[제249호 과학학술: 우주 쓰레기] 우주로부터의 위험, 우주 쓰레기

 올해 2월 넷플릭스를 통해 개봉한 영화 <승리호>(2021)는 현재 국제 천문 학계가 주목하고 있는‘우주 쓰레기’ 문제를 환기했다. 우주 쓰레기는 인공위성과의 충돌 위험뿐만 아니라, 지구로 추락해 인간에게 직접 피해를 줄 수 있다는 점에서 해결책이 필요한 사안이다. 이에 본보는 우주 쓰레기의 위험성과 그 해소방안에 대해 구체적으로 살펴보고자 한다.

▲지도에 표현한 인공위성과 우주 쓰레기의 분포 ⓒ한국천문연구원 우주위험감시센터

지구를 둘러싼 우주 쓰레기

 2092년, 오염된 지구를 떠나 우주에서 생활해야 하는 인류는 우주에서도 쓰레기 문제에 직면하게 된다. 우주 쓰레기를 주워 돈을 버는 우주 청소선 승리호의 선원들의 이야기라는 새로운 소재의 한국 우주 SF 영화〈승리호〉(2021)가 개봉 초 세계 넷플릭스 영화 중 시청 1위를 차지할 정도로 큰 호응을 얻었다. 영화 인기에 더불어‘우주 쓰레기’에 대한 관심도 같이 높아졌다. 우주 SF 영화를 표방했지만, 우주 쓰레기라는 소재가 먼 미래의 이야기가 아니라 우리 앞에 닥친 현실에서 바로 해결해야만 하는 문제이기 때문이다.
 “우주는 쓰레기 천지에요. 수명을 다한 인공위성, 유실된 우주정, 우주 건축물의 잔해들, 그것들이 서로 충돌하며 만들어낸 수만, 수억 개의 작은 파편들, 지금도 청소부들은 한 줌도 안 되는 돈을 위해 목숨을 걸고 총알보다 열 배나 빠른 우주 쓰레기를 쫓고 있습니다”
 영화 속 대사에서 나온 것처럼, 우주 쓰레기는 임무를 다하고 지구 궤도에 그저 방치된 인공위성들과 이를 실어 나른 우주발사체의 잔해들, 그리고 버려진 인공위성들에 남겨진 연료나 배터리가 폭발해 발생한 파편들을 모두 포함한다. 여기에 파편들끼리 또는 인공위성끼리 충돌로 인해 발생한 잔해들까지 더하여, 인류의 우주 활동으로 인해 지구 궤도에 남아있는 모든 우주물체를 인공우주물체라고 한다. 그래서 인공우주물체는 운영 중인 인공위성과 우주잔해물(Space Debris) 또는 우주 쓰레기(Space Junk)로 구분할 수 있다.
 미연합 우주 작전본부(CSpOC, Combined Space Operations Center)에 따르면 1957년 구소련의 스푸트니크 1호가 발사된 이후 지금까지(2021년 5월 13일 기준) 지구 궤도에서 발견된 인공우주물체는 4만 9천여 개중, 2만 5천여 개가 지구로 떨어져 사라졌고 현재 2만 3천여 개가 지구 궤도를 돌고 있다. 이 중 현재 운용 중인 인공위성으로 파악되는 것은 4천 4백여개로 약 19% 정도에 불과하다(그중 우리나라 인공위성은 14기다). 나머지는 모두 우주 쓰레기다. 이것도 현재 기술로 추적 가능한 10cm 이상의 물체만을 센 수치다. 유럽 우주국(ESA, European Space Agency)의 우주 환경 모델에 따르면 추적 불가능한 1cm 이상의 우주물체는 90만여 개에 이르는 것으로 추정된다.

우주 쓰레기의 증가

 우주 쓰레기의 증가는 인류의 우주 활동이 활발해질수록 가속화되고 있다. 최근 뉴 스페이스(New Space) 시대를 맞이하며 민간 기업들의 우주개발은 붐을 이루고 있다. 뉴 스페이스는 과거 미국과 구소련이 상대국이 우주에서의 유리한 군사적위치를 선점하지 못하도록 군사와 안보를 목적으로 국가 주도의 우주개발이 이루어진 올드 스페이스(Old Space)와 구분된다. 매우 제한적이고 폐쇄적인 정부 주도 우주개발이 아닌 민간 주도의 개방적이고 상업적인 우주개발 시대, 바로 뉴 스페이스가 펼쳐지고 있다. 뉴 스페이스 시대를 견인하고 있는 미국 일론 머스크의 스페이스X사는 이미 1,600여 기의 스타링크 위성을 지구 궤도로 발사했다. 지구 저궤도영역인 고도 380km~550km에 초대형군집 위성(Mega Constellation)을 구축해 초당 1GB 속도의 초고속 네트워크로 전 세계 우주 인터넷 서비스를 제공하겠다는 것이다. 1957년부터 65년간 발사된 인공위성이 대략 1만여 기인데 2020년 한 해 동안 발사된 인공위성만 1,200여 기, 그리고 2021년 5월까지 발사된 인공위성이 1,000여 기다. 앞으로 이 폭은 더욱 가파르게 증가할 것으로 예측된다. 스타링크 위성뿐만 아니라 영국의 위성통신 스타트업 ‘원웹(Oneweb)’도 180여 기를 발사했고, 최근 제프 베이조스의 아마존이 3,000여 기가 넘는 위성을 발사하는 ‘카이퍼 계획(Project Kauiper)’을 승인받으며 초대형군집 위성군들의 발사는 더욱 가속화되고 있다. 급격한 인공위성의 증가로 가장 우려되는 문제는 바로 우주 쓰레기 문제다. 스페이스 X와 아마존 역시 서로에게 우주에서의 충돌위험을 증가시키고 있고 서로의 위성 운용에 방해가 된다는 주장을 하며 설전을 벌이고 있다.

우주로부터의 위험

 우주 쓰레기라는 키워드와 바로 연결되는 영화가 또 있다. 영화 〈그래비티, Gravity〉(2013)는 허블 우주망원경 수리를 목적으로 파견된 우주인인 샌드라 블록(Sandra Bullock)이 엄청난 수의 우주 쓰레기 파편들에 휩쓸려 탑승했던 우주선이 파괴되면서 우주에서 고립되는 이야기다. 다행히 주인공은 지구로 귀환할 수 있었지만 더 이상 우주 위험이 영화에서 등장하는 가상 상황이 아니다. 영화에서 나왔던 설정 중 우주 쓰레기 파편과의 충돌위험은 실제 우주에서도 일어날 수 있는 일이다. 최근 ‘스타링크’와 ‘원웹’ 위성도 충돌위험 경고를 받았다. 실제 충돌이 현실화되었다면 두 위성에서 발생한 파편들은 군집위성을 이루고 있던 다른 인공위성들을 연쇄적으로 파괴하며 막대한 우주 쓰레기가 발생했을 가능성이 크다. 지구 저궤도의 인공위성 수가 어느 수준을 넘으면 인공위성끼리 충돌이 일어나고, 이로 인해 발생한 우주 쓰레기 때문에 다시 충돌위험이 더 증가하는 우주 쓰레기 발생의 악순환을 가져올 수 있다는 경고는 이미 현실이 된 것이다.
 우주 공간에서는 초속 10km로 날아가는 지름 0.3cm 알루미늄 조각이라도 100km의 속도로 날아가는 볼링공과 같은 파괴력을 가진다. 지름 1cm에 불과한 크기의 작은 파편이라도 운영 중인 인공위성이나 우주인에게 부딪힌다면 치명적인 피해를 입힌다. 10cm 이상의 우주 쓰레기는 인공위성을 완전히 파괴할 정도의 위력을 갖고 있다. 2009년 2월 10일 미국의 민간통신위성 이리듐 33호와 우주 쓰레기로 방치되었던 러시아의 군사 통신위성 코스모스 2251은 시베리아 상공 790km에서 실제로 충돌했다. 우주에서의 이 충돌은 2,400여 개의 파편을 발생시켰고, 지금도 지구 궤도를 돌며 운용 중인 인공위성에 충돌 위협을 주고 있다.
 1t이 넘는 인공우주물체들의 지상 추락은 재산 피해뿐만 아니라 인명 피해로 이어질 수 있어 우주 쓰레기와 인공위성 간 충돌위험에 대한 우주 자산 피해보다 더 치명적일 수 있다. 임무를 다한 인공위성을 지구로 낙하시켜 처리하는 경우는 제어가 가능한 상태에서 사람이 없는 사막지대나 대양 한가운데에 추락시킴으로써 가능하다. 러시아의 우주정거장‘미르’도 제어를 통해 낙하로 인한 피해가 발생하지 않도록 피지의 난디 근처 남태평양 속으로 추락시켰다. 2011년 4월 2일에는 중국의 우주정거장‘톈궁 1호’가 지구로 떨어졌다. 길이 10.5m, 지름 3.4m, 무게 8.5t의 거대한 우주물체가 통제되지 않은 상태로 지구로 낙하하고 있다는 소식은 전 세계인들을 긴장하게 했다. 제어할 수 없는 재진입의 경우는 어디로 떨어질지 예측하기 매우 어렵기 때문이다. 가장 최근에는 2021년 5월 9일에 중국의 우주정거장 건설을 위한 모듈‘텐허’를 실어 나른 우주발사체인‘창정-5B호’의 로켓 잔해가 지구로 떨어졌다. 2021년 4월 29일에 발사된 후 궤도에 남겨진‘창정-5B호’로켓의 상단이 지구로 떨어진다는 소식은 또 다시 전 세계를 긴장시켰고, 각 우주 기관들은 언제 어디로 떨어질지를 예측하기에 바빴다. 다행히 사우디아라비아 반도를 지나 인도양으로 떨어져 위험 상황은 막을 수 있었다.

▲3차원으로 표현한 인공위성과 우주쓰레기 분포 ⓒ한국천문연구원 우주위험감시센터

인공우주물체의 움직임을 예측

 인간의 우주 활동은 우주 환경을 급격히 악화시키고 있고, 지구 주변의 우주 공간은 우주 쓰레기와의 충돌위험과 우주물체의 지상 추락 위험에 노출되어 있다. 우주 위험대비의 개념은 이러한 우주 위험으로부터 국민의 안전과 우주 자산을 보호하기 위한 우주 감시 활동을 말한다. 우주를 감시한다는 것은 결국 그 우주물체가 어디 있는지 위치 정보를 얻을 수 있어야 한다는 것이다. 인공위성이 많아지고 우주 쓰레기가 확산될수록 ‘우주물체의 궤도를 얼마나 정밀하게 예측하는가’가 우주위험에 대처하는 방법을 결정한다. 그래서 인공위성이 어디로 추락할지, 또는 다른 인공위성과의 충돌위험이 있는지를 예측하기 위한 핵심기술이 바로 관측정보들을 분석해 우주물체의 궤도를 예측하는 기술이다. 사실 뉴턴이 없었다면 불가능했을 일이다. 우주 감시에서의 핵심기술이 이미 뉴턴에 의해서 완성되었기 때문에 현대에서 인공위성의 궤도를 예측하는 일은 뉴턴 역학을 활용하는 것이 전부이다. 단순히 두 물체 사이의 운동으로만 본다면, 두 물체 사이에서 작용하는 힘의 관계를 통해 어느 순간의 물체 위치와 속도가 예측된다. 하지만 미래를 예측하는 것이 그리 간단하지만은 않다. 태양을 중심으로 돌고 있는 지구, 지구를 중심으로 돌고 있는 달, 그리고 지구를 중심으로 움직이고 있는 인공위성은 모두 서로에게 영향을 미치며 움직이고 있고, 따라서 인공우주물체의 궤도를 예측하는 것이 뉴턴 역학이 있다 해도 정확한 값을 내놓는 것은 불가능하다. 단, 최대한 근사한 값을 찾아 나가기 위한 험난한 과정을 거친다.
 우주 상황인식(SSA, Space Situational Awareness)은 광학 망원경, 레이더, 레이저 센서를 통해 우주물체를 관측하고 관측 데이터를 분석하여 궤도를 결정하고 예측하는 과정들을 일컫는다. 사전 정보 없이 발견된 미확인 우주물체들은 광학 센서를 통해 천구에 투영된 2차원 위치 또는 레이더를 통해 도플러 관측을 통한 시선속도의 관측 자료로 얻어진다. 이러한 자료를 통해 탐지(Detection)·추적(Tracking)·식별(Identification)·목록화(Cataloging) 과정을 거친다. 추적단계를 반복하며 궤도정보를 축적해 나감으로써 미래 시각에서의 우주물체의 움직임을 예측해 나가는 것이다. 저궤도 위성의 경우는 이동 속도가 빠르고, 고도가 낮으므로 광학 센서로 관측할 경우 효율이 떨어진다. 그래서 저궤도영역은 레이더를 통해 관측하고, 정지궤도 위성 등 고궤도 위성의 경우는 광학 관측을 통해 감시한다. 결국, 우주 쓰레기가 어디 있는지 어디로 움직일지를 알아내야 우주로부터의 위험에 대비할 수 있기 때문이다.

▲ 영화 <승리호>(2021)에서 ‘업동이’가 우주 쓰레기를 포획하려 작살을 던지고 있는 장면 ⓒneflix.kr

우주 쓰레기 처리

 쓰레기 처리 문제의 가장 근본적인 해결 방법은 쓰레기가 발생하지 않도록 하는 것이다. 만약 발생한 쓰레기라면 안전하게 처리하는 것이 최선일 것이다. 우주에서도 마찬가지다. 영화 〈승리호〉에서는 업동이(등장인물, 로봇)가 작살로 우주 쓰레기를 포획해 거대한 공장인 우주 쓰레기 하치 위성에 갖다주고 돈을 벌었다. 이것은 현실에서도 가능할까? 현재 우주 쓰레기를 처리하는 방법은 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 지구 대기권으로 재진입시켜 완전 연소시키는 방법, 다른 하나는 운용 중인 인공위성에 전혀 방해되지 않는 다른 궤도로 옮기는 것이다. 이 두 방법은 인공위성이 수명을 다했을 때 스스로 폐기 기동할 수 있는 능력을 설계 단계에서부터 고려하는 것으로, 궤도를 이동시킬 수 있는 추력기를 인공위성에 의무적으로 장착하여 임무가 종료되는 시점에 해당 추력기가 작동될 수 있도록 하는 것이다. 이런 방법을 두고 학계에서는 임무후처리(PMD, Post-Mission Disposal)방식이라고 부른다. 하지만 만약 추력기가 없는 우주 쓰레기들이라면 PMD는 불가능하다. 이때는 승리호처럼 청소용 위성을 보내 우주 쓰레기를 직접 제거하는 능동적인 제거(ADR, Active Debris Removal) 방식을 사용해야만 한다. ADR의 수행 방식은 조금 더 복잡하다. 먼저, 청소 위성이 목표물인 우주 쓰레기에 접근할 수 있도록 위치와 속도를 잘 조절해서 RPOD(랑데부, Rendezvous)와 근접 운영을 할 수 있어야 한다. 또한, 우주 쓰레기와의 접촉이 필요한 경우를 대비해 도킹을 할 수 있는 랑데부, 근접 운영(Proximity Operation)과 도킹(Docking) 기술이 필요하다. 여기에 궤도 조정을 통해 안전하게 지구에 재진입을 할 수 있는 기술 역시 필요하고, 이 과정까지 성공해야 ADR이 가능하다고 할 수 있다. 〈승리호〉 업동이의 작살이나 그물, 로봇팔 등은 이러한 기술을 바탕으로 수행되는 것이다.
 앞으로 인공위성이 계속 발사되고, 그 인공위성이 임무를 다하고 그대로 우주에 남아있게 된다면 우주는 ADR 기술을 쓰기도 전 쓰레기 대란을 맞이할 수도 있다. 결국, 우주 쓰레기 처리는 인공위성을 개발하는 단계에서 폐기 기동 절차를 고려하여 설계되고 정식 폐기 기동을 하도록 해야 한다. 즉, 지구 대기권으로 떨어뜨리거나 다른 궤도로 옮겨야 한다.

지속 가능한 우주 활동을 위한 노력

 우주는 개별 국가가 소유권을 주장할 수 없는 인류 공동의 자산이고, 누구나 자유롭게 이용할 수 있는 한정된 공유지다. 개릿 하딘(Garrett Hardin)의 공유지의 비극(The Tragedy of Commons)이란 공유지의 자원을 개인의 이윤추구를 위해 사용할 경우 공유지는 파괴되고 모든 사람에게 재앙이 될 수 있다는 것을 말한다. 규제 없는 우주개발은 우주 쓰레기를 증가시키고 인공위성의 연쇄적 충돌로 이어져 우주 쓰레기가 더 폭발적으로 증가하는 현상이 반복되면서 공유지의 비극이 될 수 있다.
 다행히 국제사회가 더욱 안전한 우주 활동을 위한 노력을 약속했다. 2019년 6월 UN 우주위원회에서는 우주 활동의 장기 지속 가능성(LTS, Long-Term Sustainability of outer space activities) 가이드라인을 만장일치로 채택했다. 책임있는 우주 활동을 위한 정책과 안전한 우주 활동을 위한 기술 마련을 위한 노력을 권고하며, 특히 우주물체의 실시간 위치 정보와 궤도에서 무슨 일이 일어나는지 정확하게 파악하려는 방법들을 개발하도록 하고 있다. 그리고 우주 감시정보와 경험을 국제사회와 공유하도록 권고한다.
 복잡해지고 있는 우주에서 지속 가능한 활동을 위해 우주쓰레기 발생을 최소화하고, 이를 위한 국제사회의 약속에 적극적으로 동참해야 한다. 우주 쓰레기 문제는 전 지구적으로 해결해야 하는 문제이며 국제사회의 자발적인 참여가 필요한 사건이기 때문이다.

최은정 / 한국천문연구원 우주 위험감시센터 우주 위험연구실장

**Tip

*올드 스페이스(Old Space) : 과거 미국과 구소련이 상대국이 우주에서의 유리한 군사적 위치를 선점하지 못하도록 군사와 안보를 목적으로 국가 주도의 우주개발이 이루어진 것을 말한다. 현재의 민간 주도의 개방적이고 상업적인 우주개발 시대, 뉴 스페이스(New Space)와 비교했을 때 매우 제한적이고 폐쇄적인 정부 주도 우주개발의 성격을 띤다.
*초대형군집 위성(Mega Constellation) : 수십에서 수천 개의 인공위성을 배치해서 여러 대를 동시에 이용해 임무 수행을 하는 인공위성군으로 대표적으로 미국 스페이스 X의 스타링크, 영국 원웹사의 원웹, 미국 아마존의 카이퍼 프로젝트가 있다.
*우주 상황인식(SSA, Space Situational Awareness) : 광학, 레이더 등 우주 감시 센서를 이용하여 지구 주위의 우주 공간을 움직이는 우주 물체들의 상황을 파악해 우주물체 간 충돌이나 우주물체의 지상 추락위험 등 우주 위험에 대처하는 개념이다.
*임무후처리(PMD, Post-Mission Disposal) : 우주 쓰레기를 처리하는 방식으로, 수명이 다한 인공위성이 스스로 폐기 기동할 수 있는 능력 갖출 수 있도록 인공위성을 설계하는 것이다. 궤도를 이동시킬 수 있는 추력기를 위성에 의무적으로 장착하여 임무가 종료되는 시점에 해당 추력기가 작동, 인공위성에 의한 우주 쓰레기가 자가처리될 수 있도록 한다.
*RPOD(Rendezvous, Proximity Operation and Docking) : 우주물체가 서로 가깝게 접근해 상대속도가 제로가 되도록 일치시키는 랑데부 기술, 일정한 간격을 유지하며 운영하는 근접 운영 기술과 인공위성이 우주 공간에서 서로 연결되는 도킹 기술을 포함하는 고난도 기술이다.