임시방편이 아니라 레이저로 해결:"우주 폐기물에 대한 해결책을 찾았습니다"

Riede 씨, 궤도에서 이 문제는 얼마나 큰가요?

Riede: 현재 약 1.5개의 에펠탑 크기입니다. 13,000톤에 달하는, 이동할 수 없는 폐기물이 계속해서 지구를 돌고 있습니다. 궤도가 점점 더 빠르게 위성 인프라로 채워지고 있기 때문에, 우리는 2030년까지 – 즉 단 5년 만에! – 폐기물과 위성의 총 질량이 두 배 또는 세 배로 늘어날 것으로 예상하고 있습니다.

우주 폐기물이란 도대체 무엇인가요?

Riede: 그 크기는 모래알부터 아주 큰 것까지 다양합니다. 우주 폐기물은 먼저 약 50개의 큰 물체로 구성되어 있으며, 여기에는 68년간의 우주 탐사 역사에서 떨어진 로켓 단계들과 같은 것이 있습니다. 그리고  예를 들어, 2012년에 원인 불명으로 그냥 작동을 멈춘 유럽의 우주 기구 ESA의 거대한 지구 관측 위성인 Envisat도 포함됩니다. 그 외에도 수많은 작은 고장 난 위성들이 있습니다. 여기에는 10센티미터 이상 크기의 약 40,000개의 작은 조각들이 추가되며, 우리는 이를 지구에서 추적할 수 있습니다. 또한 수백만 개의 작은 조각들이 존재하는데, 우리는 대부분 그것들이 어디에 있는지 알지 못합니다.

로켓 단계와 고장난 위성은 이해가 됩니다. 그런데 그 많은 작은 폐기물 조각은 어디에서 온 건가요?

Riede: 그 원인들은 통제되지 않은 충돌과 통제된 충돌 모두에 해당합니다. 많은 부분이 이른바 반위성 시험(Antisatellitentests)에서 발생한 것입니다. 미국과 소련은 냉전 시기 서로에게 로켓으로 위성을 격추할 수 있다는 것을 증명하려 했습니다. 이런 일은 오늘날에도 계속 일어나고 있습니다. 2007년 중국은 자국의 위성을 격추했으며, 2021년에는 러시아가 같은 행동을 했습니다. 두 폭발은 궤도에 거대한 파편 구름을 남겼습니다.

하지만, 위에는 공간이 많잖아요 …

Riede: 공간은 많지만, 그 조각들은 움직이고 있고, 시속 최대 28,000킬로미터의 속도로 지구 주위를 돌고 있습니다. 간단히 설명하자면, 이는 초속 거의 8킬로미터에 해당하는 속도입니다! 각 조각은 자기만의 궤도를 돌고 있습니다. 토성의 고리처럼 나란히 질서 있게 도는 게 아니라, 뒤엉키듯 제각각 움직입니다. 게다가 조각들은 회전하고 있어서 궤도가 항상 조금씩 달라집니다. 따라서 국제우주정거장 ISS 또는 많은 작동 중인 위성들이 우주 폐기물 조각과 충돌할 위험에 처하게 됩니다. 만약 이들이 충돌하면 엄청난 에너지가 방출되는데, 이는 지구에서는 거의 재현할 수 없을 정도의 에너지입니다. 레이저 엔지니어들은 이 수치에 익숙할 것입니다. 직경이 1밀리미터인 작은 입자가 궤도에서 충돌할 때, 제곱밀리미터당 70줄의 에너지를 발생시킵니다. 꽤 많은 양입니다! 간단히 말해서, 충돌한 위성은 뚤리거나 아예 부서져 버립니다. 수백만 유로의 가치가 손실되고, 우리가 지구에서 사용하는 인프라도 피해를 입게 됩니다. 바로 이 점이 문제입니다.

어휴, 그럼 우리가 뭘 할 수 있을까요?

Riede: 두 가지 방법이 있습니다: 충돌이 예측되면, 위성이 회피해야 합니다. 국제우주정거장(ISS)이 사실상 항상 그렇게 하고 있습니다. 하지만 국제우주정거장은 연료를 보급받지만, 위성들은 그렇지 않습니다. 위성의 경우 회피 기동 횟수는 제한되어 있으며, 회피할 때마다 위성의 전체 수명이 줄어들어 결국 큰 비용이 듭니다. 두 번째로 계속해서 청소 우주 미션이 진행되고 있습니다. 이 미션에서는 중간 크기의 우주 폐기물 조각들을 로봇 팔로 집어서, 대기권으로 내려보내어 거기서 타버리게 합니다. 이건 비용이 많이 들고, 대부분의 우주 폐기물에는 적용할 수 없습니다. 보시다시피, 두 가지 방법 모두 임시방편일 뿐입니다. 우리가 필요한 것은 진정한 해결책입니다!

진정한 해결책을 찾았습니까?

Riede: 찾았다고 생각합니다. 레이저 모멘텀 전이(Laser Momentum Transfer), 우리가 애정을 담아 이를 '레이저로 밀어내는 기술'이라고 부르고 있습니다. 우리 독일 항공우주센터(DLR) 팀은 이 기술이 어떻게 작동하는지에 대한 콘셉트를 개발했습니다. 원리는 정말 이해하기 쉽습니다. 레이저 광의 광자는 압력을 가하는데, 이를 '빛의 압력'이라고 합니다. 그 압력은 작습니다. 하지만 궤도에서 빠르게 이동하는 폐기물 조각에는 결정적인 차이를 만들 수 있습니다. 우리가 고출력 레이저로 앞에서 타격하면, 이를 감속시킬 수 있습니다. 뒤에서 타격하면, 이를 밀어낼 수 있습니다. 그 이유는 이렇습니다: 감속시키면, 낮아지고, 가속시키면, 높아집니다. 이렇게 해서 우리는 지구에서 간단히 폐기물 조각을 충돌 경로에서 밀어낼 수 있습니다. 

여기에 뭔가 문제가 있을 것 같은데요!

Riede: 우리는 레이저 스테이션이 하나가 아니라 열 개가 필요합니다. 전 세계에 분포되어야 합니다.

그 이유는 무엇인가요?

Riede: 빛의 압력이 정말 낮기 때문입니다. 우리는 폐기물 조각의 속도를 한 시간에 10마이크로미터만큼만 변경할 수 있습니다. 즉, 효과를 얻으려면 오랜 시간 동안 유지해야 합니다. 목표물이 수평선에 나타난다고 가정해 봅시다. 그런 다음, 시속 8킬로미터의 상공 통과 속도에서 우리는 약 10분간 목표물을 볼 수 있습니다. 그 후 목표물은 다른 쪽에서 다시 사라지게 됩니다. 그러나 수평선에 목표물이 나타날 때 바로 조사하는 것은 불가능합니다. 그때는 각도가 매우 낮아서 빔이 매우 많은 공역을 통과하게 되기 때문입니다. 하지만 우리는 민간 항공에 제한된 공역만을 사용할 수 있으며, 그럴 경우 지상국 주위의 특정 반경 내에만 해당합니다. 그래서 우리는 더 가까워질 때까지 기다려야 합니다. 우리는 목표물을 앞쪽이나 뒤쪽에서 타격해야 합니다. 왜냐하면 우리는 이를 감속시키거나 밀어내야 하기 때문입니다. 이로 인해 시간 간격이 다시 반으로 줄어들어 실제로 접촉 시간은 두세 분에 불과하게 됩니다. 이는 목표물에 대한 충분한 조치를 취하기에 너무 짧습니다. 이 방법은 열 개의 지상국이 차례대로 연결되어 열 번의 비행 동안 목표물을 지속적으로 레이저 조사할 때만 작동합니다. 일종의 레이저 스태플처럼 말입니다.

알겠습니다. 그런데 궤도의 이 작은 물체를 어떻게 타격하실 생각이신가요?

Riede: 그것은 문제되지 않습니다. 우리는 우주 분야에서 이미 이런 거리에서 매우 정확한 레이저 프로세스로 오랫동안 사용해 왔습니다. 예를 들어, 이러한 폐기물 조각들을 먼저 탐지하기 위해서도 사용합니다. 아직 해결해야 할 까다로운 부분이 있습니다. 

어디에서 문제가 생기고 있나요?

Riede: 충돌을 얼마나 미리 정확하게 예측할 수 있는지가 문제입니다. 이 문제는 쉽지 않습니다. 날씨처럼, 미래를 더 멀리 예측하려 할수록 더 어려워집니다. 하지만 우리 지상국들은 몇 일 정도의 선행 시간이 필요합니다. 우리는 이 문제를 해결하려고 노력하고 있습니다.

레이저로 밀어내는 기술은 이미 성공한 적이 있나요?

Riede: 우리는 아직 실제로 시도한 적은 없습니다. 그러나 이는 우주 프로젝트에서 일반적인 일입니다. 지상국 외에도 두 개의 위성이 필요합니다. 즉 두개의 위성이 협력해서 작업해야 합니다. 조사 중에 효과를 측정하고 우리에게 보고해야 합니다. 그런데 이런 위성은 현재 존재하지 않습니다.

그럼 이건 전부 이론에 불과한 거군요…

Riede: 전혀 그렇지 않습니다! 솔직히 말하면, 현재 우리 DLR 프로젝트가 이렇게 빠르게 진전되고 있는 걸 보고 저도 놀랐습니다. ESA가 이 문제를 맡아주었고, 우리는 지상국 설계를 담당하게 되었습니다. 빔 소스로 TRUMPF Scientific Lasers를 파트너로 선정했습니다. 파이낸싱, 건설, 지상국 선정이 모두 최적으로 진행된다면, 우리는 5년 내에 원리적 기능 입증을 할 수 있습니다. 물론, 모든 일이 그렇게 최적으로만 진행되지 않을 것입니다. 하지만 우리는 여전히 실현까지 비교적 짧고 가시적인 기간에 대해 이야기하고 있습니다.

그런데 갑자기 이렇게까지 강한 관심이 쏟아지는 이유를 어떻게 설명하십니까?

Riede: 말씀드렸듯이, 인류는 궤도상의 인프라를대규모로 확충할 것입니다. 예를 들어 이동식 인터넷의 공급원으로서, 스타링크 위성 네트워크를 보면 알 수 있습니다. 우주 폐기물 문제가 이러한 확장을 가로막고 있으며, 확장 과정에서 새로운 쓰레기가 계속 발생하기 때문에 상황은 앞으로 더 심각해질 가능성이 큽니다. 따라서 조만간 해결책이 필요합니다.

그렇다면 레이저로 밀어내는 기술 비용은 누가 부담해야 합니까?

Riede: 현재 추진력은 ESA 회원국들이 내는 기여금으로 제공되고 있습니다. 하지만 궁극적으로는 Laser Momentum Transfer를 서비스로 시장에 제공하려는 계획입니다. 자신의 궤도 인프라를 보호하려는 민간 기업, 기관, 국가를 대상으로 하는 것입니다. 모든 이해관계자가 걸려 있는 가치를 인식한다면, 테크놀로지를 구현하기 위한 파이낸싱은 가장 작은 문제가 될 것입니다. 무엇보다도 독일에서 처음으로 '우주항공'을 이름에 포함한 부처가 생겼기 때문에, 국내 정치적인 지원도 기대할 수 있습니다.