[과학] 우주 쓰레기의 증가와 처리 기술들 : 쓰레기 그물, 태양 돛단배, 레이저 요격 등

우주에 진출한 지 50년을 넘기면서,

우주 개발 과정에서 버려진 수많은 우주 쓰레기들이

우주 환경을 오염시키는 요인이 되고 있습니다. 

 

점차 늘어나는 우주 쓰레기 위협에서 벗어나기 위해

청소위성을 발사하거나 위성을 자체적으로 떨어뜨리는 등

다양한 아이디어가 등장하고 있는 상황입니다.

 

이에 우주 쓰레기의 발생과 위험성을 알아보고, 우주 쓰레기를 줄이는 방법에 대해 살펴보려 합니다. 

 

이미지출처 : 동아사이언스, http://m.dongascience.com/news.php?idx=58098

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우주 쓰레기의 발생과 위험성

 

우주 쓰레기는 우주 개발의 결과로 발생하고 있스며, 이러한 우주 쓰레기는 고속으로 날아다니기 때문에 매우 위험합니다. 최근 미국 위성 추락 범위에 한반도가 포함돼 '경계경보'가 발령되기도 하면서 우주 쓰레기의 위험이 가깝게 느껴지고 있습니다. 

 

우주 쓰레기의 발생

우주 쓰레기는 여러 가지 목적으로 우주로 쏘아올린 우주 탐사선 이나 인공위성 그리고 위성을 궤도에 올려놓기 위해 사용된 로켓의 잔해, 수명이 다한 위성 의 파편 등 인간이 인위적으로 우주로 방출한 모든 물체를 의미합니다.

 

① 우주 쓰레기의 종류

우주쓰레기의 약 31%는 현재 가동 중이거나 퇴역한 위성이고, 약 38%는 과거 충돌로 생긴 부스러기들, 약 17%는 분리되고 남은 로켓, 나머지 약 14%는 나사못과부품 등 우주 연구사업과 관련된 쓰레기들로 구성되어 있습니다.

 

[ 활성 우주 쓰레기 ]

활성 우주 쓰레기는 우주 비행체들 간의 충돌이나 파괴에 의해 발생하는 쓰레기입니다. 이러한 종류의 쓰레기는 우주 비행체의 조각, 연료 탱크, 엔진 파편 등을 포함합니다. 이 쓰레기들은 우주를 비행하는 다른 우주 비행체에 대한 위협이 될 수 있습니다.

 

[ 휴식 우주 쓰레기 ]

휴식 우주 쓰레기는 우주 비행체가 운영을 중단하고 남겨진 쓰레기입니다. 우주 비행체의 운영 종료, 로켓 단계의 분리, 우주 정거장의 사용 종료 등으로 인해 발생할 수 있습니다. 이러한 종류의 쓰레기는 우주 비행체, 로켓 부분, 공구, 장비 등을 포함합니다.

 

[ 유인체와 관련된 우주 쓰레기 ]

유인체와 관련된 우주 쓰레기는 우주 비행체에서 유출된 인체 관련 쓰레기입니다. 이는 우주 비행사의 용변, 이물질, 생명 유지 시스템에서 발생한 쓰레기 등을 포함합니다. 이러한 유인체 쓰레기는 인체 건강에 위협을 가하지는 않지만, 우주 비행체의 내부와 외부 환경을 오염시킬 수 있습니다.

 

 

② 우주 쓰레기의 양

지난 1957년 구(舊)소련이 세계 최초의 인공위성 스푸트니크 1호를 발사한 이래 인류가 쏘아올린 위성의 수는 공식 집계된 것만 약 3000대, 발사 사실이 공개 되지 않는 군사 위성이나 여러 가지 특수 위성까지 합하면 6600 대 이상으로 알려져 있습니다. 그런데 이 중 상당수가 수명이 다해 기능이 정지된 상태이며, 우주에 그대로 방치됨으로써 지구에 위험 요소가 되는 우주쓰레기로 남아 있습니다.

 

 

우주 쓰레기의 위험성

① 활동 중인 위성과의 충돌 가능성

지구 궤도를 비행하는 모든 물체는 7 ~ 10 km/s 이상의 빠른 속도로 움직이기 때문에 인공위성의 파편이 아무리 작다고 해도 그것과 충돌하는 물체에 가해지는 충격 에너지는 상상을 초월하게 됩니다. 우주쓰레기가 가장 밀집한 곳은 지구 상공 880 ~ 1000km이기 때문에 350km 상공의 국제 우주 정거장이나 400 ~ 600 km 상공의 유인 우주왕복선과 충돌할 가능성이 크지는 않지만, 파편들이 연쇄적으로 충돌하면 위험한 상황이 발생할 수도 있습니다.

 

2013년에 발사한 우리나라의 우주 관측용 과학기술위성 3호가 2015년 1월에 우주 쓰레기 파편(2009년 미국의 통신 위성 이리듐 33호 와 러시아의 통신위성 코스모스 2251호의 충돌로 발생)과 충돌할 위험을 가까스로 모면한 적이 있었습니다. 만약 과학기술위성 3호가 우주 파편과 충돌했다면 우리나라의 우주 관측에 막대한 지장을 초래하였을 것입니다.

 

이미지출처 : 연합뉴스, https://www.ytn.co.kr/_ln/0105_201501031059184779

 

 

② 지구로 떨어질 가능성

이전까지의 과학자들은 우주의 파편들이 지구로 떨어질 가능성 은 없을 것이라고 했지만 최근 우주 쓰레기가 된 우주선의 파편들이 지구로 떨어지는 경우가 발생하고 있습니다. 이는 우주 쓰레기들이 우주를 돌아다니다가 충돌하여 궤도를 이탈하면 지구로 떨어질 수 있음을 의미합니다.

 

③ 인공위성의 오작동 가능성

우주 쓰레기의 또 다른 위험성은 활동 중인 인공위성과 충돌 하거나 전파 교란과 같은 장애를 일으켜 인공위성이 오작동을 일으킬 수도 있다는 것입니다. 현대 사회에서 인공위성은 군사목적뿐만 아니라 위성 중계, 기상예보, GPS 서비스, 각종 관측 및 탐사 서비스에 필수적인 기능을 수행한다는 사실로 볼 때 인공위성의 오작동은 전 세계적으로 큰 혼란을 야기할 수 있습니다.

 

 

 

우주 쓰레기를 줄이는 방법

 

우주 쓰레기는 아직 현실적으로 위험성이 크게 나타나지는 않고 있지만 한 번의 사고로도 엄청난 인명 피해와 경제적 손실을 일으키기 때문에 이에 대한 대처 방법을 세워야 합니다.

 

우주 쓰레기 제거 방법

① 위성의 위치 정보 공유

이미 만들어진 우주 쓰레기를 제거하는 것은 상당한 노력과 비용이 들기 때문에 쉽지 않은 일입니다. 따라서, 우주 쓰레기에 의한 피해가 발생하지 않도록 하는 가장 효율적인 방법은 위성의 위치정보 공유와 함께 우주쓰레기가 생기지 않도록 하 는 것이라고 할 수 있습니다.

 

최초의 우주쓰레기 회수는 1984년 11월 13일이었습니다. 미국의 우주 왕복선 디스커버리 호는 고장난 인공위성 팔라파 B2호에 접근하여 최초로 우주 쓰레기를 회수하였습니다. 디스커버리 호는 팔라파 위성과 똑같이 고도 360km 궤도를 28000km/h의 속도로 운동하면서 로봇 팔로 팔라파 위성을 끌어들여 화물칸에 싣고 돌아왔습니다.

 

② 인공적인 궤도 조절

우주 정거장과 같이 지구에 떨어질 경우 큰 피해를 입히는 큰 물체의 경우, 인공적으로 궤도를 조절해 안전한 해역으로 떨어지게 하는 것도 우주 쓰레기에 의한 피해를 줄이는 하나의 방법입니다.

 

 

미래의 우주 쓰레기 대처 방법

우주 쓰레기를 줄이는 방법 중 가장 좋은 방법은 수명이 다한 인공위성을 다시 지구로 끌어들여 대기권에서 공기와의 마찰로 태워버리거나 사람이 살지 않는 지역으로 떨어뜨리는 것입니다. 앞으로 우주 개발은 더 활발해질 것으로 예상되므로 우주 쓰레기에 대한 대처 방안도 함께 연구되어야 할 것입니다.

 

다음은 실제로 사용 가능하게 되기까지는 시간이 걸릴 수도 있지만, 여러가지 시도를 하고 있는 방법들입니다. 

 

 

태양 돛단배

태양 돛단배는 위성에 초박막 섬유 소재의 돛을 달아 위성이 수명을 다했을 경우 돛이 펼쳐지게 함으로써 위성의 속도를 저하시켜 궤도 아래로 천천히 떨어지게 하는 방법입니다. 위성이 지구 대기권으 로 진입하게 되면 마찰열에 의해 돛과 함께 소각되어 사라지게 됩니다.

 

이미지출처 : 동아사이언스, https://www.dongascience.com/news.php?idx=30153

 

레이저 요격

레이더로 우주 쓰레기를 탐지하면 지상에서 레이저 펄스를 연속 발사하고, 레이저에 맞은 우주 쓰레기는 궤도가 바뀌어 대기권으로 떨어지면서 불타 사라집니다. 레이저로 우주 쓰레기 전체가 아니라 일부만 태워도 균형을 잃은 우주 쓰레기는 원래의 궤도를 이탈하게 됩니다. 레이저 장치를 우주 공간에 배치한다면 지상에서보다 적은 출력의 레이저로도 동일한 효과를 볼 수 있습니다.

 

이미지출처 : 경향신문, https://m.khan.co.kr/world/world-general/article/201504211505311#c2b

 

쓰레기 그물

위성에 전자석의 역할을 하는 사슬을 장착하여 쓰레기를 수거하는 방법입니다. 즉, 위성이 수명을 다하면 사슬이 전개되고 여기에 우주 쓰레기가 닿으면 그물을 펼쳐 포획하는 방식입니다.

 

이미지출처 : 어린이동아, http://kids.donga.com/?ptype=article&no=90201202232370

 

우주 쓰레기의 포획으로 무거워지면 쓰레기와 함께 대기권으로 돌입하여 소각됩니다. 특히 이 방식은 우주선에 해를 끼치는 매우 작은 쓰레기도 잡을 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 

 

 

우주 안개 분무기

우주 공간에 물체를 냉동시킬 수 있는 안개를 분사함으로써 우주 쓰레기를 동결시켜 궤도 이탈을 유도하는 기술입니다. 로켓으로 이산화탄소 등 냉매 액체 가스 저장 탱크를 발사하여 우주 쓰레기의 예상 통과 위치에 놓아 두고 쓰레기의 진행 방향 수 천 km 앞에 가스를 분무합니다. 우주 쓰레기가 가스 안개를 통과하면서 얼어붙어 속도가 느려지고 그 결과 궤도를 이탈하게 되므로 대기권에서 소각됩니다.

이미지출처 : 어린이동아, http://kids.donga.com/?ptype=article&no=90201202232370

 

 

끈끈이 접착 볼

접착성이 있는 접착공을 궤도에 띄워 끈끈이로 파리를 잡듯 우주 쓰레기를 포획하는 방법입니다. 이 접착공은 탄화 규소 등의 금속성 발포제 패널을 축구공처럼 이어 붙여 제작되는데, 표면에 에어로젤이나 합성수지 접착제가 발라져 있어 궤도를 돌며 떠다니는 우주 쓰레기들을 부착시킨 뒤 대기권에 재돌입하여 태워버립니다.

 

이미지출처 https://www.popsci.com/technology/article/2010-07/cluttered-space/

 

 

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최근에는 미국과 중국을 비롯한 강대국들을 중심으로 대기권을 이탈하여 우주 공간을 통해 이동하는 대륙간 탄도 미사일의 개발이 진행되면서 이로 인한 우주 쓰레기가 급증하고 있습니다. 우주 공간에서 레이저와 같은 무기를 이용해 적의 공격을 막으려는 미국의 미사일 방어 계획(Missile Defense, 일명 MD 계획)은 250 ~ 600 km 상공의 지구 저궤도를 우주 쓰레기장으로 만들 수도 있습니다.

 

우주왕복선을 보내 고장난 인공 위성을 수거하는 계획도 세워야 하고, 수명이 다한 인공위성을 멀리 이동하도록 설계하거나 로켓에서 나오는 잔해를 줄이는 연구도 병행되어야 할 것입니다.