작년 9월과 10월에는 수명을 다한 미국 초고층대기관측위성(UARS), 독일 뢴트겐 위성이 각각 태평양과 인도양 벵갈만에 추락한 바 있다.
특히 뢴트겐 위성은 한때 중국 베이징을 직격할 것으로 알려져 큰 우려를 낳기도 했다.
대덕=구본혁 기자 nbgkoo@sed.co.kr
양철승 기자 csyang@sed.co.kr
박소란 기자 psr@sed.co.kr
우주쓰레기를 감시하고 있는 미국 합동우주작전사령부(JSpOC)의 자료에 따르면 현재 지구 저궤도와 정지궤도를 떠돌고 있는 직경 10㎝ 이상의 우주쓰레기는 약 3만5,000여개에 달한다.
여기에 직경 1㎝ 이상은 50~60만개, 직경 1㎜ 이상은 무려 수천만개로 추산된다.
미 항공우주국(NASA), 유럽우주기구(ESA) 등이 시뮬레이션한 지구 밖 우주쓰레기의 그래픽 이미지를 봐도 무수한 우주쓰레기들이 마치 방어벽이라도 쳐 놓은 듯 지구 전체를 촘촘히 감싸고 있다. 그동안 우주왕복선이나 우주로켓, 화성탐사선 등이 어떻게 이들 사이로 빠져나갔는지 언뜻 이해가 되지 않을 정도다.
우주쓰레기 생산 공장
우주잔해물이라고도 불리는 이들 우주쓰레기는 폐기된 인공위성과 그 파편, 위성 발사에 이용된 상단로켓의 잔해, 로켓의 노즈 페어링과 연료통 등 그 종류가 매우 다양하다. 그중에는 국제우주정거장(ISS)의 우주비행사가 실수로 놓친 스크루드라이버도 있다.
하지만 우주쓰레기의 최대 출처이자 현존하는 우주쓰레기의 대다수를 차지하고 있는 것은 다름 아닌 폐기된 인공위성이다.
지난 1957년 인류최초의 인공위성인 러시아의 스푸트니크 1호 이래 지금까지 지구 궤도에는 약 7,000여기의 위성이 발사됐다. 그리고 현재 약 3,500여기가 궤도상에 머물고 있다. 김해동 한국항공우주연구원 비행역학제어팀 박사는 "이중 통신, 기상관측, 탐사 등의 임무를 수행 중인 것은 1,100여기"라며 "이들을 제외한 2,400여기가 수명을 다하고 버려진 사실상의 우주쓰레기"라고 밝혔다.
지금껏 총 12기의 인공위성을 띄운 우리나라의 경우에도 1992년부터 발사된 실험용 과학 위성 우리별 시리즈와 2008년 임무가 종료된 아리랑 1호가 우주쓰레기 신세로 전락한 상태다.
김 박사에 의하면 일반적으로 인공위성은 냉각수 파이프를 이용해 온도를 골고루 분산시키는데 수명을 다해 가동을 멈추면 우주공간의 극심한 온도차로 깨져버린다. 배터리가 남아 있는 추진체들은 폭발하게 된다. 우주쓰레기의 약 40%를 차지하는 파편들이 이렇게 발생한다는 설명이다.
김 박사는 또 "숫자가 워낙 많기 때문에 통제권을 잃은 우주쓰레기들이 서로 충돌하는 사례도 잦다"며 "대형 우주쓰레기 2개가 충돌, 크기가 수㎜에 불과한 수 만개의 작은 파편들이 양산되는 악순환을 '케슬러 증후군(Kessler syndrome)'이라 한다"고 말했다.
실제로 지난 2009년 미국 통신위성 이리듐 33호가 기능이 정지한 채 우주를 떠다니던 러시아의 통신위성 코스모스 2251호와 충돌하며 2,000여개의 새로운 우주쓰레기를 만들어냈다.
여기에 더해 미국, 러시아, 중국 등이 추진하고 있는 미사일 방어 체계도 우주쓰레기 양산을 가속화시키는 요인으로 작용한다. 2007년 중국의 인공위성 요격테스트로 10㎝ 이상의 우주쓰레기 1,000개 이상이 발생된 것이 실례다.
상황이 이런 만큼 인공위성을 우주쓰레기 생산공장이라 칭해도 실언은 아닌 셈이다.
노즈 페어링(nose fairing) - 로켓발사체 최상단에 위치한 원뿔 모양의 보호 덮개. 그 속에 위성이 들어 있으며 위성이 분출되기 전 미리 로켓과 분리된다.
위험천만
덩치가 큰 국제우주정거장은 우주쓰레기와의 충돌 위험도 크다. 때문에 우주인이 머무는 거주 모듈은 2개의 고강도 금속판으로 만든 방호벽이 둘러싸고 있다.
1㎜와 충돌해도 우주비행사 사망
우주쓰레기는 고도 2,000㎞ 이하의 저궤도에서 초속 7~8㎞, 그 이상의 고도에서는 초속 10~11 ㎞의 속도로 지구를 공전하고 있다. 이처럼 엄청난 속도로 인해 직경 1㎜의 우주쓰레기조차 유영 중인 우주인의 생명을 앗아갈 수 있으며 ISS 및 인공위성과 충돌하면 심각한 피해가 불가피하다. 대다수 위성의 경우 직경 10㎝ 이상의 우주쓰레기와 충돌 시 완파돼 버린다.
이는 단순한 개연성이 아니다. 이미 ISS는 우주쓰레기와의 충돌 위험 때문에 13차례나 궤도를 긴급 수정한 바 있다. 그나마 궤도 수정이라도 할 수 있다면 다행이다. 직경 10㎝ 이하의 우주쓰레기는 위치추적이 제대로 이뤄지고 있지 않아 대응시간이 부족하다. 이때는 ISS 내에서 좀 더 안전한 곳으로 대피하는 것밖에는 별 다른 방법이 없다. 2009년 3월에도 직경 0.84㎝ 의 우주쓰레기가 갑자기 접근해 승무원들이 급히 소유즈 캡슐로 대피했다. 알려진 바로는 매년 1~2회 이상 이런 일이 생긴다.
이와 관련 ISS는 기본적으로 일반 인공위성 보다 10배 이상 내구성 강한 구조물을 채용, 우주쓰레기와의 충돌에 대비하고 있으며 거주 모듈은 2개의 고강도 금속판으로 만든 방호벽이 둘러싸고 있다.
김 박사는 "위성끼리의 충돌은 당장 ISS와 우주인들에게 큰 위협이 된다"며 "파편이 인공 위성 궤도보다 낮은 궤도에서 지구를 공전 중인 ISS로 비산(飛散)돼 2차 충돌의 가능성이 있다"고 설명했다.
게다가 주지하다시피 우주쓰레기의 위협은 이제 우주공간을 넘어 지구에 살고 있는 사람들에게로 확대되고 있다. 전문가들은 거의 일주일에 한 번 꼴로 우주쓰레기가 지구로 떨어지는 것으로 파악하고 있으며 이 중 뢴트겐 위성처럼 마찰열을 견딘 일부 잔해물은 지표상에 낙하할 수 있다. 1997년에는 미국 오클라호마에 살던 한 여성이 지상에서 델타 로켓의 연료 탱크 잔해물에 맞아 어깨를 다치는 사고도 있었다.
우주쓰레기의 위협은 우주공간을 넘어 지구에 살고 있는 사람들에게로 확대되고 있다.
정지궤도 위성은 우주 무덤으로
물론 우주쓰레기는 영원불멸의 존재가 아니다. 김 박사에 따르면 지구 비대칭 중력장, 대기저항 등의 영향을 받아 시간이 지나면 점차 고도가 낮아지며 지구 대기권에 진입, 마찰열에 의해 소멸된다. 앞서 언급한 7,000여기의 위성 중 지금은 사라진 3,500여기가 이렇게 제거됐다.
그러나 여기에도 문제는 있다. 저궤도 위성이라도 대기권 재진입에 수십년 이상이 걸린다. 특히 운용고도가 3만6,000㎞인 정지궤도 위성은 최대 수백년의 시간이 필요하다. 그렇다고 고도를 강제로 낮추기도 어렵다. 1파운드 (454g)의 화물을 지구궤도에 올리는 데 무려 1만 2,000달러의 비용이 들어간다는 점에서 대기권 재진입 시의 엔진가동을 위한 추가 연료 탑재는 과도한 발사비용 증가를 초래하는 탓이다.
그러면 지금은 어떻게 처리되고 있을까. 그냥 내버려 두는 걸까. 김 박사의 설명이다.
"정지궤도는 운용 공간이 매우 제한적이어서 내버려둔다면 새로운 위성을 띄우기 어렵습니다. 그래서 폐 정지궤도 위성은 원래 궤도에서 200~300㎞ 정도 위쪽으로 위치를 이동시켜 새로운 위성이 운용될 공간을 확보하는 게 상례에요. 이렇듯 정지궤도 위성들이 폐기되는 궤도를 '우주 무덤'이라 부릅니다. 우리나라의 정지궤도 위성인 무궁화 시리즈와 천리안 또한 이미 이 같은 방식으로 우주 무덤에 폐기했거나 향후 임무를 마치면 그렇게 할 계획이죠."
그러나 매년 100여기에 가까운 위성이 추가 발사되는 현실을 감안할 때 우주쓰레기의 기하 급수적 증가는 불을 보듯 뻔한 일이다. 앞으로 충돌 위험과 지표상으로의 낙하 빈도는 계속 높아질 것이며 종국에는 안전한 지구탈출 루트 확보가 어려워 인류의 우주탐사와 개발을 막는 장벽이 될 수도 있다.
이에 미국, 유럽, 러시아 등 우주강국들은 오래전부터 우주쓰레기 증가 방지에 다각적 노력을 기울이고 있다. 저궤도 위성의 임무종료 후 우주공간 잔류시간을 25년 이하로 정한 NASA의 '25년 규정'이 그 실례다. 이 규정에 맞춰 NASA는 임무 종료 직후 엔진을 가동, 수십 ㎞ 이상 고도를 낮춰 대기권 재진입에 의해 자연 소멸되는 시간을 앞당기고 있다. 추가 연료 탑재에 따른 비용부담을 감수하면서 말이다.
케슬러 증후군
지구궤도의 인공위성이 폭발 혹은 다른 우주쓰레기와 충돌하면 수천~수만개의 작은 우주쓰레기가 만들어진다.
우주쓰레기의 탐지·추적만으로는 모든 위성에 대한 충돌 가능성을 계산해 내기 어렵다.
우주쓰레기 감시·추적 프로그램
같은 맥락에서 위성, 우주발사체, ISS 등과 우주쓰레기의 충돌을 막고자 위치추적을 통한 위험 회피 능력 제고에도 한창이다. 사실상 우주 쓰레기의 궤도와 위치를 정확히 파악, 사전에 회피하는 것이 우주공간의 자산과 인명을 구할 가장 현실적이고 효과적인 방법이기 때문이다.
이 일환으로 JSpOC가 고성능 광학망원경 등을 활용, 직경 10㎝ 이상의 우주쓰레기를 추적하고 있으며 미 공군은 2015년 가동을 목표로 직경 2㎝ 이상의 우주쓰레기 10만여개를 탐지·추적하는 '우주 울타리(Space Fence)' 시스템 구축에 나섰다. 유럽연합도 약 2조원의 예산을 투입해 2015년경 '유럽우주감시망'을 운용할 계획이다.
후발주자이기는 해도 미래의 우주강국을 꿈꾸는 우리나라 역시 항우연과 한국천문연구원이 관련작업에 돌입했다. 먼저 항우연은 국내 최초로 '우주 파편 충돌위험 종합관리시스템'을 개발 중이다. 이 시스템은 우리나라 위성들에 접근한 우주 쓰레기와의 충돌확률과 근접거리를 계산·분석해 일정 위험수준을 초과하면 궤도조정을 수행할 수 있다.
천문연의 경우 오는 2016년까지 240억원을 들여 직경 0.5m급 광학망원경과 우주감시용 전자광학카메라를 보유한 우주물체 추적소 5곳을 몽골·터키·남아공·호주 등지에 설치할 예정이다.
박장현 천문연 우주감시사업센터장은 "지금은 JSpOC의 데이터에 의존, 우주쓰레기 추락 시 신속한 추적데이터 입수에 한계가 있다"며 "추적소가 본격 운용되면 자체적 감시능력이 확보돼 우주쓰레기에 의한 인적·물적 피해를 미연에 막을 수 있을 것"이라고 밝혔다.
하지만 우주쓰레기의 탐지·추적만으로는 모든 위성에 대한 충돌 가능성을 계산해 내기 어렵다. 지구 대기의 저항에 더해 태양, 달, 지구 등의 인력이 위성 궤도에 영향을 줄 수 있고 각국이 비밀리에 운용 중인 첩보위성과의 충돌 가능성도 큰 탓이다.
김 박사는 "직경 1㎝ 이하의 작은 우주쓰레기들과의 충돌은 현실적으로 피할 수 없다"며 "충돌하더라도 임무수행에 영향이 없도록 위성 플랫폼의 두께를 키우거나 특수재질을 개발하는 방안을 고려하고 있다"고 전했다.
우주쓰레기 청소 프로젝트
NASA의 '25년 규정'이나 우주 무덤 폐기는 국제적 강제 규정이 아니다. 기하급수적으로 증가하는 우주쓰레기의 위험을 원천적으로 제거하는 대책도 될 수 없다. 그래서 아예 우주공간에서 직접 우주쓰레기를 청소하는 능동적 대응책 연구가 최근 활발히 이뤄지고 있다.
전자기 사슬
미국 스타테크놀로지앤드리서치는 NASA로부터 190만 달러를 지원받아 '전자기 우주쓰레기 제거장치(ElectroDynamic Debris Eliminator, EDDE)'를 개발 중이다. 위성에 부착돼 발사되는 EDDE 속에는 길이 9,650m의 전자기 사슬이 들어있는데 위성의 생명이 다하면 EDDE가 위성과 전자기 사슬로 연결된 채 분리된다. 그러면 사슬이 지구 자기장의 영향을 받아 전류를 유도, 위성을 지구로 끌어당긴다. 이렇게 위성은 대기권에 재돌입해 조용히 불타 사라지며 궤도에 남아있던 EDDE는 또 다른 타깃을 향해 이동한다.
우주 울타리
미 공군은 우주쓰레기를 레이더로 탐지·추적할 수 있는 '우주 울타리(space fence)'를 구축하고 있다. 이 시스템은 직경 2㎝ 이상의 우주쓰레기 10만개를 탐지하는 게 목표다. 탐지에는 해군 군함에서 사용하는 것과 동일한 레이더를 사용하며 발사된 전파의 반사파를 받아 우주쓰레기를 식별하고 위치데이터를 획득한다. 이때 획득된 데이터는 플로리다 및 캘리포니아의 공군 기지에 전달, 안전한 우주탐사 경로 산출에 이용된다. 35억 달러 규모의 이 시스템은 오는 2015년경 가동 예정이다.
클린 스페이스 원
스위스 로잔공과대학(EPFL)은 우주 쓰레기 청소 위성 '클린 스페이스 원(Clean Space One, CSO)'을 개발하고 있다. CSO는 목표 궤도에 진입해 우주쓰레기에 접근한 뒤 내장된 쇠갈퀴로 쓰레기를 긁어모아 내부의 쓰레기통에 담아 수거한다. 쓰레기통이 꽉 차면 지구로 귀환, 우주쓰레기와 함께 마찰열에 의해 완전히 연소된다.
일종의 우주쓰레기 자살특공대다. 스위스는 이르면 2015년 발사될 CSO를 활용, 2009년과 2010년 쏘아 올린 2대의 인공위성 우주쓰레기를 처리할 계획이다.
인공위성 우주쓰레기 Q&A
Q. 대기권 재진입 시 소멸되는 이유는?
폐 인공위성은 대기권 재진입 시 총알보다 빠른 속도로 낙하하기 때문에 지구 대기와의 마찰열에 의해 고온으로 가열된다.
공기저항과 고열에 의해 큰 우주쓰레기는 몇 개의 조각으로 해체된 뒤, 다시 더 작은 파편으로 부서지는 과정을 되풀이하면서 불 타 사라진다. 다만 이를 견뎌내는 일부 고강도·고내구성 소재의 잔해가 지상에 떨어질 수 있다.
Q. 추락 지점은 예측이 가능한가?
대기권 재진입 시점과 위치의 정밀 예측은 원천적으로 불가능하다.
해당 위성이 지구를 90분마다 공전한다고 가정하면 3일 동안 40회 이상 지구 주위를 선회하는 셈이다. 궤도 이탈하기 하루 전이라 해도 재진입 시점에 대한 예보정밀도를 ±5시간 또는 6.5 공전주기 이하로 좁히기는 어렵다. 물론 재진입 시기가 다가올수록 정확도는 올라가며 1~2시간 전에는 정확한 시간 및 지역 예측이 가능하다.
Q. 얼마나 많은 파편이 지상에 떨어지나?
일반적으로 전체 위성 무게의 10~40% 정도지만 위성의 재료와 구조, 모양, 크기, 그리고 중량에 따라 달라진다. 일례로 스테인리스스틸이나 티타늄 소재의 연료탱크는 용융점이 높아 대부분 살아남지만 알루미늄 소재 부품은 소실돼 사라진다.
Q. 완전히 소실되는 소재를 택하면 않을까?
현재는 위성 제작 시 폐기에 대비해 대기 마찰열로 소실되는 소재를 택하는 것은 전혀 고려의 대상이 아니다.
Q. 우주 무덤의 위성들은 영원히 떨어지지 않나?
그렇다. 고도가 하락하지 않는다. 지구 중력이 미치지 않고 대기 밀도 저항력이 없기 때문이다.
Q. 사람이 잔해물에 피격 당할 확률은?
지구에 살고 있는 인간이 향후 1년 동안 우주 쓰레기에 피격 당할 확률은 1,000만분의 1로 매우 희박하다.
Q. 피격 당했을 때의 보상은?
인공위성 발사국들은 자국에서 발사된 모든 우주물체에 대해 국제적 책임을 지도록 규정돼 있다. 예를 들어 대한민국의 영토, 대한민국의 시설에서 발사됐거나 우리가 발사하도록 조치한 경우 해당 우주물체 때문에 발생되는 모든 피해와 결과에 대한 책임은 우리나라에 있다.
