛으로 인해 망원경으로 촬영된 별빛의 정확한 분석이 어렵기 때문이다.

스페이스 X는 위성의 밝기를 줄이기 위해 표면에 검은 도료를 칠한 다크샛(DarkSat)이나 가림막을 장착한 바이저샛(VisorSat)을 개발하고 있지만 천문학자들은 그 효과에 대해 확신을 갖지 못하고 있다.

스타링크 위성으로 인한 빛공해. Ⓒ Cerro Tololo Inter-American Observatory.

아울러 이들 위성들로 인해 발생할 수 있는 우주쓰레기 문제도 제기되고 있다. 저궤도 위성의 수명은 수 년 정도로 길어야 십 년을 넘기 어렵다. 수명이 다해 통제되지 않는 위성들은 결국 우주쓰레기로 남게 되고 다른 위성이나 우주선들에 피해를 줄 수 있다.

우주쓰레기와 케슬러 신드롬

우주쓰레기는 지구 궤도를 돌고 있는 인공 물질들 중에 쓸모없이 버려진 물건들을 의미한다. 수명이 다한 인공위성을 비롯하여 발사 로켓의 파편, 그리고 우주 왕복선에서 떨어져 나온 부품 등 인간이 버린 우주 쓰레기는 수 마이크론에서 수 미터까지 그 크기도 다양하다. 인위적으로 만들어진 이러한 우주 쓰레기들은 이제 우주에서 자연적으로 발생하는 운석의 수를 훨씬 능가하고 있고, 위성이나 우주선과 충돌할 위험성을 항상 내포하고 있어서 문제가 되고 있다.

1950년대 우주 개발이 시작된 이래 지금까지 1만 대 가까운 인공위성이 지구 궤도 위에 올려졌다. 이들 위성들은 대부분 수 년 정도 시간이 지나면 연료가 고갈되어 더 이상 위성으로서의 역할을 하지 못하고 우주쓰레기로 남게 된다. 낡은 인공위성들은 크기가 큰 데 비해 숫자는 많지 않다. 오히려 대부분의 우주쓰레기들은 크기가 작아서 추적하기 힘든 것들이다. 우주쓰레기 중 길이가 10cm 이상 되는 것들은 2~3만 개, 1~10cm까지는 수 십 만개, 1cm 이하는 1억 개 이상으로 추정되고 있다. 그중 길이가 10cm 이상 되는 것들은 미국항공우주국(NASA) 등에서 망원경이나 레이더망을 이용하여 그 위치를 추적하고 있다.

지구 저궤도의 우주쓰레기. ⒸNASA

크기가 작은 우주쓰레기들 중 상당 부분은 위성 파괴 실험으로 만들어졌다. 위성을 발사하는 데 사용된 로켓의 잔해들이 만드는 우주쓰레기의 양도 엄청나다. 위성을 원하는 고도에 올리기 위해서는 다단계의 로켓이 사용된다. 그중 마지막 단계의 로켓은 위성을 분리시킨 후 궤도에 남아서 쓰레기가 되거나 남은 연료들이 팽창하여 폭발하면서 상당한 양의 우주쓰레기를 만들기도 한다. 흔한 경우는 아니지만 위성끼리 충돌하여 우주쓰레기를 만들기도 한다.

지구의 쓰레기와 마찬가지로 우주쓰레기도 자연적으로 소멸되기도 한다. 고도 1000km 정도의 지구 궤도에도 희박하게나마 공기가 존재한다. 우주쓰레기들이 공기와의 마찰로 속도가 느려지면 지구의 중력으로 인해 고도가 낮아진다. 그리고 지상 100km 이내로 들어오면 대부분 별똥별처럼 불에 타서 소멸된다. 우주쓰레기가 대기 속에서 소멸되기까지는 지상 300km 정도에서는 수개월, 600km 정도에서는 수년, 800km에서는 수십년, 1000km 이상에서는 100년 이상이 걸린다.

우주쓰레기가 어느 한계 이상 많아지면 우주쓰레기가 위성을 파괴하고, 이로 인해 발생한 파편들이 연쇄적으로 위성을 파괴하는 현상이 일어날 수도 있다. 이러한 현상을 케슬러 신드롬이라고 하는데 우주쓰레기의 위험을 예상한 NASA 과학자 케슬러의 이름을 딴 현상이다. 무분별한 우주 개발과 위성 발사로 우주쓰레기가 많아지고 결국 케슬러 신드롬이 발생하게 되면 우리는 수십 년 이상을 우주쓰레기에 갇혀서 지구를 벗어날 수 없는 시기가 올 수도 있다.

우주쓰레기를 청소할 수 있는 획기적인 방법을 찾기는 쉽지 않을 것 같다. 우주쓰레기의 양이 많은 것도 문제지만 너무 넓은 공간에 퍼져 있기 때문이다.  지구궤도를 깨끗하게 유지하기 위해서는 우주쓰레기를 치우는 문제와 더불어  크린 발사에 대한 공감대를 형성하는 것이 필요하다.

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