지구 주변을 떠도는 우주쓰레기(space junk), 그 해결방법은?

지난 해 10, 독일의 뢴트겐 위성(ROSAT)이 인도양에 떨어졌다. 이 위성은 1999년 임무를 끝내고 우주쓰레기가 되어 우주를 떠돌고 있었는데, 시간이 지나면서 점차 궤도가 낮아졌고 끝내 추락하게 된 것이다. 최근 과학 분야 뉴스에서 심상치 않게 자주 등장하는 우주쓰레기란 대체 무엇일까? 그리고 이를 처리할 방법은 없는 것일까?

@Sweetie187 /http://www.flickr.com/photos/58782395@N03/5518988345/

우주쓰레기(space junk)가 뭐지?

우주쓰레기는 우주 공간을 목적 없이 떠도는 낙후된 인공위성의 파편, 로켓의 잔해 등 여러 인공적인 물체들을 말하며, 우주파편(space debris)이라고도 부른다. 이들 우주쓰레기는 우주인의 생명을 위협하거나 다른 우주선이나 인공위성에 심각한 피해를 입힐 수도 있기 때문에 골칫거리로 여겨왔다. 우주쓰레기의 크기는 수 센티미터에서 수미터에 이르기까지 매우 다양한데, 지금까지 떨어진 우주쓰레기 중에서 가장 크고 무거웠던 것은 1986년 러시아에서 쏘아올리고, 2001년 남태평양에 떨어진 우주정거장 '미르', 그 무게가 120에 달한다. 

우주쓰레기의 파편은 무려 초속 7km 정도의 매우 빠른 속력으로 궤도를 돌기 때문에 파편이 갖는 위력은 어마어마하다. 이 우주쓰레기가 지구로 추락하게 되면 대부분 대기 마찰열에 의해 타버리지만 만약 이중 작은 크기라도 남아 지상으로 떨어질 경우 심각한 피해를 야기할 수 있다. 게다가 더 큰 문제는 수명을 다한 인공위성의 수가 앞으로도 계속해서 늘어날 것이고, 이들이 서로 부딪혀 수천 개의 파편이 발생할 것이라는 점이다. 그 파편이 탐사선이나 우주인에게 가할 수 있는 위협은 이미 수차례 제기되었었다.

@NASA Goddard Photo and Video / http://www.flickr.com/photos/gsfc/4131337427/

예를 들어보자. 1980년 태양 관측 위성 솔라맥스가 발사된 지 몇 달 만에 신호가 끊긴 일이 발생했다. 1984년 우주왕복선이 올라가서 이에 대한 원인을 조사해 본 결과, 위성의 기기판에 무려 150여 개의 구멍이 나있는 것이 확인됐는데 구멍에는 깨알보다 작은 파편들이 박혀있었다.

, 지난 2009년에는 러시아 시베리아 상공 790km에서 러시아의 군사용 통신위성 코스모스 2251호가 미국 산업 통신위성 이리듐33호와 충돌하는 우주교통사고가 발생하기도 했는데, 이 충돌로 인해 1800여개의 파편이 발생했다.

이처럼 위성의 수와 파편들이 늘어나면서 과학자들은 케슬러 신드롬이 현실화되는 것이 아닌지 우려하고 있다. 케슬러 신드롬이란 미국 우주항공국(NASA)의 과학자 도널드 케슬러가 1978년에 주장한 것으로, 우주쓰레기 문제가 야기할 수 있는 최악의 시나리오다. 우주쓰레기의 밀도가 한계치에 도달하면 우주쓰레기 파편들이 서로 연쇄적 충돌을 일으켜 기하급수적으로 늘어나 지구 궤도 전체를 뒤덮을 수 있다는 내용으로, 만일 케슬러 신드롬이 현실화 될 경우 탐사선이나 인공위성이 다니는 항로를 막을 수 있고, 심각한 경우 탐사선의 발사 자체가 어려워질 수도 있다 

현재 지구 주변의 궤도를 떠돌고 있는 직경 10cm 이상의 우주 쓰레기는 2만 여개에 달하며, 지름 1cm가 안 되는 파편들은 수백만 개에 달한다고 추정되고 있다. 특히 미국과 러시아, 중국 등 여러 나라가 우주 개발에 적극적으로 뛰어들기 시작하면서 각국에서 발사하는 인공위성의 수도 늘어나고 있어 앞으로 우주 쓰레기 문제는 더욱 심각해질 것으로 내다보고 있다 

포보스-그룬트 탐사선 형상(출처:ROSCOSMOS)

우주쓰레기가 지구로 추락하는 것 역시 문제다. 최근에 떨어진 우주쓰레기 중 하나가 바로 지난달 15일 궤도 진입에 실패한 러시아의 화성탐사선 포보스-그룬트(http://nstckorea.tistory.com/188), 당시 약 2~30조각의 파편(총 중량 200kg 이하)이 지표면에 도달할 것으로 예측되면서 한때 전세계를 긴장시켰었다. 그리고 지난해 9월과 10월에는 미국의 초고층대기관측위성(UARS)와 독일의 뢴트겐 위성이 떨어져 사람들의 가슴을 철렁하게 만들기도 했다.

이처럼 뉴스를 떠들썩하게 장식하는 우주쓰레기 추락 소식은 많지 않지만 실상 우리가 알고 있는 것보다 더 많은 우주쓰레기가 매년 지구로 떨어지고 있다. 최초의 인공위성 스푸트니크호가 발사됐던 1957년부터 2007년까지 우주쓰레기는 연평균 300개씩 지구로 떨어졌다고 한다. 제일 많이 떨어진 해는 1989년으로 그 수가 무려 1,000여건에 달한다. 

그렇다면 이러한 우주쓰레기를 한 개인이 맞을 가능성은 확률적으로 얼마나 될까? 전문가들은 1조분의 1 수준으로 매우 희박하다고는 말하지만, 앞서 이야기했듯이 현재 10cm 이상의 우주쓰레기의 수만 하더라도 2만개가 넘는 만큼 이에 대한 철저한 대비가 필요한 것이다 

우주쓰레기 제거작전!

현재 세계 각국에서는 우주쓰레기를 제거하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 하지만 제거되는 우주쓰레기에 비해 발생량이 더 많기 때문에 실질적으로 효과를 거두고 있지는 못하고 있는 실정. 하지만 최근 각국에서 발표되는 뉴스에 따르면 과학자들이 우주쓰레기를 효과적으로 처리할 다양한 방안을 모색 중이라고 한다.

@p_a_h / http://www.flickr.com/photos/pahudson/2219197593

스위스의 경우 우주 쓰레기를 제거하는 청소 위성을 발사할 계획을 갖고 있다. 스위스 로잔에 있는 연방공과대학(EPFL)의 스위스 우주센터에서는 우주 쓰레기 청소용 위성인 '클린스페이스 원'을 제작하고 있는데 35년 이내에 이 청소 위성을 발사할 예정이라고 한다. ‘클린스페이스 원은 우주로 발사되면 쓰레기를 붙잡아 다시 지구로 돌아오게 되는데, 이 위성의 첫 임무는 2009, 2010년에 발사한 두 대의 스위스 위성을 잡아내는 것이 될 예정이다. 

미국 항공우주기업 테터스 언리미티드가 제안한 것은 '러스틀러'(Rustler). 지구 저궤도 우주쓰레기 포집시스템의 약자를 딴 러스틀러는 위성에 장착하는 길이 2.4km의 전기역학 사슬로, 수명이 다한 위성을 포획하여 대기권에서 산화시키는 방법이다. 또한 NASA는 사우스 캘리포니아의 스타 테크놀로지 앤드 리서치에 190만 달러를 주고 우주 파편 제거 우주선에 관련된 기술을 개발하고 있다 

레이더나 광선레이더를 이용한 방법도 제시됐다. 우주쓰레기가 탐지되면 지상에서 레이저 펄스를 발사하고 이 레이저에 맞은 우주쓰레기는 궤도가 바뀌어 대기권으로 떨어지면서 산화된다는 것인데, 문제는 이 기술이 자칫 위성요격무기로 이용될 우려가 있다는 것이다 

이처럼 우주쓰레기 문제를 해결하려는 각국의 노력은 계속되고 있다. 하지만 위성의 파편은 위성을 발사한 국가의 소유이기 때문에 이를 치우기 위해서는 그 위성을 발사한 국가의 동의가 필요하다고 한다. 앞으로 이 같은 국제 정치적 문제를 떠나 공동의 문제를 해결하고자 하는 의지를 보이지 않는다면 미래에는 더 큰 댓가를 치러야 할 수도 있다는 것을 잊지 말아야 할 것이다.

 

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                한국항공우주연구원(KARI)의 아리랑5호, 아리랑3호를 만나다

한국항공우주연구원(KARI)은 대한민국의 항공우주 전문 연구기관으로, 짧은 역사에 비해 항공우주기술에 있어 단기간에 많은 성장과 발전을 해왔습니다.

이번에는 그 중에서도 가장 최신 기술이 집약되어 발사대기 중인 아리랑 5호와 아리랑 3호를 만나러 떠나볼까합니다!

한국항공우주연구원

하지만 그전에 앞서! 먼저 인공위성의 분류부터 알아볼까요?

인공위성은 크게 방송을 목적으로 한 방송위성, 통신을 목적으로 한 통신위성, 기상 관측을 목적으로 하는 기상위성, 군사 방위를 목적으로 한 군사위성 및 아마추어 무선용 인공위성인 AMSAT이 있습니다.

이 중 우리나라가 보유하고 있는 인공위성들의 종류 및 목적, 그리고 개발 및 소유기관을 나열해 보면, 아래와 같이 정리할 수 있습니다.

<우리나라가 보유하고 있는 인공위성>
- 우리별(KITSAT) : 과학 실험 위성 – KAIST(한국과학기술원)
- 과학기술위성(STSAT) : 과학 실험 위성 – KAIST(한국과학기술원)
- 무궁화(KOREASAT) : 상용 방송 통신 위성 – KT
- 아리랑(KOMSAT) : 다목적 실용 위성 – KARI(한국항공우주연구원)
- 천리안(COMS) : 기상 관측 위성 – KARI(한국항공우주연구원)
- 한누리(HAUSAT) : 교육용 초소형 위성 – KAU(한국항공대학교)
- 한별(MBSAT) : 민간 위성 (DMB용) - 한국 SKT & 일본 MBCo 공동소유 

이 중에서 오늘은 다목적 실용위성인 아리랑 위성에 대해 알아보도록 합시다.

인공위성의 관측의 방법에 따라 분류하면 광학 위성, 레이더 위성, 적외선 위성으로 나눌 수 있습니다.

 * 광학 위성 : 광학 즉, 인간의 눈으로 관측 가능한 가시광선 파장의 빛을 흡수하여 탑재된 광학렌즈를 통해 관측한다. 즉 대형 카메라 라고 보면 된다.
* 레이더 위성 : 전파 (microwave)를 사용하는 위성으로 날씨와 상관없이 탐지가 가능하다. 발사한 전파가 되돌아오는 미세한 시간차를 이용하여 합성해 지형도를 작성하는 방식이다.
* 적외선 위성 : 열추적이 가능한 적외선 파장의 빛을 사용하여 열감지를 하는 위성이다.

이 중에 오늘 살펴볼 아리랑 3호는 ‘광학 위성’에 속하며, 아리랑 5호는 ‘레이더 위성’ 에 속하게 됩니다.

국가마다 주력으로 삼는 위성의 분야는 다릅니다. 우리나라의 경우, 아직까지는 광학 위성 중심의 레이더 위성으로 점차 입지를 넓혀가고 있는 추세지만, 항공우주산업분야의 후발주자로서는 위성분야에서도 괄목할 만한 성과를 이룩해내고 있습니다.   


기자단 일행은 아리랑 위성을 만나러 가기 전에 각종 정전기와 미세먼지 차단을 위하여 특수 제작된 옷을 입고, 클린룸을 통과하고 나서야 아리랑 5호와 만날 수 있었습니다.

발사를 기다리며 각종 점검 및 테스트를 수행중인 아리랑 5호

여기서, 간단히 아리랑 5호에 대하여 살펴봅시다. 이전의 아리랑 1호, 2호와는 달리 SAR(영상레이더)가 탑재되어 있어, 날씨와 밤낮에 상관없이 전천후 지구관측이 가능합니다. 대부분의 기술 및 장비 국산화가 이루어져 있지만, 광학 위성이 아닌 첫 레이더 위성이다 보니 SAR 제작기술이 국내에 확보되어있지 않아서 공동개발사인 유럽의 위성개발업체 ‘탈레스 알레니아 스페이스 이탈리아(TASI)’와 공동개발 했습니다.

또한 SAR 레이더Synthetic Aperture Rader 의 약자로, ‘합성개구레이더’라는 우리말로 번역됩니다. 군용 목적으로 주로 사용되지만, 최근에 정찰기 및 인공위성의 민간 분야로도 확대되고 있으며, 한국에서는 국방과학연구소(ADD)를 통하여 한국형 SAR을 독자 개발한 이력을 갖고 있습니다. 이러한 SAR의 원리는 기본적으로 짧고 강한 전파를 쏘아 그 반사파가 레이더 안테나에 들어오는 시간을 측정하여 2차원 영상을 구성하는 것입니다. 이때 해상도를 높이기 위해서는 전자 빔이 가늘고 예리해야 하는데요, - 주파수는 높고 파장은 짧아야 한다.- 이러한 반사파를 잘 흡수하기 위해 예리한 방향성을 가진, 오목거울과 닮은 포물면 안테나 (parabolic antena)를 사용하게 됩니다.

아리랑 5호는 ‘태양동기궤도(SSO : Sun-synchronous orbit)’를 도는 인공위성으로, 위성이 매번 궤도 회전을 할 때마다 동일한 시각(local time)에 근점을 통과하게 됩니다. 약 1400kg의 중량을 가지고 있지만, 현재 경량화 작업이 진행 중이며, 1m 해상도*의 SAR 레이더를 탑재하고 있습니다.
(* 1m급 해상도는 지표면의 1m x 1m의 물체 까지 식별 가능하다는 의미.) 

아리랑 5호 앞에서 기자단의 단체 사진

다음으로, 아리랑 3호를 만나러 가 봅시다.

아리랑 3호를 설명 해 주신 연구원

먼저 우리를 맞이한 것은 파란색의 신기하게 생긴 방의 모습이었습니다. 뾰족하게 생긴 파란 물체로 뒤덮인 이 방은 약간 무섭고 음산하기조차 했는데요, 이는 언에코(Unecho) 방으로, 음향의 방음과 무반향 방을 위해 설치했다고 합니다.
RF(radio frequency)를 흡수하여 무반향 공간을 만들기 위한 목적이 더 크다고 할 수 있는데요, 자세히 살펴보니 실제로 상대적으로 더 뾰족한 부분이 있었고, 더 뭉툭한 부분도 존재하고 있었습니다. 뾰족한 부분은 진동수(f)가 큰 RF를 흡수하며, 더 뭉툭한 부분은 진동수가 작은 RF를 흡수하여 결과적으로 방을 무반향으로 만들어 주게 됩니다. 이 물체의 재질은 탄소(C) 가 코팅된 방사성 재질이라고 하네요. 이곳의 원리들을 보며 인공위성에 사용된 각종 최첨단 부품들이 예상보다 훨씬 더 민감하다는 사실을 알 수 있었습니다.

 

 

 




이제 본격적으로 아리랑 3호에 대하여 알아볼까요?

아리랑 3호는 관측용도의 위성으로, 광학 위성입니다. 현재 임무를 수행중인 아리랑 2호에 비하여 향상된 광학 해상도를 가지고 있는데, 흑백의 경우에는 광학 해상도가 70cm, 칼라의 경우에는 2.4m 에 이릅니다. 광학 위성은 쉽게 말해 렌즈의 크기가 어마어마하게 큰 카메라를 탑재한 인공위성을 말합니다. 이는 마치 렌즈 혹은 사람의 눈으로 관찰하는 것과 유사하여, 빛이 적은 밤중이나 기상상태가 좋지 않을 경우에는 관측이 어렵습니다. 아리랑 3호의 궤도는 앞선 아리랑 5호와 같은 태양동기궤도(SSO)입니다.

언에코(Unecho)방 안의 아리랑 3호

이로써 아리랑 5호와 3호에 대하여 살펴보았습니다. 현재 두 위성 모두 막바지 여러 가지 테스트 중이라고 하니, 앞으로 우주에서의 활약 기대 해 보도록 하겠습니다. 연구원에 관련해서는 한국항공우주연구원 홈페이지 (http://www.kari.re.kr/)를 참조하시면 됩니다.

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 박 헌 준
사진 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 최형일, 하상윤

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