시험&논문용 <우주 쓰레기 제거> 우주 쓰레기의 정체, 기존의 제거 아이디어, 새로운 제거 아이디어인 드레그 sail

우주쓰레기의 정체에서는 먼저 우주 쓰레기의 정체를 알아봅니다. 그리고 기존의 제거 아이디어를 살펴보고

이어서 새로운 제거 아이디어인 드레그 sail에 대해 알아봅니다.

 

우주 쓰레기 제거에서 우주 쓰레기의 정체

일반적으로 지구 주위를 도는 다양한 물체 중 인간이 만들었지만 쓸모없는 물체를 말합니다. 초기 로켓에서 분리된 부스터, 만료된 위성, 페인트 조각 및 누출된 냉각수를 포함하여 유형이 다양합니다. 대부분의 경우 발사 후 우주에서 분리된 부서진 위성이나 로켓이 오랜 시간 지구 주위를 돌고 있다가 파편화되어  우주 쓰레기가 됩니다.  또한, 만약 위성 요격 무기로 위성을 파괴한다면, 그것의 모든 잔해는 우주 쓰레기가 됩니다. 우주 탐사가 처음 시작된 1960년대 무렵에는 이런 파편의 수가 많지 않아 큰 문제가 되지 않았습니다. 하지만, 인간이 만든 구조물인 위성과 우주 정거장 등이 지구 궤도를 차지하기 시작하면서 상황이 바뀌었습니다. 사용 연한이 지난 뒤 폐기되거나 운석과 충돌해 파편이 발생해 정상 작동 중인 위성이나 우주정거장의 안전을 위협하는 단계로 이어진 것입니다. 실제로 미국 우주감시망(USSA)이 실시한 조사에 따르면 지름 10cm가 넘는 파편 2만여 개가 지구 주변을 떠돌고 있습니다. 아무리 작은 파편이라도 지구 주위를 도는 우주 파편은 엄청난 파괴력을 가지고 있습니다. 그것들은 총알보다 더 빠른 운동 에너지를 가지고 있기 때문에 위성이나 우주 정거장과 충돌하면 장비를 손상시키고 전체 시스템을 폭발시킬 수 있습니다. 우주쓰레기는 주로 발사체가 지나간 궤도를 따라 회전하며, 고도는 천차만별입니다. 그러므로, 과학자들 사이에서 위험에 대한 인식이 증가하고 있습니다. 지구 저궤도에서 900km에서 1,000km 구간과 1,500km 구간은 이미 임계밀도를 넘어섰습니다. 실제로 추락한 사고도 있었습니다. 구 소련시절 발사된 인공위성은 발사 한 달 만에 통신이 두절되었고 300개 이상의 새로운 쓰레기를 생산했습니다. 또한 만료된 러시아 위성이 미국 통신 위성과 충돌하여 두 위성이 파괴되어 엄청난 양의 우주 쓰레기를 만들었습니다. 우주 쓰레기가 땅에 떨어지는 사건도 있었습니다. 미국에서는 우주 쓰레기인 금속 물체가 떨어져 어깨를 맞는 사례가 있었고, 아프리카와 중국에서는 우주 쓰레기가 떨어져 건물이 파손되기도 했습니다. 보통 우주폐기물은 대기권 진입 과정에서 대기와의 마찰로 타 없어지지만, 우주폐기물 무게가 1톤 이상이거나 티타늄, 텅스텐, 스테인리스 등 고온을 견딜 수 있는 물질이면 지상에 도달할 수 있습니다. 다행히 우주 파편이 땅에 떨어지면 대기와의 마찰로 수백 km/h까지 속도가 느려집니다. 물론, 그것은 여전히 땅에 손상을 입힐 만큼 충분히 빠릅니다. 우주 쓰레기에도 히드라진과 같은 독성 물질이 포함되어 있을 수 있으므로 충돌 현장에 접근해서는 안 됩니다. 최악의 시나리오는 우주 쓰레기가 인구 밀집 지역이나 국가 중요 시설에 떨어지는 것입니다. 이 경우 인명과 재산 피해는 물론 사회적 재앙까지 초래할 수 있기 때문입니다. 우주 쓰레기가 달에 떨어지는 사건도 있었습니다. 물론 이로 인한 피해는 없었지만, 달 기지 건설 이후 같은 사건이 발생할 경우 인명과 재산 피해가 발생할 우려가 있습니다. 우주 쓰레기의 속도를 늦출 대기권을 가진 지구와 달리 우주 쓰레기는 달의 총알보다 더 빠른 속도로 땅에 부딪힐 수 있습니다.

 

 

기존의 제거 아이디어

우주 쓰레기의 위험성에 대해 경고하거나 그것을 수집하고 처리하는 방법이 많이 제안되었지만 처리하는 과정은 기술적으로나 경제적으로 그렇게 쉽지 않기 때문에 상용화된 적이 없습니다.  따라서 처리속도가 빠른 우주폐기물을 인위적으로 모아 처리하는 것은 현재의 과학기술 수준에서는 상당히 어려울 수밖에 없습니다. 더 큰 문제는 이러한 우주 쓰레기가 증가하고 있다는 것입니다. 그래서 과학자들은 이 급격하게 증가하는 우주 쓰레기의 양을 제거하기 위해 꽤 다양한 아이디어를 생각해냈습니다. 그물로 물고기를 잡는 것처럼 우주 쓰레기를 잡기 위해 우주로 그물을 펼치거나 작살처럼 생긴 도구를 이용해 우주 쓰레기를 하나씩 잡는 것이 대표적인 방법입니다. 2018년에는 우주 쓰레기를 그물로 포획해 우주에 떠다니는 목표물을 그물로 포획하는 데 성공하면서 가능성을 확인했습니다. 목표물에 대해 7미터 거리에서 그물을 발사하여 풍선을 성공적으로 포획하였습니다. 그러나 우주 쓰레기를 모으는 비용이 매우 비싸기 때문에, 아직 상업화는 멀었습니다.

새로운 제거 아이디어인 드래그 sail

그래서  미국 과학자들은 새로운 방법을 제안했습니다. 돛을 펴고 우주 쓰레기를 치우자는 것입니다.  그러나 그들이 제안한 수집 방법은 기존의 공간 낭비를 제거하는 것이 아닙니다. 그들의 목표는 미래에 발생할 수 있는 공간 낭비를 근본적으로 없애는 것입니다.  이 제안은 모든 우주선과 발사체에 돛을 다는 것입니다. 비록 이 방법이 기존의 우주 쓰레기를 제거할 수는 없지만, 그들은 이것이 미래의 우주 쓰레기를 막을 수 있다고 믿고 있습니다. 가능성을 확인하기 위한 우주에서의 실험 있었습니다. 퍼듀대 연구진이 구상한 이 드래그 sail은 우주 공간에서 돛처럼 펼 수 있는 얇은 직사각형 막을 의미합니다. 드래그 세일은 사각 돛을 사용한다는 점에서 태양광 sail과 유사하다고 볼 수 있습니다. 태양열과 태양풍에 의해 움직이는 우주에서 돛을 열고 앞으로 나아가는 우주선을 말합니다. 햇빛과 태양풍이 돛에 부딪혀 항해하기 때문에 기존의 화학연료 기반 우주선과는 전혀 다른 새로운 개념의 미래형 우주선입니다. 그러나 돛을 이용한 드래그 sail의 목적은 태양열 sail과는 매우 다릅니다. 연구원들은 드래그 sail의 돛을 태양풍을 받는 것이 아니라 일종의 제어 장치로 사용할 계획입니다. 앞에서 언급했듯이, 우주 쓰레기는 총알보다 더 빨리 지구 주위를 돌고 있습니다. 그 결과 대기권에 진입해 마찰열로 연소하는 데 시간이 너무 오래 걸립니다. 우주탐사를 추진한다는 관점에서 우주폐기물의 회전속도를 늦추고 대기권 진입시간을 앞당겨 장애물을 제거해야 합니다. 문제는 현재 지구 궤도를 돌고 있는 우주 쓰레기에 드래그 sail을 붙이는 것인데, 우주 쓰레기에 드래그 sail을 붙이는 것은 불가능합니다. 대신 미래에 우주선이나 인공위성을 발사할 때는 수명이 다하면 우주폐기물에 빠지기 전에 회전속도를 줄여 대기권에 떨어지게 유도하기 위해 우주선이나 위성, 로켓에 미리 드래그 sail을 붙입니다. 연구진이 현재 개발 중인 드래그 sail의 정식 명칭은 '스피나이커 3입니다. 우주선이나 위성에 장착할 때는 돛이 하나씩 접혀 있어 작은 상자 크기에 불과합니다. 하지만 3m 길이의 다리 4개를 쭉 뻗은 뒤 커튼을 펼치면 면적 18㎡의 넓은 돛으로 변신합니다. 스피너커 3호는 우주 쓰레기를 제거하기 위한 로켓의 맨 위에 장착합니다.