The Science Times

우주 쓰레기란?

유엔 우주국 사무국(United Nations Office for Outer Space Affairs)이 관리하는 우주로 발사된 물체 지수(Index of Objects Launched into Outer Space)에 따르면, 1957년 인류의 첫 인공위성이 발사된 이후로 총 12,298개의 인공위성이 발사되었다고 한다 (2022년 2월 기준). 이 중 8,378개의 위성(작동위성, 미작동 위성 모두 포함)만이 궤도에 존재하며 나머지 3,918개의 위성은 궤도 진입에 실패한 것으로 파악된다. 이들의 잔해, 로켓의 파편, 혹은 수명이 끝난 인공위성까지 모두 포함하여 ‘우주 쓰레기’ 혹은 ‘스페이스 데브리(Space debris)’라고 부른다.

궤도 진입 실패 위성이 저궤도 위성이라면 대기의 미세한 영향 덕분에 이들은 차츰 속도가 느려지며 이미 지구로 돌아왔거나 대부분 대기에서 정상적으로 불타버리게 된다. 하지만, 긴 궤도 수명 (orbit lifetime)을 가지고 있는 고궤도 위성들은 큰 문제가 될 수 있다. 우주 쓰레기들은 매우 빠른 속도로 지구를 공전하고 있기 때문이다. 운동에너지가 속도의 제곱에 비례함을 생각하면 이들의 파괴력은 기하급수적으로 증가하게 된다.

또한, 궤도 상의 수많은 우주 쓰레기들이 인공위성이나 또 다른 우주 쓰레기들을 파괴하게 되면 이는 또 다른 우주 쓰레기의 급증을 일으킬 수 있다. ESA의 우주 쓰레기 사무소(Space Debris Office)에 따르면 인공위성을 포함하여 대략 30,000개 이상의 크고 작은 인공 물체가 우리 행성을 공전하고 있으며, 그중 3억 개 이상의 작은 물체들은 총알보다 최대 5배나 빠른 30,000km/h의 속도로 우주를 날고 있다고 밝혔다. 빠른 속도로 증가하고 있는 인공위성 발사를 생각한다면 우주 쓰레기의 숫자는 날로 증가할 것이 자명하다.

유럽 우주국에 따르면 대략 30,000개 이상의 크고 작은 인공 물체가 우리 행성을 공전하고 있다고 한다. © ESA

왜 우주쓰레기들을 청소해야 하는가

우주 쓰레기들을 청소하지 못한다면 인공위성 궤도들은 우주쓰레기들로 뒤덮일 수 있으며, 이는 인류의 우주 진출을 막아버리게 된다. 또한, 인공위성의 파괴등으로 인공위성의 사용이 중지된다면 인류는 당장 큰 혼란에 빠질 수 있다. 인공위성을 이용하여 미래 기후를 예측하고 대비하는 환경적인 측면에서 생각해도 미래의 지구 및 환경 보호 역시 인공위성 없이는 불가능하게 된다. 큰 우주 쓰레기들은 몇 년 전 우리를 큰 불안에 떨게 했던 중국 우주정류장 텐궁 1호 남태평양 추락 사건처럼 지구를 직접 위협할 수도 있다. 따라서 우주 쓰레기들을 제거하는 미션들은 궁극적으로 인류를 위한 미션이 된다.

호주에서 발견된 공 모양의 금속은 우주에서 떨어진 것으로 추정된다. © dpa

우주 쓰레기 해결에 관한 첫 제안은 이미 1970년대 말부터 시작되었다. 하지만, 이는 국가 간의 이해관계가 얽혀 있는 문제이기도 하며 마땅한 해결책이 없던 탓에 풀기 쉽지 않은 문제가 되어버렸으며 최근에서야 국가나 국가 연합별로 연구가 진행되기 시작하였다. 과학자들이 우주 쓰레기 문제의 해결을 위해서 내놓은 아이디어는 매우 다양한데, 대표적으로 작살과 비슷한 도구를 이용하여 우주쓰레기를 포착하거나 큰 그물망을 우주 공간에 펼쳐 우주쓰레기를 포획하는 등의 여러 가지 방법 등이 거론되고 있다.

중국의 SJ-21 위성 우주쓰레기를 청소하다 

최근 Center of Strategic and International Studies 연구소와 Secure World Foundation 재단이 주최한 학회에서 위성 위치를 추적 프로그램의 설계자이자 미국 민간 기업 ExoAnalytic Solutions의 수석 연구원 브리엔 플레벨링 박사 (Dr. Brien Flewelling)는 상당히 흥미로운 결과를 발표했다. 플레벨링 박사에 따르면 지난 1월 중국의 우주선이 비활성 위성을 “묘지 궤도 (graveyard orbit, 혹은 junk orbit이나 disposal orbit이라고도 부름: 임무가 끝난 인공위성이 다른 인공위성들과의 충돌을 방지하기 위해서 남은 추진제를 써서 이동하는 궤도)”에 던지고 있는 것을 포착했다고 한다. 우주 쓰레기들이 이곳에 던져지면 활동 중인 인공위성들과 부딪힐 확률이 낮으며 다시 대기권에 재돌입시켜서 쓰레기를 처리하는 것보다 훨씬 더 효과적이기에 우주 쓰레기의 제거에 관한 최선의 방법의 하나로 여겨지고 있다. 플레벨링 박사는 중국의 SJ-21 위성이 1월 22일 비활성 위성 Compass-G2 (중국 명칭: BeiDou-2 G2)에 접근하기 위하여 궤도를 변경하는 것이 목격되었고 며칠 후 SJ-21 위성은 G2와 부착되어서 궤도를 변경했다고 밝혔다. 이후 며칠 동안 두 우주 물체들은 마치 춤을 추는 모습을 보이며 서쪽으로 이동했고, 1월 26일 두 개의 위성이 분리되면서 G2와의 연락은 끊긴 것으로 추정하고 있다고 밝혔다 (관련 영상 시청).

Compass-G2는 2009년 발사 직후 실패한 중국의 BeiDou-2 항법 위성 시스템의 우주선으로 10년 넘게 우주 쓰레기로 지구를 공전하고 있었다. 한편, 2021년 10월에 발사된 SJ-21은 다시 콩고 분지 바로 위의 정지궤도(GSO: geostationary orbit 혹은 GEO: geosynchronous equatorial orbit이라고 부름; 지구의 자전과 같은 속도로 지구를 공전하는 인공위성의 궤도)로 돌아온 상태이다.

GPS, GLONASS, 갈릴레오, 베이두-2, 국제 우주 정거장, 허블 우주 망원경 및 정지 궤도 (및 그 무덤 궤도)의 궤도 크기 비교 © yoursurvivalguy.com

궁극적으로 지구를 지키고자 하는 인류의 다양한 노력들

미공군은 SJ-21이 중국의 OSAM(On-Orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing) 위성일 것이라고 예측하고 있다. 많은 우주 관련 연구소와 기관들은 수십 년 동안 다양한 OSAM 임무를 개발하며 발전시키기 위해서 노력해 왔는데, 예를 들어서 기존 위성에 연료를 보급하거나 수리하거나 우주 폐기물을 처리하도록 설계된 우주선 등이 그들에 해당한다.

유럽 우주국(ESA)은 정지궤도에서 고장 난 위성을 잡아 수리하기 위한 GSV(Geostationary Servicing Vehicle) 프로그램으로 1990년에 OSAM 프로젝트를 시험 가동하기 시작했으며, 1993년 12월 수행된 허블 우주 망원경 광학 수리는 가장 성공적인 OSAM 임무 중 하나로 평가받고 있다. 또한, 유럽우주국은 2025년에 자체 쓰레기 수거 임무를 시작할 계획이다.

유럽 우주국의 첫 우주쓰레기 제거 미션의 상상도 © ESA

위 미션을 담당하게 될 스위스의 로잔 연방 공과 대학교는 ‘클린 스페이스 원’ 임무를 제안하며, 청소 위성을 발사 후 우주 쓰레기를 수거한 다음 다시 지구 대기권에 돌입 시키는 방법을 이용하여 우주 쓰레기를 처리하자고 주장한다. 하지만, 이는 일회성 임무이기 때문에 매우 비싼 비용은 단점으로 지적되고 있다.

유럽 우주국의 첫 우주쓰레기 제거 미션의 대략적인 계획 © ClearSpace/ESA

미 항공 우주국(NASA) 역시 OSAM-1 및 OSAM-2를 포함하여 여러 가지 다양한 OSAM 임무들을 추가적으로 계획하고 있다. 특히, OSAM-2는 3D 프린터를 탑재하여 직접 부품들을 설계 제작하도록 계획되고 있다.

OSAM 프로젝트의 다양한 응용들과 이들의 사용 현황 © NASA

미 퍼듀대 연구진은 앞으로 발생하게 될 우주쓰레기를 방지할 방법으로 드래그세일(drag sail)을 활용하자고 주장한다 (정식 미션 명칭: 스피너커3 Spinnaker3). 드래그세일이란 얇은 사각형의 막을 우주 공간에서 돛처럼 펼칠 수 있는 우주선으로 돛에 부딪히는 태양광과 태양풍을 에너지로 활용하는 미래형 우주선이다. 한 가지 아쉬운 점은 현재 지구 궤도를 돌고 있는 우주쓰레기에 드래그세일을 부착하는 것은 불가능하며, 미래의 우주선이나 위성이 수명을 다해서 우주 쓰레기로 전락하기 직전에 이를 펼쳐서 회전 속도를 줄이며 결국 지구 대기권으로의 추락을 유도함이 목적이다.

Spinnaker3미션에 사용될 드래그세일의 실제 모습 © 퍼듀대학교

일본은 2021년 3월 우주 쓰레기 포집 및 제거 기술을 테스트하기 위해 설계된 ELSA-d (End-of-Life Services by Astroscale) 임무를 시작했다. Astroscale의 창업자이자 위 임무의 총 책임자인 오카다 노부(Nobu Okada)에 따르면, 위 미션은 서비스 위성과 클라이언트 위성의 두 개 위성이 함께 작동하며 세밀하게 작동하는 포획 전용 로봇 팔이 포함되어 있다.

우리 나라 역시 ‘2021년 우주 위험 대비 시행계획’을 통하여 우주물체의 추락 및 충돌 등을 대비한 통합 대응체계를 구축하고자 노력하고 있다. 주로 우주 위험 사전 감시 예방을 위한 기술 개발과 우주 위험 대비 기반 확충 등을 위한 노력을 기울이고 있다.

한편, OSAM임무를 이용한 우주 쓰레기 처리 기술에 관한 우려도 적지 않다. 미국 우주사령부 사령관인 제임스 디킨슨(James Dickinson)은 이러한 기술이 미래에 다른 위성을 잡아먹는 시스템에 사용될 수 있다는 우려를 표한 바 있다.

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