Space Debris – 지구를 위협하는 쓰레기들의 이야기

1부 우주쓰레기와케슬러신드롬

지금까지 인간이 가본 곳중 가장 열악한 환경을 꼽으라면 어디일까? 많은 사람들이 단연코 우주를 떠올릴 것이다. 우주에는 강렬한 태양빛으로부터 몸을 보호해줄 수 있는 두꺼운 대기도, 숨쉴 수 있는 산소도, 중력이 없기 때문에 어딘가에 발을 붙이고 걸어 다닐 수조차 없다. 이러한 이유로 우주 는 인간처럼 지구에서 태어나고 자라온 생명체가살아남기힘든공간이다.

이런 우주에서 만일 사고가 일어난다면? 인간에게 있어 그보다 끔찍한 일은 별로 없을 것이다. 작년 10월 국내에서 개봉한 영화 ‘그래비티(Gravity)’는 우주에서 일어난 재난에 노출된 우주비행사의 여정이라는 참신하고 독특한 소재를 채용하였다. 지금까지 우리가 많은SF영화에서 봐왔던‘미화된’ 우주와는 달리 영화 ‘그래비티’에서 보여주 는 사실적인 우주의 모습은 관객들에게 낯설 고 불편한 장소이다. 한 번 회전하기 시작한 물체는 누군가가 도와주지 않는 이상 영원히 회전하고, 로켓이나 압축가스 분사장치가 있어야 겨우 자신의 의지로 우주공간을 돌아다닐 수 있다. 그 중에서도 가장 무서운 것은 영화 속 사고 의 원인이었던 엄청난 속도로 날아가는 우주 쓰레기들이다. 영화의 내용 역시 우주 쓰레 기의 위험성과 그로 인한 재난에 초점을 맞 추고 있다. 영화 초반부에서 러시아의 미사 일 실험으로 인해 최초로 발생한 우주 쓰레 기들은 다른 위성들과 충돌하여 부서짐으로써 ‘잔해 폭풍’을 만든다. 이렇게 만들어진 온 갖 잡동사니들과 충돌하면서 우주정거장이 파괴되는 장면은 관객들의 시야를 압도한다.

인공위성의 연쇄 충돌로 인한 우주적 재난, 실제로 가능한 시나리오일까?

1957년 10월 4일 인류 최초의 인공위성 스푸 트니크1호가발사된이래전세계에서수많 은 인공위성들이 쏘아져 올라갔다. 이 과정 에서 로켓을 발사하면서 분리된 페어링, 우주비행사가 선외 활동을 하면서 놓친 공 구, 위성끼리 부딪치거나 미사일을 발사하여 위성을 파괴하는 과정에서 발생한 파편 등의 인공적인 우주물체들이 지구 궤도를 떠돌아 다니고 있다.

이러한 인공적인 우주물체 중에서도 전혀 통제가되지않으며주변에있는다른인공 위성이나 우주 개발 활동에 위협을 가하는 잔해들을 우주 쓰레기(Space Debris)라고 부른다. 크기에 따라 살펴보면 레이더로 추적이 가능한 지름이 10cm정도인 야구공보 다 큰 물체는 약 22,000개, 지름이 1cm정도 인 구슬보다 큰 물체는 약 500,000개, 그리 고 1mm보다 크거나 작은 파편들은 거의 1억 개에 이르는 것으로 추측된다.

진공상태인 우주에서 지구궤도를 도는 물체들의 평균 속도는 초속 7km 이상이다. 총알의 속도가 보통 초속1km 내외인 것을 감안하면 엄청난 속도이다. 이러한 궤도상 에서는 작은 알갱이 하나의 충돌도 치명적인 결과를 불러올 수 있다. 1996년 프랑스의 정 찰위성 서리즈(Cerise)에 달려있던 안테나가 1986년에 폭발했던 아리안 로켓의 잔해에 맞아 부러지는 사고가 발생하기도 했다. 위성 자체의 작동에는 큰 문제가 없었지만 만일 본체에 직접 충돌했다면 큰 피해를 입었을 것이다.

미국 항공우주국(National Aeronautics and Space Administration, 이하 NASA)에서는 추적 가능한 우주 쓰레기의 총량을 계속해서 감시하고 있다. 연도에 따라 우주 쓰레기의 양을 나타낸 그래프를 보면 본격적으로 우주 개발이 시작된 1960년대부터 우주쓰레기의 양은 꾸준히 증가해 왔다. 그러나 최근 이러한 점진적인 증가추세는 두번의 잔해 대량 발생 사태로 인해 깨져버렸다.

첫번째 사건은 중국의 미사일을 이용한 위성 요격 실험이었다. 자국 위성을 우주 공간 에서 폭파시키는 이 실험으로 인해 3000개 가 넘는 새로운 잔해가 발생했다. 두 번째 사건은 약 2000개의 잔해를 발생시킨 미국 의 통신위성 ‘이리듐(Iridium) 33’과 러시아 의 군사위성 ’코스모스(Cosmos) 2251‘간의 충돌로, 우주개발 역사상 최초로 일어난 두 인공위성의 공중 충돌 사건이었다. 이 사건 은 마구잡이로 우주개발 경쟁을 벌이던 미국과 러시아, 그리고 많은 다른 국가들에 게 경각심을 불러 일으켰다. 오래 전부터 우려하고 있던 문제가 수면 위로 떠올랐기 때문이다.

1978년 NASA 소속 과학자였던 도널드 케슬 러(Donald J. Kessler)는 우주 쓰레기의 위험성을 다룬 논문 한편을 학계에 발표했다. 그가 자신의 논문에서 처음 언급한 우주쓰레기의 자가번식 메커니즘은 현재 ‘케슬러 신드롬(Kessler Syndrome)’이라고 불린다. 케슬러 신드롬은 우주에서의 충돌로 인한 잔해가 생성되는 과정이 ‘양의 피드백’의 형식을 띠고 있다는 점에 근거한다. 양의 피드백이란 어떤현상의 결과물이 그현상을 일으키는 촉매가 되는 경우를 말한다. 쉽게 말해서 같은 궤도상에 물체들이 많아지면 이들끼리 서로 충돌하는 빈도 또한늘어 나게 된다. 이 충돌로 인해 새로운 잔해들이 생겨나고, 다시 도미노처럼 다른 궤도로 번져나가 새로운 충돌을 야기한다. 우주 쓰레기들은 이러한 과정을 통해 계속 불어나 며 정상적으로 작동하고 있는 다른 위성들을 위협할 것이다.

케슬러는 대규모 충돌이 발생하는‘임계밀도’가 존재한다고 보았다. 같은 공간에 존재 하는 물체의 밀도가 일정 수준을 넘어서는 순간 케슬러 신드롬이 급속하게 진행된다는 것이다. 임계밀도가 정확히 얼마인지는 모르지만 인류가 우주 개발을 진행하는한 점차 그 값에 근접할 것은 분명하다. 아직까지 ‘그래비티’에서 보여준 것과 같은 심각한 수준의 연쇄 작용은 일어나지 않고 있지만 안심할 수 없는 상황인 것이다.

만일 케슬러 신드롬이 현실화된다면 어떻게될까? 그럴 가능성이 가장 높은 지역은 대부 분의 인공위성들이 빼곡히 모여 있는 고도 300 ~ 800km의 저궤도이다. 이 지역은 가장 값싸게 위성을 쏘아 올릴 수 있다는 장점으로 인해 이미 수천 개의 위성들이 위치해 있고, 우주 쓰레기의 밀도도 가장 높다. 만일 이곳에서 케슬러 신드롬이 진행 된다면 모든 위성이 파괴되고 수십억 개의 잔해가 그자리를 뒤덮을 것이다. 더높은 고도에 있는 정지궤도위성이나 그보다위에 있는 고궤도위성, 혹은 다른행성으로 향하는 탐사선을 발사하려면 반드시 지나야 하는 길이 막혀버리는것이다. 유인우주여행이나 우주정거장을 건설하는 것은 꿈도 꿀 수없는 위험천만한 일이될것이고, 장기적으로는 인류의 우주 개발 자체가 원천 봉쇄될 것이다.

우주 쓰레기의 위협은 21세기 인류가 해결해야할 심각한 문제 중 하나로 떠올랐다.이러한 재앙을 예방하기위해서 앞으로는 그 발생량을 최대한 줄여야 한다는 것은 자명하다. 그러나 현역 위성들의 수명에는 한계가 있고, 노후화된 위성들의 자리를 메우기 위해서는 새로운 위성의 발사가 불가피하기 때문에 우주 쓰레기는 계속해서 증가할 수밖에 없다. 궁극적으로는 직접 이들을 처리해야 한다. 하지만 아직까지는 수백km 상공에서 매우 빠른 속도로 지구를 공전하고 있는 물체들을 처리할 기술이 없다.

2부 우주상황감시계획과 우주물체에 대한 대응

최근 우주 쓰레기가 가할 수 있는 새로운 위험에 이목이 집중되었다. 수명을 다한 인공위성은 대기권과의 마찰로 인해 서서히 지상으로 추락한다. 이런 위성은 그대로 추락 궤도를 계산해 대기권 돌입과 동시에 불태우거나, 미사일로 파괴한다. 전자는 따로 예산이 들지않고 간단해서대 부분이 방식을 쓴다.간혹 타고남은 잔해가 추락하지만 대부분 바다로 떨어져 아직 큰 피해는 없다 (지구 표면은 70%가 물이다). 후자는 비상시 긴급하게 위성을 파괴할 목적으로 쓰이는 방법인데, 위성이 파괴될 때 많은 잔해가 발생하므로 잘 사용하지 않는다. 문제 는 전자이다. 현대에 들어서면서 인공우주물 체의 기능이 향상되고 부피가 커지자 대기권으로 돌입해도 다 타지 못하고 지상에 떨어지는 사례가 증가했다. 지난 2013년 11월 전 세계가 촉각을 곤두세우고 지켜본 유럽우주국(Europe Space Agency, 이하 ESA)의 1톤 급 인공위성 ‘GOCE’의 추락이 대표적이다. 당시 이 큰 위성이 어디로 떨어질지 각국이 주시했는데, 한국천문연구원에서도 위성추락상황실(http://reentry.kasi.re.kr/)을 운영하며 상황을 살폈다 (결국 2013년 11월 11일 남극 인근에 떨어졌다). 다행히 아직 인공우주물체의 추락에 의한 직접적 피해가 보 고되지 않았지만 행여 도시 한가운데에 파편이 떨어질 경우 그 피해는 생각 이상일 것이다. 인공우주물체 추락에 의한 피해가능성이 처음 제기된 것은 자연우주물체 때문이다. 자연우주물체란 태양계에 떠도는 소행성, 혜성 등을 의미한다. 50억 년 태양계 역사를 통틀어 지구와 달을 포함한 모든 행성과 위성들은 수많은 소행성과 혜성의 충돌을 견뎌왔다. 다행히 지구는 대기가 행성을 감싼덕에 대부분 지상에 닿기전 불타지만, 곳곳의 운석구 흔적에서 안전지대가 아님을 알수있다.지구궤도 주변에만 작게는 수m에서 크게는 수km급에 이르는 지구근접 천체들이 지구 중력에 잡히기만을 기다리고 있다.한예로 지난 2013년 2월 15일 아폴로 족 근지구소행성에 속해 있는 17m급 소행성 KEF-2013이 대기권에 돌입하며 러시아 첼야빈스크(Chelyabinsk) 인근 지역에 추락해 많은 인명재산피해를 입혔다.이번에 떨어진 진주 운석도 마찬가지다. 이렇게 작은 크기(고작 해야 몇 m)의 소행성들은 추적은커녕 찾는 것조차 힘들어서 연구도 많이 진행되지 않았다. 즉, 우리는 다시 이런 식으로 소행성이 추락할 경우 대응할 방법이 없는 것이다.

인공우주물체, 자연우주물체, 우주 쓰레기 등 지구 주변에서 움직이는 모든 것을 우주물체 (Space Object)라고 부른다. 요즘 들어 우주 물체끼리 충돌하거나 낙하하는 사건이 급증 하고 있다. 이에 세계 각국은 잠재적으로 국가자산에 미칠 수 있는 위험성을 지닌 것이 대부분이라 판단, 데이터를 수집하 고 분석하는데 힘을 쏟고 있다. 그 결과 세계적으로 지구 주변의 우주환경을 파악하 고 정보를 수집하여 분석하는, 이른바 ‘우주상황감시(Space Situation Awareness, SSA)’ 프로그램이 널리 운용되고 있다. 과거 에는 단순히 주변을 살피기만 하는 ‘우주정찰 (Space Surveillance)’의 개념이었다면, 오늘날의 감시 체계는 우주물체의 궤도를 추적하고 이에 능동적으로 대응할 수 있는 종합적인 감시망을 운영하는 것이다. 일반적으로 알려진 우주상황감시 프로그램의 목표는 다음과같다.

1. 국가가 독립적으로 우주공간에서 수행하는 모든 활동을 지원한다.
2. 동시에 우주환경에 대한 데이터, 정보, 서비스, 지식을 적시에 국가에 제공한다.
3. 우주환경 위협에 대한 대응과 항구적 우주 이용에 필요한 데이터, 정보, 서비스, 지식을 국가에 제공한다.

우리나라 역시 독자적인 우주상황감시 프로 그램을 개발하고 운용할 계획이다. 지난 2010 년 12월부터 한국천문연구원은 인공위성과 그 궤도를 감시하고 지구근접천체의 충돌 예측 및 대책 마련을 위해 ‘우주물체 전자광학 감시체계 기술 개발 사업(Optical Wide-field Patrol, OWL)’을 시작했다. OWL 네트워크 운영 시스템은 한국천문연구원 내 운영본부에 설치되어 있다. 해외 관측 소 5곳에서 이루어지는 일정 관리, 관측과 데이터수집,정보분석 및 저장과 기타시스템의 운영을 전부 이 운영실에서 총괄한다. 이과정에서 수집한데이터와분석결과그리 고 관측소 운영 보고는 주기적으로 한국천문 연구원의 중앙 운영 시스템에 보고된다. 그리 고중앙운영시스템에보고된정보를토대로 다음일정이나관측소운영상황,개별우주 물체에 대한 관리가 지속적으로 갱신된다. 그러나 인류가 적극적으로 우주를 개발하고 폭발적으로 증가하는 인구로 인한 문제들을 해결하기 위해서 단순히 우주상황을 감시하 고 그때그때 대처하는 것으로는 부족하다. 기존에 운용하던 인공위성을 폐기할 때는 함부로 미사일을 쏘지 말고 대기권에서 불태 우는방법을쓸수있지만,그외에자그마한 조각들은 직접 우주공간에서 수거해오는 수 밖에 없다. 이런 자잘한 우주 쓰레기를 어떻게 회수 할 수 있을까?

가장 무식하지만 효과적인 방법은 우주선을 타고 우주 쓰레기와 같은 속도로 옆에서 움직이며 이를 수거하는 것이다. 우주비행사 가 선외활동을 진행하면서 손으로 일일이 우주 쓰레기를 우주선으로 수거해가면 된다. 다만 어디 있는지도 모르는 우주 쓰레기를 일일이 찾기 어렵고, 우주 쓰레기가 밀집한 공간을 움직이면서 우주 쓰레기 집단의 궤도가 우주선과 겹치면 위험해질수있다. 이 방법은 자주언급되고 있지만 아직 경제적, 자원 부족의 문제로 시행하기 이르다. 일본의 애니메이션 중 ‘플라네테스’는 미래의 인류가 우주 개발이 매우 빠르게 진행되면서 우주에서 겪을 수 있는 위험을 최소화하기 위해 운영되는 ‘데브리 청소반’의 이야기이다. 혹여나 관심 있는 분은 찾아보시길 바란다. 두번째 방법은 우주에 큰자석이나 점성을 지닌 공을 띄우는 것이다. 대부분의 우주 쓰레기는 금속으로 이루어져 있으니 자석으로 끌어당기자는 것인데, 서로 부딪히면서 우주 쓰레기를 수거하는 모체가 손상될 수 있다. 보완된 아이디어로 껌에 돌멩이를 붙이듯 안쪽에 있는 모체는 보호하면서 근처 에 있는 우주 쓰레기들을 표면에 부착시키는 것이후자다.표면이 우주쓰레기로 가득차서 더이상 임무를 수행할 수 없게되면 그대 로 대기권으로 추락시켜서 불태우면 된다. 최근 미국의 보잉사의 발명가 마이클 던이 새로운 아이디어로 특허를 내놓았다.

탄도 가스(Ballistic Gas)라 불리는 이 방식은 위성이 빗자루의 역할을 하여 회수가 불가능한 자잘한 쓰레기들을 한곳에 뭉친다.우선 쓰레기들이 있는 것으로 추정되는 위치로 위성을 보낸다. 그리고 위성이 무거운 기체 들을 분사하여 지정된 장소로 수거하는 것이다. 가장 큰장점은 수거용 위성을 손상시킬 수 있는 잔해와 접촉 할 위험이 적고 수거과정에서 미세한 파편이 나올 가능성이 전혀 없다는 것이다. 연료를 지속적으로 공급하면 반영구적으로 사용할 수 있고, 몇대가 함께 움직이면 효과가 극대화된다는 것 역시 눈에 띄는 장점이다. 지상에서 레이저로 처리하는 방법도 주목되 고있다. 레이저를 물체에 쏠때 발생하는 압력(광압, 光壓)을 이용해 우주 쓰레기의 궤도를 바꾸거나, 레이저가 지닌 에너지로 녹이거나 불태우는 것이다. 정밀성과 효율 측면에서 특히 크기가 작은 잔해들을 처리할 때 유용할 것으로 보인다. 마지막으로 일명 ‘묘지 궤도(Graveyard Orbit)’를 만드는 방법이 있다. 위의 모든 방법이 수행하기 힘들거나 효과가 미미하다 면, 아예 쓰레기만을 위한궤도를 마련해 모든 쓰레기를 그궤도로 옮기는것이다.어차피 우주는 진공이므로 우주 쓰레기들은 정해진 궤도를 벗어나지 않을테고, 우주개발은 그 궤도만 피해서 다닌다면 순조로울 것이다. 향후 우주쓰레기를 직접수거 할때도 좀더 편하고 안전하기에 임시방편으로 적당하다. 인류가 지속적으로 우주로 나아가야 하는 21세기, 우주 쓰레기를 포함한 각종 우주공 간에서의 위협은 계속되고 있다. 우리가 내 놓을 수 있는 다양하고 톡톡튀는 아이디어들이 많은 위험을 뚫고 한걸음씩 우주로 나아가게 해주는 원동력이 될 것이다. 지금 이 순간에도 우리가 사는 하늘을 감시하며 우주 개발에 박차를 가하고 있을 과학자들에게 격려의 박수를 보내주자!