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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굿가이(Goodguy)

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화성탐사선 포보스-그룬트(Phobos-Grunt), 지구추락 중

지난 해 11월, 러시아에서 발사된 화성탐사선 포보스-그룬트(Phobos-Grunt)가 정상궤도 진입에 실패하여 1월 중순 경 지구 대기권에 진입할 것으로 예상됨에 따라, 지난 1월 9일부터 한국천문연구원 내에 상황실을 설치하고 추락상황 분석 및 대국민 알림서비스를 실시하고 있습니다.

포보스-그룬트, 화성과 포보스(출처:ROSCOSMOS)

포보스-그룬트 탐사선
포보스-그룬트는 포보스(화성의 달 가운데 하나)의 토양을 채취해 지구에 귀환하는 임무를 띠고 2011년 11월 9일(2011년 11월 8일 20:16 UTC) 바이코누르 우주기지에서 발사됐습니다. 포보스-그룬트(Fobos-Grunt 또는 Phobos-Grunt, 러시아어: Фобос-Грунт)는 ‘포보스의 땅’이나 ‘포보스의 흙’을 의미하는데요, ‘포보스’는 원래 소행성이었는데 오래 전 화성 인력에 끌려 주위를 공전하는 달이 됐다고 알려져 있습니다. 참고로, ‘그룬트’는 땅과 흙(토양)에 해당하는 ‘ground’ 혹은 ‘soil’을 뜻한다고 합니다. 포보스-그룬트 탐사선은 화성 위성인 포보스의 흙을 채취, 귀환캡슐에 담아 지구로 돌아오는 것이 주 임무였기 때문에 이런 이름이 붙었습니다.

포보스-그룬트 탐사선 형상(출처:ROSCOSMOS)


러시아연방우주청(ROSCOSMOS)은 탐사선을 화성궤도에 진입시키기 위해 여러 차례 연료분사를 시도 했지만, 모두 실패로 돌아갔습니다.

당초 계획됐던 포보스-그룬트의 궤도 (출처:CNES)

계속된 시도에도 불구하고, 포보스-그룬트가 화성궤도 진입에 실패하자 러시아연방우주청은 포보스-그룬트의 임무 실패를 공식 발표하기에 이르렀는데요, 현재 포보스-그룬트는 지구 저궤도를 공전하고 있으며, 오는 15일경 지구대기에 재진입할 것으로 보입니다. 물론 몸체는 대기권에 진입하면서 타버리겠지만 약 2~30조각의 파편(총 중량 200kg 이하)이 지표면에 도달할 것으로 예측되면서 전세계 각국이 예의주시하고 있습니다.

우리나라로 추락할 확률은 40만 분의 1, 거주 지역에 떨어질 가능성은 더 낮다고 하는데요, 박장현 한국천문연구원 우주감시사업센터장은 우리나라 도시 지역에 떨어질 가능성이 약 백만 분의 1 정도로 추정된다고 밝혔습니다.

2012년 1월 11일 09시 00분 00초(KST) 위성의 위치와 지상궤적

한편, 파편이 떨어지는 정확한 시점과 위치는 탐사선이 대기권에 완전히 진입한 후에 알 수 있는데다가, 탐사선에 독성물질과 방사성물질이 실려 있는 것으로 알려져 한때 불안감이 확산되기도 했으나 러시아연방우주청에서는 방사성 물질 ‘코발트-57’의 양이 10 마이크로그램을 넘지 않기 때문에 방사능 오염 위험은 없으며, 독성물질 '하이드라진' 역시 대기권 진입 과정에서 연소되어 인체엔 별 영향은 없을 것이라고 강조했습니다.

포보스-그룬트의 임무

포보스-그룬트는 러시아연방우주청 주관으로 NPO 라보슈킨(NPO Lavochkin)과 러시아우주연구소(Russian Space Research Institute)가 공동 개발한 화성위성 탐사선인데요, 포보스-그룬트는 마스 96(Mars 96)이 실패한 뒤 러시아가 주도한 첫 행성탐사 임무였습니다.
(러시아가 성공적으로 끝낸 마지막 태양계탐사 임무는 1985-1986년 핼리혜성에 접근한 베가 2(Vega 2)였으며 그 이후, 러시아는 1988-1989년 포보스 2(Phobos 2) 임무를 통해 부분적인 성공을 거두었습니다.)

NASA의 바이킹 탐사선 영상을 이용해 제작한 포보스의 사진지도(출처:NASA)

포보스-그룬트는 1976년 루나 24 이후 처음 외계 물질을 채취해 지구로 귀환하는, 러시아 입장에서는 무척 중요한 임무를 가지고 있었습니다. 귀환캡슐은 2014년 8월, 포보스의 표토 200g을 싣고 지구에 도착할 예정이지만 결국 실패로 돌아갔습니다.

현재 교육과학기술부와 국방부는 위성추락으로 인한 비상사태 발생에 대비하여 한국천문연구원, 한국항공우주연구원과 공동으로 추락 예정일 1주 전인 지난 1월 9일부터 천문연구원 내에 상황실을 설치하고 추락상황 분석 및 대응체계를 구축하고 있습니다.
한국항공우주연구원과 공군은 국제협력체계를 활용하여 관련정보를 수집하고, 한국천문연구원은 수집된 정보를 바탕으로 포보스-그룬트의 궤도와 한반도 통과시각, 추락시각 및 장소 등 위성추락상황을 종합 분석하여 관계부처 및 기관에 전파하고 있으며, 위성추락상황을 상황이 종료될 때까지 인터넷과 트위터를 통해 시시각각으로 공개할 예정이라고 합니다.

인터넷 : event.kasi.re.kr(천문연), www.kari.re.kr (항우연)
    트위터 : @kasi_news(천문연), @mest4u(교과부) 

최근 우주물체의 지구 대기권 진입사례가 증가하고 있는데요, 한국천문연구원은 ‘우주물체 전자광학 감시체계 기술개발사업(사업책임자 : 박장현 박사)’을 추진 중이며, 한국항공우주연구원에서는 국가위성을 우주파편으로부터 보호하기 위한 시스템을 개발 중이라고 하니 너무 걱정하지 않으셔도 될 것 같습니다.


2012년 1월 12일 03시 11분 48초부터 106초간의 Phobos-Grunt위성궤적
(대전 천문연구원 대덕관측소 기준 북서쪽에서 남동쪽으로 이동, 최대고도각 32도)


포보스-그룬트 탐사선에 대한 자세한 정보와 추락상황은 http://event.kasi.re.kr 를 참고하시길 바랍니다.

포보스-그룬트를 로켓 상단에 조립하는 장면 (출처:ROSCOSMOS)

발사장으로 이동하는 제니트 로켓 (출처:ROSCOSMOS)

포보스-그룬트 발사장면 (출처:ROSCOSMOS)


 

자료 및 사진 제공 : 한국천문연구원(http://www.kasi.re.kr/)

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