우주쓰레기

일반적으로 지구 궤도를 돌지만 이용할 수 없는 모든 인공 물체를 말한다(그림 1 참조). 1957년 10월 4일 인류 최초의 인공위성 스푸트니크 1호(Sputnik 1)가 발사된 이래 전세계에서 수많은 인공위성들이 우주를 향했다. 우주쓰레기는 이 과정에서 발생한, 작동하지 않는 인공위성, 로켓 본체나 로켓에서 분리된 페어링과 부스터, 부서진 우주선의 파편, 우주 비행사가 작업 도중 떨어트린 공구나 부품 등이다. 2003년 7월 현재, 레이더로 추적이 가능한 큰(크기가 10cm 이상) 물체는 약 29,000개, 지름이 1cm에서 10cm정도인 물체는 약 670,000개, 그리고 1cm보다 작은 파편들은 거의 1억7천만 개 이상에 이르는 것으로 추측된다.

우주탐사선과 인공위성이 수명이 다하거나 고장 등으로 기능을 수행하지 못할 때 대기권에 진입시켜 불타도록 하지만, 통제가 되지 않아 우주에 떠 있는 우주 쓰레기의 양은 증가할 수 밖에 없다. 우주에서 작동하는 인공위성이나 유인 우주선을 포함한 국제우주정거장(International Space Station, ISS)과 충돌하면 시설에 피해를 줄 뿐 아니라 우주인의 생명도 위협할 수 있기 때문에 국제 문제가 되고 있다. 2017년에는 미국 국방부 산하 고등연구계획국(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)이 '국제 우주쓰레기 처리 회의'를 개최해서 우주쓰레기의 효율적 제거 방안에 대한 아이디어를 모으기도 했다.

그림 1. 지구를 감싸고 있는 우주 쓰레기(상상도).(출처: )

목차

1978년 케슬러는 우주쓰레기가 다른 위성과 충돌하면 파편이 생겨 또 다른 우주쓰레기가 되고, 이것이 연쇄반응을 일으켜서 결국 궤도 전체가 우주쓰레기로 가득찰 것이라고 주장했다. 케슬러 신드롬이라고까지 하는 큰 반향을 일으켰는데, 이렇게 되면 인공위성 사용이 어려워지고 우주로 진출하려는 유인우주선의 운용에 심각한 어려움이 예상되기 때문이다. 2006년 NASA 과학자에 의하면 인간이 더 이상 우주로 인공위성을 발사하지 않더라도 2055년 이후 우주쓰레기의 수가 자가 증식할 것으로 예측되기도 하였다. 2011년 미국 국립연구회는 저궤도(고도 2000km 미만) 중 일부는 임계 밀도를 넘었고 서로 충돌하면서 그 양이 더욱 증가할 것이라고 경고했다(그림 2 참조). 고도 2000km 미만인 곳에서는 우주쓰레기 파편의 밀도가 유성체(meteoroids)보다 높다고 한다. 우주쓰레기의 궤도 속도는 초속 7.9km - 11.2km이다. 속도가 빠르기 때문에 작은 페인트 조각 정도의 충격량은 지상에서 250㎏ 물체가 시속 100km로 충돌하는 것과 맞먹는다.

실제로 1996년에는 프랑스가 쏜 소형위성 써리스(Cerise)의 안테나가 1986년 폭발한 아리안-1의 부스터와 충돌해 손상을 입었다. 국제우주정거장은 우주쓰레기와 충돌을 피하기 위해 회피 기동을 수차례 하였고, 2011년에는 승무원 6명이 소유즈 탈출 캡슐로 피신해 비상 탈출 준비를 하기도 했다. 2014 년 1 월 현재 국제우주정거장이 궤도에 올랐던 15 년 동안 16 차례의 회피기동이 있었다. 2006년 러시아의 Ekspress AM11 통신위성은 미확인 물체와 충돌해 작동 불능 상태에 빠졌다. 2007년 중국의 인공위성 미사일 요결 실험 결과로 만들어진 파편을 피해 NASA의 테라 위성이 파편을 피하는 회피 기동을 하였다. 2015년에는 우리나라 과학기술위성 3호가 우주쓰레기와 1km차이로 충돌을 피한 적이 있다. NASA의 우주 왕복선 연구자들에 의하면 우주쓰레기에 의한 위험성이 왕복선에 대한 전반적인 위험 요소의 절반 정도를 차지한다고 한다.

2007년에 중국은 미사일을 이용해 고도 865km 상공에서 위성 요격 실험을 수행했다. 자국 인공위성이었지만 인공위성을 우주 공간에서 폭파시키는 이 실험으로 3000개가 넘는 새로운 잔해가 대량으로 발생했다. 2008년 2월에는 미국이 독성 추친체가 탑재중인 자국 인공위성을 SM-3 미사일로 요격하여 파괴하였다. 우주를 떠도는 파편이 최소화되도록 하였다고 발표하였지만 2009년까지 파편들이 우주 공간을 떠 다녔다. 2009년에는 러시아의 코스모스(cosmos) 2251과 미국의 통신위성 이리듐(Iridium) 33이 서로 충돌해 엄청난 양의 파편을 만들어냈다. 이 외에도 2000년 중국의 롱마치(Long March) 4 CBERS-1의 로켓 추진 1단이 폭발해서 파편 구름을 만들었고 롱마치 7호가 2016년에도 우주에서 폭발했다. 2007년과 2012년에도 러시아의 부스터 Briz-M이 폭발했다.

그림 2. 고도에 따른 우주쓰레기 밀도.(출처: )

라이다(lidar)같은 레이더와 광학 망원경이 우주에 떠도는 물체를 감시하는데 사용된다. 크기가 10 cm보다 작은 것은 정확도가 떨어지지만 경우에 따라 1cm 정도의 우주 파편도 추적이 가능하다.

북미항공우주방위사령부(North American Aerospace Defense Command, NORAD)가 운영하던 '우주 감시 네트워크'(Space Surveillance Network, SSN)는 미국 전략사령부(U.S. Strategic Command, USSTRATCOM) 산하 합동우주운영센터(Joint Space Operations Center, JSpOC)로 이관 되었다. 이 시스템은 고성능 우주감시 레이더 26대와 지름 2m 이상의 대형 우주감시 망원경 3대로 지름 10cm가 넘는 우주 쓰레기를 파악한다. 러시아의 우주 감시 시스템(Space Surveillance System, SSS) 등은 약 10cm 이상의 비교적 큰 파편들을 목록화하여 상시 감시를 하고 있다.

우리나라에서는 2010년 12월부터 천문연구원(Korea Astronomy & Space Science Institute, KASI)이 우주위험감시센터를 운영하고 있다. 인공위성과 그 궤도를 감시하고 지구근접천체(Near-Earth object, NEO)의 충돌 예측 및 대책 마련을 위해 ‘우주물체 전자광학 감시체계 기술 개발 사업(Optical Wide-field Patrol, OWL)을 수행 중이다(그림 3 참조). 우주위험감시센터는 해외 관측소 5곳에서 이루어지는 관측 일정 관리, 데이터 수집,정보 분석의 운영을 총괄한다.

그림 3. 천문연의 우주위험감시센터가 운용하는 우주물체 전자광학 감시체계 네트워크.(출처: )

청소 인공위성이 그물로 물고기를 잡듯 우주쓰레기를 모으는 방법이다.

청소 위성이 집게로 우주쓰레기를 붙잡아 함께 대기권으로 떨어지는 방법이다. 스위스 로잔연방공대와 스위스의 스페이스시스템이 제안하고 개발하고 있다. 혹은 위성이 회전하면서 바가지로 우주쓰레기를 잡아 원심력을 이용해 지구의 대기권이나 우주 밖으로 던지는 방법이 있다.

1990년대부터 미공군이 추진하는 방법이다. 지상에서 레이저를 발사하여 우주쓰레기의 궤도를 바꾸어 한 곳으로 모으거나 지구 대기권으로 떨어지게 하는 방법이다.

전자기 밧줄을 인공위성에 부착한 후 지구 자기장의 상호작용으로 인공위성을 스스로 지구 대기권으로 향하게 하는 방법이다. 일본의 JAXA가 개발한 방법이다. 끈을 길게하면 효율이 높아져서 추가 연료가 필요 없는 장점이 있다.

탄성이 강한 거대한 막을 우주에 보내 여기에 충돌한 우주쓰레기가 에너지를 잃고 지구 대기권으로 떨어지게 하는 방법이다.

우주쓰레기 근처까지 가서 고압의 플라스마나 기체를 쓰레기에 뿌려 우주쓰레기의 속도를 줄여 궤도를 바꾸는 방법이다. 새로운 파편을 만들지 않는 장점이 있다.

우주 쓰레기는 금속으로 이루어져 있으니 우주에 큰 자석을 띄워 끌어당겨 모은 후 지구 대기권으로 떨어지는 방법이다.

초박막 섬유 소재의 돛을 제작해 위성에 부착하고 위성이 수명을 다했을 때 돛을 펼쳐 햇빛 빛을 받아 위성의 속도를 저하시켜 지구 대기권으로 떨어지게 하는 방법이다.