우주 쓰레기를 포집하다

안내: 본 아티클은 2020년 발표된 임무 계획을 바탕으로 작성되었으며, 일부 내용은 2026년 현재의 프로젝트 진행 상황과 다를 수있습니다.

스위스 로잔연방공과대학교(EPFL)에서 분사한 스타트업이 유럽우주국(ESA)의 1억 유로 규모 프로젝트를 맡게 되었습니다. ClearSpace SA는 현재 지구 궤도에서 최초의 우주 쓰레기 제거 임무를 개발하는 컨소시엄을 이끌고 있습니다.

우리의 일상은 우주 기술에 점점 더 많이 의존하고 있습니다. 우리는 기상 관측, 통신, 내비게이션, 재난 지역 관측 등에 인공위성을 활용합니다. 유럽우주국(ESA)에 따르면 오늘날 모바일 애플리케이션의 약 40%가 위성 및 우주 기술에 의존하고 있습니다. 그러나 이러한 인프라가 위험에 처해 있습니다.

지구 상공 200~2,000km에 해당하는 저궤도에 있는 모든 물체의 95%는 고장 났으며 더 이상 제어할 수 없는 상태입니다. 이들은 우주 쓰레기로, 발사 후 분리된 로켓 단, 인공위성의 태양광 패널을 비롯한 각종 태양광 패널, 도구, 페인트 조각, 고체 연료 입자 등이 포함됩니다. 이러한 우주 쓰레기는 현재 운용 중인 인공위성과 미래의 우주 임무 및 승무원들에게 위험을 초래합니다. 국제우주정거장(ISS)조차 우주 쓰레기를 피하기 위해 여러 차례 회피 기동을 해야 했습니다.

소형 위성 군집

새로운 인공위성이 계속해서 궤도에 진입하면서 상황은 더욱 시급해지고 있습니다. 2009년부터 2012년까지는 매년 약 50대의 우주선이 궤도로 발사되었지만, 올해는 800대가 발사될 예정이며 그 수는 계속 증가하는 추세입니다. 앞으로 우주에 새롭게 진입하는 위성의 대부분은 네트워크 군집을 구성하는 나노위성이 될 것입니다. 예를 들어 OneWeb은 2019년 약 650대의 소형 위성으로 구성된 위성 군집 구축을 시작했습니다. 지구상에서 가장 외딴 지역에서도 인터넷에 접속할 수 있도록 하는 것이 목표입니다. 이러한 프로젝트와 새롭게 떠오르는 우주 관광 분야로 인해 우주 쓰레기 제거가 더욱 필요해지고 있습니다.

현재 등록된 지름 10cm 이상의 인공 물체가 34,000개를 넘어서면서 우리는 중대한 기로에 서 있습니다. 인류가 아무런 조치를 취하지 않는다면 2065년까지 약 14만 개의 우주 쓰레기가 궤도에 쌓일 것으로 추정됩니다. 두 물체가 충돌하면 수많은 파편으로 이루어진 우주 쓰레기 구름이 발생하기 때문입니다. 이로 인해 위험한 연쇄 반응이 일어날 수 있습니다.

ESA의 첫 번째 우주 쓰레기 제거 임무

이제 스위스의 ‘우주 쓰레기 처리 위성’이 최초로 우주 쓰레기를 제거하는 획기적인 임무를 수행할 예정입니다. 2025년으로 계획된 ClearSpace One 임무는 동명의 스타트업이 주도하며, 2013년 발사된 로켓에서 분리된 VESPA 상단부(VEga Secondary Payload Adapter)를 포집해 지구 대기권으로 유도할 예정입니다.

이 우주 청소 위성의 시제품은 네 개의 로봇 팔로 구성된 ‘체이서(chaser)’를 이용해 고도 720km에 있는 사용이 끝난 상단부를 붙잡아 이동시킵니다. ClearSpace One의 촉수 형태 로봇 팔은 12개의 맥슨 구동 시스템으로 작동합니다. 이후 포집된 로켓 상단부는 궤도에서 이탈할 수 있도록 감속이 가능한 위치에 배치됩니다. 이 과정에는 여러 방향에 장착된 제트 엔진이 사용됩니다. 제어된 대기권 재진입 과정에서 VESPA와 ClearSpace One은 모두 대기권에서 연소됩니다. 역사상 가장 거대한 ‘소각장’인 셈입니다.

향후 우주 쓰레기 처리 위성은 이러한 과정을 가능한 한 여러 차례 반복하는 것이 목표입니다. 또한 저궤도에 있는 더 무거운 물체도 제거해 후속 우주 활동을 위한 공간을 확보할 계획입니다.

ClearSpace의 첫 번째 우주 쓰레기 제거 임무는 위 그림과 같은 과정으로 진행될 예정입니다. ClearSpace는 DCX 22 L DC 모터와 GP 32 HP 유성 감속기로 구성된 맥슨 구동 시스템을 활용해 개발을 진행하고 있습니다.

스위스 EPFL 우주센터의 연구진은 2010년부터 우주 쓰레기 포집 시스템을 연구해 왔습니다. 오랜 기간 축적한 엔지니어링 지식은 ClearSpace One 개발에 활용되었습니다. 2017년에는 해당 프로젝트가 분사되어 ClearSpace SA가 설립되었으며, EPFL에 위치한 맥슨 연구소(maxon lab)에서 활동을 시작했습니다. ClearSpace SA의 공동 창립자이자 CEO인 Luc Piguet는 “맥슨 연구소는 기술 이전의 중심지로, 스타트업에 이상적인 환경입니다.”라고 설명했습니다. 성장 중인 ClearSpace 팀에는 우주 임무 경험을 보유한 주요 우주기관 및 기업의 전문 컨설턴트들이 합류했습니다. 자문위원회에는 전 ESA 사무총장 Jean-Jacques Dordain과 스위스 우주비행사 Claude Nicollier 등 저명한 인사들도 참여하고 있습니다.

스타트업이 1억 유로 규모의 프로젝트를 맡게 된 것은 주목할 만한 일입니다. 2019년 ClearSpace는 Airbus, 프랑스의 Thales Alenia Space, 이탈리아의 Avio와의 경쟁에서 단독으로 승리했습니다. Luc Piguet는 “우리가 제출한 제안서에 큰 자신감이 있었지만, 단독으로 프로젝트 컨소시엄을 이끌도록 허용될 줄은 예상하지 못했습니다.”라고 말했습니다. 그러나 그는 현실적인 태도를 유지했습니다. “우리는 처음부터 경제성을 고려했습니다.” 궤도 이탈 작업 한 건당 발생하는 비용을 가능한 한 낮춰야 한다는 것입니다. 이러한 점이 ESA의 마음을 사로잡았습니다. Piguet는 겸손한 미소를 지으며 “우리는 막중한 책임을 맡고 있습니다.”라고 덧붙였습니다.

ADRIOS 프로그램

ClearSpace One 임무는 ESA의 우주 안전 프로그램인 ADRIOS(Active Debris Removal / In-Orbit Servicing)의 일환입니다. 이 프로그램은 잠재적으로 위험한 우주 쓰레기의 제거를 시작하는 것을 목표로 합니다. 이를 통해 책임 있는 우주 개발에 기여할 후속 임무의 길을 열 수 있기를 기대하고 있습니다. 스위스를 포함한 ESA 회원국 8개국이 프로젝트에 8,600만 유로를 지원하며, 나머지 1,420만 유로는 후원사들이 부담합니다.

지구 궤도를 돌고 있는 우주 쓰레기의 분포를 보여주는 3D 애니메이션은 stuffin.space에서 확인할 수 있습니다.