지구 상공에 위성을 포함해 약 3만 개의 물체가 돌고 있는 것으로 나타났다. 

천문학자들은 스푸트니크 발사 이후 약 70년이 지난 현재 수많은 기계가 우주를 날아다니면서, 이들 공해 물질로 인해 지상 망원경으로 다른 은하계를 연구하는 것이 불가능해질까 우려하고 있다.

CNN은 지난 21일 더 큰 문제는 우주 쓰레기라며 야구공 크기 이상의 약 3만 개의 물체가 지구 상공 수백 마일에 걸쳐 총알의 10배 속도로 날아다니고 있다고 전했다.

1957년 10월 4일, 러시아 스푸트니크(Sputnik) 1호 인공위성이 로켓에 실려 우주를 향해 날아갔다. 무게 약 83㎏의 금속구 형태의 스푸트니크 1호는 타원형의 지구 제궤도로 발사한 세계 최초의 인공위성이었다. 당시 미소 냉전 시대에 쏘아 올린 이 위성은 이후 인류의 우주시대와 우주경쟁의 방아쇠를 당겼다.

미 국립해양대기국(NOAA)은 최근 최초로 고공 항공기로 성층권 시료를 채취해 새로운 과학적 사실을 발견했다. 이에 따르면 영리적인 우주 경쟁은 측정 가능한 방식으로 하늘을 변화시키고 있으며 오존층과 지구 기후에 잠재적으로 해로운 결과를 초래할 수 있다.

NOAA 화학 과학 연구소의 연구 물리학자인 토리 손베리(Troy Thornberry)는 지구 저궤도를 돌고 있는 우주 쓰레기를 포함한 물체에 대해 "우리는 인간 우주 교통의 지문을 성층권 에어로졸에서 볼 수 있다"고 말했다. 그는 "우리는 이전에는 없었던 많은 물질을 성층권에 추가하는 것을 고려하고 있으며, 우리가 우주에 넣는 물질의 순수 질량도 고려하고 있다"고 덧붙였다.

연구에 따르면 현재 상층 대기의 입자 중 10%는 궤도를 벗어나고 불타는 로켓이나 위성에서 나온 금속 조각을 포함하고 있다. 보고서는 인류가 위성에서 내려오는 정보에 점점 더 의존하게 되면서 향후 수십 년 동안 인공 쓰레기가 성층권 에어로졸의 50%를 차지하게 될 것이라고 예측했다.

우주 탐사선, 새로운 화석 연료 배출물 추가

이러한 변화가 오존층에 어떤 영향을 미칠지는 불확실하지만 이미 위기에 처한 기후 시스템에 대한 영향은 복잡하다. 미 항공우주국(NASA·나사)의 스페이스 셔틀에서 사용된 고체 로켓 부스터에서 스페이스X 로켓의 연료를 케로신으로 전환한 것은 모든 로켓 발사 시 엄청난 양의 새로운 화석 연료 배출물을 추가했다. 오래된 위성들이 궤도 이탈 과정에서 연료로 인한 쓰레기 구름을 만들고 있다.

NASA 관계자들은 지구를 둘러싼 우주 쓰레기를 나타내는 점들은 크기가 정확하지 않지만 "매년 혼잡 상태는 악화되고 있다"고 말했다.

과학자들은 결국 지구는 지구 고유의 가시적인 고리를 갖게 될 것이라고 이론화했다. 다른 몇몇 행성처럼 얼음과 우주 암석 조각 대신 이 고리는 우주 쓰레기로 만들어질 것이라는 경고다.

손베리는 CNN에서 "우리는 수천 개의 위성으로 구성된 별자리를 말한다. 각각 1톤 정도 무겁고 지구로 떨어질 때 운석처럼 작용한다"고 말했다.

현재 궤도 상공에 8300개 이상의 위성이 있으며 앞으로 얼마나 많은 위성이 추가될지에 대한 예측은 크게 달라진다.

300개 이상의 상업 및 정부 기관은 2030년까지 47만8000개의 위성을 발사할 계획이라고 발표했지만 이 수치는 과대추정이라는 지적이 이어지고 있다. 미국 정부 책임부는 향후 6년 동안 5만8000개의 위성이 발사될 것이라고 예측했다. 다른 분석가들은 궤도에 진입할 가능성이 있는 수치는 2만 개 보다 훨씬 적다고 추정했다.

케슬러 증후군

스푸트니크 발사 이후 미국과 구소련은 우주 탐사 경쟁을 벌였다. 미국 우주 비행사 닐 암스트롱은 1969년 7월 인류 최초로 달에 발을 디디기에 이르렀다. 1979년 NASA 과학자 도널드 케슬리(Donald Kessler)가 "인공 위성의 충돌 빈도: 쓰레기 벨트의 생성"이라는 제목의 논문을 발표하기 전까지는 거기 도달하기 위해 만들어진 궤도 쓰레기는 거의 고려되지 않았다.

궤도 쓰레기 교통 체증은 '케슬러 증후군'에 대한 두려움을 다시 불러일으켰다. 영화 '그래비티'(2013년)에서 묘사된 케슬러 증후군은 지구 궤도가 너무 혼잡해져서 결국 더 많은 쓰레기가 발생해 더 많은 충돌을 초래하고, 발사가 불가능해지는 악순환이 만들어질 것이라는 우려를 간결하게 표현한 용어다.

궤도 쓰레기 무려 1억 개 

전체적으로 연필심 크기의 인공 쓰레기가 1억 개 이상 궤도를 돌고 있으며 이는 우주 사업에서 발생하는 주요 위험이다.

NASA에 따르면, 최소 야구공 크기의 물체 약 2만5000개와 훨씬 더 작은 물체를 포함하면 1억 개 이상이 지구를 돌고 있다. 하늘에는 최대 총알 속도의 10배까지 이동할 수 있는 9000톤의 쓰레기가 떠다니고 있어, 로켓 및 장비 발사는 재앙적인 결과를 초래할 수 있다고 관계자들은 경고했다.

전문가들은 저궤도에서는 심지어 작은 쓰레기 조각이 시속 3만7000km 이상의 속도로 우주를 통과하여 국제 우주 정거장(ISS)의 창문을 깨뜨릴 수도 있다고 지적했다.

스페이스X는 최근 3만개의 스타링크 위성을 추가로 투입하기 위해 신청했으며, 현재 이미 5000개 이상의 대형 물체가 소유한 위성이다.

2023년 가디언 보고서에 따르면, 통제되지 않는 우주 쓰레기가 지속적으로 늘면서 천문학자들은 빛 공해로 인해 망원경으로 밤하늘을 관측하는 데 방해를 받고 새로운 발견을 하는 능력이 저하될 수 있다고 우려하고 있다. 또한, 더 많은 위성이 민감한 천문 관측 장비와 라디오 방해를 일으킬 수 있다는 우려도 있다.

론 로페즈는 CNN에 "10년 전에는 우리 창립자가 우주 쓰레기 이야기를 하다니 미쳤다고 생각했다"고 말했다. 로페즈는 '궤도 쓰레기 제거'라는 새로운 사업분야에서 시장 점유율을 경쟁하는 일본 기업 아스트로스케일(Astroscale)의 미국 지사 사장이다.

그는 "하지만 지금은 우주 지속 가능성과 쓰레기 문제에 대한 패널이나 일련의 강연 없이는 우주 컨퍼런스에 참석할 수 없다"고 전했다.

로페즈는 자신의 회사가 쓰레기 트럭, 궤도 재활용 센터 및 '우주 순환 경제'를 구축하는 데는 아직 거리가 멀다고 인정하지만, 아스트로스케일은 2022년 강력한 자석을 장착한 위성을 사용해 동일한 3년 임무에서 발사된 이동 목표물을 포착했다.

그는 "이것은 도킹 및 다른 위성과의 랑데뷰를 수행하는 데 필요한 많은 기술을 시연한 최초의 상업적으로 자금이 조달된 우주선이었다. 우리는 이들을 이동시키고, 결국에는 연료를 보급하거나, 어떤 경우에는 쓰레기 문제를 해결하기 위해 궤도를 이탈시킬 수도 있다"고 말했다.

지난 2월 18일 항공우주 회사 로켓 랩(Rocket Lab)이 뉴질랜드에서 발사한 두 번째 아스트로스케일 임무는 우주 쓰레기를 자세히 조사할 예정이다. 일본 정부와 민간 기업이 공동으로 추진하는 우주쓰레기 제거 기술 개발 프로젝트 ADRAS-J는 2009년 저궤도에 남겨진 로켓 단계의 움직임을 관찰할 계획이다. 

2023년 11월 22일 발사된 ADRAS-J 위성은 2024년 2월 22일 목표 쓰레기와 성공적인 랑데뷰를 마쳤다. 아스트로스케일의 임무는 카메라와 센서를 사용하여 로켓 쓰레기를 연구하고 궤도에서 제거하는 방법을 파악하는 것이다.

일본 목조 위성 제작

한편, 올 여름 일본과 NASA 과학자들이 대부분 목재로 만든 세계 최초의 생분해 위성을 발사할 때 예정이다. 이는 스푸트니크 이후 참으로 작은 한 걸음이다.

일본의 과학자들이 우주 오염 문제에 대응하기 위해 세계에서 가장 독특한 우주선 중 하나를 개발했다. 이는 목재로 제작된 소형 위성 리그노샛(LignoSat)으로, 목련 나무를 사용해서 제작됐다.

지난 18일 야후에 따르면, 커피 머그잔 크기의 소형 리그노샛 위성은 국제 우주 정거장에서 실시된 실험에서 안정성과 균열 저항성이 뛰어난 것으로 확인됐다.

교토 대학과 스미토모 임업(Sumitomo Forestry)의 연구팀은 생분해성 재료인 목재를 사용하여 현재 금속으로 제작되는 위성에 대한 환경친화적인 대안을 모색하기 위해 이 위성을 제작했다.

교토 대학의 일본 우주 비행사이자 항공 우주 공학자인 타카오 도이(Takao Doi) 교수는 지구 대기권으로 재진입하는 위성이 연소되면서 작은 알루미나 입자를 생성하고, 이 입자들이 대기 상층부에 오랜 기간 동안 머물면서 결국 지구 환경에 영향을 미친다고 설명했다.

올해 여름, 이 목재 위성은 미국의 로켓에 실려 우주로 발사될 예정이다.

매년 약 2000개 이상의 우주선이 발사될 것으로 예상되는 가운데, 재진입 시 연소되면서 대기 상층부에 침착될 수 있는 알루미늄 사용은 곧 심각한 환경 문제를 초래할 수 있다.

캐나다 브리티시 컬럼비아 대학의 과학자들이 실시한 최근 연구에 따르면, 인공위성이 재진입할 때 알루미늄이 오존층에 심각한 피해를 입힐 수 있으며, 지면으로 도달하는 햇빛의 양에도 영향을 미칠 수 있다는 우려가 제기됐다.

하지만, 리그노샛과 같은 목재로 만들어진 위성의 경우, 이러한 문제가 발생하지 않는다. 임무를 마친 후 대기권으로 재진입하며 연소될 때, 오직 생분해성 재료의 미세한 입자만을 생성한다.

한국, 포획 위성 개발 착수

한국 정부는 임무를 완수한 후 우주에서 떠도는 국내 위성들을 회수하여 지구 대기권으로 다시 진입시켜 소멸시키는 '위성 포획' 프로젝트에 착수한다.

과학기술정보통신부는 지난 27일 '우주 물체의 능동적 제어를 위한 선행 기술 개발 사업'의 온라인 설명회에서, 이 기술을 적용한 소형 위성을 개발하고 이를 2027년에 발사 예정인 누리호를 통해 실제 우주에서 테스트할 계획이라고 발표했다.

우주 물체의 능동적 제어 기술은 위성이나 소행성과 같은 우주물체에 접근해 로봇 팔이나 그물을 사용해 이들의 위치나 궤도를 조정하는 기술이다.

이 기술은 우주에서 임무를 마친 채 우주 쓰레기로 전락한 위성들을 포획하여 지구 대기권으로 안내해 소각 처리하는 데 활용될 수 있으며, 최근에는 위성에 연료를 추가로 공급하거나 수리를 진행하고, 궤도를 변경하여 임무 기간을 연장하는 등의 다양한 용도로 관심을 받고 있다.

과기정통부가 공개한 과제 제안요구서(RFP)에 따르면 이번 프로젝트의 목표는 능동적 제어 기술, 특히 위성 포획 및 지구로의 재진입 기능을 갖춘 500kg 미만의 소형 위성을 개발하여 2027년 누리호의 6차 발사 때 이를 실증하는 것이다.

이 기술은 2027년 기준으로 지구 상공 500km에 위치한 우리별 1, 2, 3호, 과학기술 위성 1호, 국내 대학들의 큐브위성 등의 우주 잔해물을 포획하여 지구 대기권으로 안내해 소멸시키는 능력을 우주에서 직접 검증하는 것을 목적으로 한다.

이 프로젝트에는 2028년까지 총 447억 원의 예산이 할당되어 있으며, 프로젝트 첫 해인 올해에는 25억 원이 투입될 예정이다.

지구, 바다, 그리고 이제는 우주에서도 오염 위기가 분명하게 드러나고 있으며, 우주 쓰레기 문제를 해결하기 위한 국제 협력이 필요한 시기다.