우주 쓰레기가 온다

우리가 쏘아 올린 것들이 되돌아오기 시작했다

떠다니고, 떨어지고, 충돌하는

위험하고 파괴적인 쓰레기로



늘어나는 우주 쓰레기로 붐비는 우주

지구 밖을 향한 인류의 꿈은 실현될 수 있을까?



인공위성의 충돌과 추락 그리고 이를 감시하는 인류의 노력까지

우주감시 현장의 최전선에 서 있는

우주과학자가 들려주는 우주 쓰레기의 모든 것!



Space Debris . . .

현재 지구 궤도에서 임무를 수행 중인 인공위성의 수는 2300여 개, 우주 쓰레기의 수는 2만여 개에 이른다.

지구를 둘러싼 인공우주물체의 90퍼센트가량이 우주 쓰레기인 것이다.

발견되지 않은 우주 쓰레기까지 모두 찾아낼 수 있다면 그 수는 1억 개가 넘을 것으로 추정된다.



우주 연구 현장의 최전선에 서 있는 한국 우주과학자의 첫 책

우주감시 전문가로서 생생히 목격하고 내다본 우주의 혼란과 미래



2018년 4월, 중국의 우주정거장 톈궁 1호가 통제 불가능한 상태로 지구로 떨어졌다. 당시 톈궁 1호가 지구로 재진입하는 과정에서 한국이 추락 예측 범위에 들었고, 언론을 통해 이 사실이 알려지면서 국민들의 관심과 우려가 커졌다. 8.5톤 무게의 버스 크기만 한 톈궁 1호의 잔해가 사람들이 사는 곳에 떨어진다면 큰 피해가 발생할 수도 있는 위험한 상황이었다. 세계 각국은 실시간으로 그 추락 궤도를 예측하며 혹시 모를 피해에 대비했고, 한국 또한 위성추락상황실을 운영하며 만반의 준비를 했다. 저자 최은정은 당시 급박하게 돌아가던 위성추락상황실에서 톈궁 1호의 최종 추락 범위와 시각을 예측하며 위험 상황에 침착하게 대응하는 데 기여했다. 톈궁 1호 추락은 효용을 다한 인공우주물체, 즉 우주 쓰레기의 추락이 우리에게 실질적인 위협이 될 수도 있음을 체감하게 한 사건이었다.

우주 쓰레기의 위협은 점점 현실이 되고 있다. 지구 궤도에 떠다니는 우주 쓰레기만 2만여 개이며, 그중 매년 평균 400여 개 이상이 지구 대기권으로 떨어지고 있다. 대기권에서 불타 사라지는 것들도 있지만, 파편이 남아 지상까지 떨어지는 것들도 있다. 60여 년이 넘는 시간 동안 인류가 개척해온 우주의 뒤편에는 쓰레기가 남고 있었고, 그 쓰레기들이 다시 지구로 되돌아오고 있는 것이다.

전 세계의 각 국가는 인공위성과 우주 쓰레기의 수를 파악하고 그 움직임을 예측하기 위한 우주감시 시스템을 구축하기 위해 노력하고 있다. 가장 대표적인 우주감시 시스템으로는 미국 연합우주작전센터(Combined Space Operation Center, CSpOC)에서 운영하는 우주감시네트워크(Space Surveillance Network, SSN)가 있다. 우주감시네트워크에서는 발견된 모든 인공우주물체에 대해 일련의 식별번호를 부여해 목록화하고 있다. 운용 중인 인공위성뿐만 아니라 우주 쓰레기가 된 채 궤도를 떠다니는 파편들에까지 번호가 매겨져 있는 것이다.

우주감시네트워크는 광학망원경과 레이더를 이용해 지름이 10센티미터 이상인 인공우주물체를 찾아낼 수 있다. 지금까지 발견된 수는 총 4만 8000여 개, 그중 인공위성이 1만 1000여 개이고, 우주 쓰레기가 3만 7000여 개다. 등록된 우주물체 가운데 지구 대기권으로 추락해 사라진 2만 5000여 개를 제외하면 현재 지구 궤도에는 2만 3000여 개의 인공우주물체가 있다. 그중에서도 운용 중인 인공위성은 10퍼센트이고, 나머지 90퍼센트가 모두 우주 쓰레기다. 만약 발견되지 않은 우주 쓰레기까지 모두 찾아낼 수 있다면 그 수는 1억 개가 넘을 것으로 본다.

미국만큼 대대적인 우주감시 시스템을 갖춘 나라가 없기에 대부분의 국가는 인공우주물체 정보를 미국에 의존하고 있다. 톈궁 1호 추락 사건 당시에도 한국은 미국에서 공개하는 정보를 받아 분석했다. 물론 한국의 분석 능력 자체는 우수해서 다른 국가보다 더 빠르고 정확한 예측을 내놓을 수 있었다. 하지만 자체적인 정보를 생산할 수 없다는 점은 명백한 한계이고, 이를 극복하기 위해 한국도 자체적인 우주감시 시스템을 구축하고 있다.

한국의 우주감시 시스템은 '아울넷(OWL-Net)'이라고 불리는 우주물체전자광학감시네트워크(Space Object Wide-field patroL Network)를 구축했다. 아울넷은 광학망원경 다섯 대로 구성된 시스템으로, 각각의 망원경은 전 세계 곳곳에 흩어져 설치되어 무인으로 운영되고 있다. 설치된 망원경을 한국천문연구원에서 원격으로 조정해 데이터를 수집한다.



한국 최초의 우주감시 시스템 우주물체전자광학감시네트워크 아울넷.(출처: 한국천문연구원)

좌측부터 OWL1호기(몽골), OWL2호기(모로코), OWL3호기(이스라엘), OWL4호기(미국), OWL5호기(한국).



지구 궤도를 떠다니며 끊임없이 움직이는 우주물체의 위치를 파악한다는 것은 현재의 기술로서도 쉬운 일이 아니다. 하지만 인류는 계속해서 우주감시 기술을 발전시키며 안전한 지구와 우주에서의 활동을 위해 노력하고 있다. 《우주 쓰레기가 온다》에서는 인류의 우주감시 역사에서부터 미국과 한국 등 각국의 우주감시 시스템 현황 그리고 다양한 우주감시 기술의 장단점을 소개하고 있다. 아무나 접하기 어려운 깊이 있는 내용이지만, 누구나 알기 쉽게 설명해주어 우주 애호가부터 전문가까지 모두 만족시킬 만하다.

추락과 충돌 등 우주로부터의 위험을 감시하고 예측하는 일은 지구와 우주의 평화를 지키는 일이기도 하다. 우주감시 현장에서 일하는 우주과학자들은 실제로 영화 속 주인공 같은 일을 하고 있는 것이다. 저자는 우주 쓰레기를 연구하며 우주감시 현장의 최전선에서 오랜 시간 일해왔다. 현장에서 얻은 경험과 통찰로 점점 더 심각해질 우주 쓰레기 문제와 그로 인한 위험을 누구보다 생생하게 전하고 있다.



군비 경쟁부터 우주 비즈니스까지 우주개발의 역사

우주 환경을 위협하는 우주 쓰레기를 다룬 유일한 책



바야흐로 대우주 시대다. 정부 주도의 군비 경쟁 성격을 띤 미국과 소련의 우주개발이 주를 이뤘던 '올드 스페이스' 시대를 지나 개인과 민간이 자유롭게 우주로 향하는 '뉴 스페이스' 시대가 열렸다. 일론 머스크의 스페이스 엑스는 한 번에 수십 대의 스타링크 위성을 쏘아 올리고 있고, 그에 질세라 제프 베조스의 아마존도 우주개발에 더욱 박차를 가하고 있다. 민간기업들의 주도로 우주 공간의 상업적 이용이 더욱 활발해지고 있다. 우주 공간으로 쏘아 올린 인공위성들은 이제 인류의 실생활 깊숙이 영향을 미치고 있으며 우리는 더 이상 인공위성 없는 생활이 불가능한 시대에 살고 있다.

1957년 스푸트니크 1호 발사 이후 우주를 향한 인류의 꿈은 계속되었고, 그로 인해 지구 궤도에는 인공위성이 빼곡히 들어찼다. 언제나 광활할 것만 같은 우주이지만, 인류가 실제로 사용할 수 있는 우주 공간은 한정되어 있다. 특히 인공위성을 쏘아 올릴 수 있는 지구 궤도는 더욱 한정적이다. 60여 년 넘게 지속되고 있는 인류의 우주개발로 인해 우주는 점점 더 혼잡해지고 있다.

지구 적도면을 따라 고도 3만 5800미터는 정지궤도 영역이다. 이 궤도에서는 인공위성의 공전 주기가 지구의 자전 주기와 일치하기 때문에 특정 지역을 위한 서비스를 하는 위성, 즉 통신·방송·기상 등의 임무를 수행하는 위성이 주로 위치한다. 정지궤도 영역은 특히 한정되어 있기 때문에 수명을 다한 인공위성이 그대로 궤도에 남아 있다가는 새로운 인공위성이 자리 잡을 곳이 없어진다. 그래서 정지궤도 위성들은 임무를 완수하면 지구 대기권으로 재진입하거나 폐기궤도로 이동해 우주 쓰레기가 된다.

지구 궤도를 떠다니는 인공위성과 우주 쓰레기의 수가 많아짐에 따라 지구 궤도에서 두 물체가 충돌하는 우주 교통사고도 빈번히 일어나고 있다. 우주 쓰레기로 궤도를 돌고 있던 코스모스 2251호와 운용 중이었던 위성 이리듐 33호가 실제로 2009년 충돌했다. 이 사고는 총 2400여 개의 파편을 발생시켰고, 이 파편들은 수십에서 수백 년까지 궤도를 떠돌 것으로 보인다. 이러한 작은 파편들은 아주 빠른 속도로 궤도를 돌기 때문에 운용 중인 다른 위성에까지 피해를 입힐 수 있다. 실제로 허블우주망원경의 태양전지판에는 작은 파편들의 충돌로 인해 7년간 500여 개의 충돌 자국이 생겼다.

우주 쓰레기의 증가로 지구 궤도는 점점 더 붐비고 위험해지고 있다. 지구 밖을 향한 인류의 꿈을 실현하는 과정이 아이러니하게도 우주로 가는 길을 막는 결과로 이어지고 있다. 《우주 쓰레기가 온다》에서는 인류의 우주개발 역사부터 뉴 스페이스 시대에 들어서 빠르게 변화하고 있는 우주 풍경을 생중계하듯 안내한다. 인공위성과 우주 쓰레기가 늘어난 지구 주변의 모습은 그 자체로 장관이다. 허나 그 풍경 속에서 우리가 무엇을 놓치고 있는지 되돌아보아야 할 때다.



지구 주변의 인공우주물체들을 나타낸 그래픽 이미지.(출처: 한국천문연구원)

흰 점은 인공위성, 파란 점은 우주발사체 잔해, 붉은 점은 그 외 인공우주물체의 잔해이다.

즉, 붉은 점과 파란 점이 모두 우주 쓰레기이다.



뉴 스페이스 시대 인류가 맞닥뜨린 새로운 환경문제

우주의 개발과 평화를 지속하기 위해 풀어야 할 숙제들



인류의 활동 범위가 우주로 확장되고 있다. 우주를 향한 꿈과 이를 실현하기 위해 발전하는 과학기술은 인류를 점점 더 자유롭게 우주 공간에 드나들 수 있게 해줄 것이다. 우주 공간은 이제 개발 혹은 탐사의 대상일 뿐만 아니라 인류가 활동하는 공간이 되어간다. 그러므로 늘어나는 우주 쓰레기 문제는 인류에게 실질적인 위협이다. 실제로 우주정거장에 거주하는 우주인은 우주 쓰레기의 위협을 가장 가까이서 느끼고 있다. 사람을 태우고 달로, 화성으로 향하는 유인 우주선도 점점 늘어나고 있다. 영화 〈그래비티〉 같은 재난이 언제 일어날지 모른다.

우주 공간에 대한 이해를 위해서는 '공유지의 비극(tragedy of the commons)' 현상을 떠올릴 필요가 있다. 공유지, 즉 어떠한 자원을 자유롭게 사용할 수 있을 때 모든 이가 이기적인 방식으로 남용하게 되어 결국 그 자원이 고갈되거나 파괴되어 이를 이용하고자 하는 모두에게 안 좋은 결과로 돌아오게 되는 현상을 말한다. 우주 공간 또한 특정 국가나 개인이 소유권을 주장할 수 없는 일종의 공유지다. 어떠한 합의나 규제 없이 모두가 자유롭게 사용하도록 놔둔다면 지구 궤도는 일부 우주개발 선진국이나 민간기업이 독차지하게 될 것이다. 우주개발 후발국들에게는 인공위성을 쏘아 올릴 기회조차 없어질지도 모른다. 또한 우주 공간을 무분별하게 사용하기만 하고 우주 쓰레기에 대한 책임을 지지 않는다면 우주 재난 최악의 시나리오, 케슬러 신드롬이 실현될 수도 있다. 인공우주물체 간의 무작위적인 충돌이 연쇄적으로 일어나 파편의 수가 기하급수적으로 증가해 우주로 나가는 길이 영영 막힐 수도 있다.

다행히 인류는 이러한 문제를 인식하고 지속 가능한 평화적 우주 활동을 위한 방법들을 찾아나가고 있다. 전 세계가 소통과 합의를 통해 우주 활동에 대한 규제를 만들고 이를 지키려 노력하고 있다. 2007년 유엔 외기권의 평화적 이용을 위한 위원회(이하 'COPUOS')에서는 '우주 쓰레기 경감 가이드라인'을 발표했다. '우주 쓰레기 경감 가이드라인'에서는 우주 쓰레기를 줄이기 위해 우주개발 과정에서 지켜야 할 일곱 가지 지침을 제시하고 있다. 비록 아직 강제성이 없는 '지침(guideline)'일 뿐이지만, 이 지침을 바탕으로 각 국가가 자국만의 법률과 정책을 제정하고 있다.



베스파를 수거하는 청소위성 상상도.(ClearSpace SA)

우주 쓰레기를 더 이상 늘리지 않는 것이 가장 중요하겠지만, 이미 지구 궤도를 떠다니는 우주 쓰레기를 안전하게 처리하는 기술 또한 계속해서 연구되고 있다. 궤도에 있는 우주 쓰레기를 처리하는 방식에는 크게 두 가지가 있다. 첫째는 인공위성이 수명을 다했을 때 스스로 폐기를 실행하는 '임무후처리(Post-Mission Disposal, PMD)' 방식, 둘째는 청소용 위성을 내보내 파편을 직접 수거하는 '능동적제거(Active Debris Removal, ADR)' 방식이다. 언론에 소개되는 사례 대부분은 능동적제거 방식이다. 영화 〈승리호〉에 나오는 장면처럼 궤도를 도는 우주 쓰레기에 직접 접근해 포착하는 방식을 떠올리면 이해가 쉽다. 실제로 스위스의 민간기업 클리어스페이스는 지구 궤도를 떠도는 우주 쓰레기 '베스파(Vespa)'를 청소하는 임무를 맡아 로봇 팔이 달린 청소위성을 쏘아 올릴 계획이다.

이 밖에도 인류는 새로운 활동 무대인 우주 공간을 평화적으로 이용하기 위한 여러 노력을 해나가고 있다. 우주 공간에서 위험을 인식하고 대처하기 위한 '우주상황인식' 그리고 이를 바탕으로 한 '우주교통관리' 체계를 마련하고 있다. 책에서는 첨단의 과학기술을 바탕으로 한 지속 가능한 우주개발의 사례와 우주 쓰레기를 줄이기 위한 기술적·정책적 접근 그리고 평화적 우주 이용을 위한 국제협력들을 망라하여 소개하고 있다.



우주 쓰레기는 사실상 가장 위험하고 파괴적인 쓰레기다. 작은 크기의 파편이라도 빠른 속도로 움직이며 충돌하고 추락하기 때문에 파괴적인 힘을 갖고 있다. 그리고 그러한 힘을 지닌 채, 비유적인 표현이 아니라 실제로, 우리에게 되돌아온다. 우주 쓰레기는 우리가 버린 것들이 언제고 다시 우리에게 되돌아온다는 아주 단순한 교훈을 직관적으로 보여준다. 그리고 때론 그렇게 되돌아온 것들은 우리 자신을 파괴할 수도 있다.

우주 공간을 환경의 관점에서 바라보고, 우주 쓰레기 문제를 인류가 맞닥뜨린 또 다른 환경문제로 바라보는 저자의 시선은 그래서 소중하다. 우주 공간을 이제는 인류가 활동하는 공간, 우리를 둘러싼 '환경'으로 인식해야 한다. 그래야만 우주 쓰레기 문제에 대한 대책을 마련하고 지속 가능한 방향으로 우주 활동을 할 수 있는 길을 모색할 수 있을 것이다. 《우주 쓰레기가 온다》는 이러한 인식의 전환, 우주 공간을 새로운 시각으로 바라보는 데 도움을 줄 것이다.

프롤로그: 지구 밖의 쓰레기가 인류를 위협하고 있다



1부 뉴 스페이스 시대, 붐비는 우주

1 지구를 둘러싼 우주 쓰레기

우주에도 인간은 쓰레기를 남긴다│우주에 남겨진 가장 오래된 인공위성│인공위성을 쏘아 올린 로켓의 잔해들│우주 쓰레기에도 이름과 번호가 있다│인공위성은 언제든 폭발할 수 있다│충돌과 파괴로 생기는 파편들



2 우주 공간은 어떻게 변했을까?

우주에서 가장 혼잡한 곳, 저궤도│한정된 우주 명당, 정지궤도│지구에서 달로 가는 길, 시스루나│우주에 두고 온 타임캡슐



3 인공위성이 우주 쓰레기가 되기까지

인류가 우주로 나가는 이유│인공위성도 무덤이 있다│지구에 있는 우주 쓰레기 처리장



4 밤하늘을 가득 메운 인공위성의 습격

올드 스페이스에서 뉴 스페이스로│소형위성 전성시대│별빛을 가로막는 인공위성

2021 스페이스 오디세이 ㆍ 우주산업의 장밋빛 전망과 그림자



2부 떨어지고 충돌하는 우주로부터의 위험

5 지구로 추락하는 우주물체들

밤하늘을 가로지르는 빛의 정체│인공위성의 최후, 떨어지거나 버려지거나│우주 쓰레기를 떨어뜨리는 힘│인공위성이 지구로 떨어진다면?│지구로 떨어진 우주발사체의 잔해들│거대 우주물체, 우주정거장의 추락│인공위성이 한국에 떨어질 확률│우주 쓰레기에 사람이 맞을 확률

2021 스페이스 오디세이 ㆍ 톈궁 1호의 추락을 예측하라, 위성추락상황실



6 충돌하는 인공위성과 우주 쓰레기

가장 위험하고 파괴적인 쓰레기│위성과 위성이 충돌하다, 우주 교통사고│우주 재난 최악의 시나리오



7 우주위험을 감시하라

우주위험을 막기 위해 가장 먼저 해야 할 일│광학망원경으로 우주를 감시하는 방법│레이더로 우주를 감시하는 방법│레이저로 우주를 감시하는 방법

2021 스페이스 오디세이 ㆍ 우주물체의 궤도를 예측하라



3부 지속 가능한 평화적 우주 활동을 위한 안내서

8 인류가 우주에서 지켜야 할 규범

누가 우주의 주인일까?│우주 쓰레기도 주인이 있다│공유지의 비극

2021 스페이스 오디세이 ㆍ 미래의 우주를 위한 네 가지 관점



9 우주 쓰레기를 줄이기 위한 인류의 노력

우주를 떠다니는 비닐봉투가 있다?│우주 쓰레기 경감 가이드 라인



10 우주 쓰레기, 어떻게 처리할 것인가

우주 쓰레기, 청소해드립니다│우주 쓰레기를 처리하는 방법│인공위성을 폐기하는 올바른 방법



11 우주로 나가는 기회를 만드는 올바른 방식

우주상황인식이 필요한 때│우주에도 교통관리가 필요하다│한국의 인공위성을 보호하라│우주 안보가 중요한 이유

2021 스페이스 오디세이 ㆍ 우주의 안전과 평화를 지키는 우주군



에필로그: 미래의 우주 활동가를 위한 지속 가능한 우주를 꿈꾸며



참고문헌

추천의 말

최은정 우주과학자. 한국천문연구원 우주위험연구실장.

연세대학교 천문대기과학과를 졸업하고, 동 대학원 천문우주학과에서 인공위성 충돌 위험 연구로 석사학위를, 인공위성의 궤도 결정 연구로 박사학위를 받았다. 한국항공우주산업㈜에서는 아리랑 2호 등 인공위성에 탑재되는 소프트웨어를, 쎄트렉아이㈜에서는 두바이위성 등 해외로 수출하는 인공위성을 개발하는 우주공학자로 일했다. 현재는 한국천문연구원 우주위험감시센터에서 인공위성과 우주 쓰레기의 추락과 충돌 등 위험을 예측하고 분석하는 우주과학자로 일하고 있다. 2014년부터 매년 유엔 외기권의 평화적 이용을 위한 위원회에 한국 대표단으로도 참여하고 있다.

논문에서 분석한 이리듐 인공위성의 충돌 상황이 10년 뒤 실제로 일어나 인공위성 간의 충돌을 예견한 사례가 되기도 했으며, 2018년에는 중국 우주정거장 톈궁 1호의 추락 궤도를 예측하며 한국 정부가 위험 상황에 침착하게 대응하는 데 기여했다.

영화 〈그래비티〉나 〈승리호〉같이 우주 쓰레기로 인한 재난이 발생하지 않도록 우주를 감시하는 일을 한다는 데 자부심이 크다. 지구와 우주의 평화를 지키며 지속 가능한 우주 활동을 해나가는 데 더 많은 이가 함께하길 바라는 마음을 이 책에 담았다.