위성 대량 시대, 대기권으로 떨어지는 인공물의 그림자

저궤도 위성이 폭발적으로 늘어나면서, 수명을 다한 위성이 대기권으로 재진입해 불타 사라지는 과정이 새로운 환경 변수로 떠오르고 있다. 독일 슈투트가르트대학교 우주시스템연구소 연구진은 고온 플라스마 풍동(wind tunnel) 안에서 위성 부품과 소재를 실제로 녹여, 위성이 지구 대기권으로 추락할 때 벌어지는 일을 실험실에서 재현하고 있다. 이런 재진입 모사 실험이 가능한 시설은 전 세계에 손에 꼽을 정도로 드물며, 연구진은 그 결과를 통해 앞으로 급증할 위성 재진입이 상층 대기에 어떤 영향을 남길지 경고하고 있다.

유럽우주국(ESA)이 지난해 펴낸 우주환경보고서에 따르면 현재도 대형 위성이나 사용이 끝난 로켓 상단부가 매일 세 개 이상 대기권에서 소각된다. 해마다 수백 톤에 이르는 인공물이 재진입하며 증발하고, 그 과정에서 미세한 재 구름과 일부 지표까지 떨어지는 파편을 남긴다. 지금까지의 재 발생량과 지상 낙하 규모 자체는 비교적 적은 수준이지만, 문제는 추세다. ESA 집계로 6월 기준 약 1만8000기의 위성이 지구를 돌고 있고, 스페이스X와 블루오리진은 향후 10년간 궤도상 데이터센터를 포함해 수십만 기를 쏘아올리겠다는 구상을 내놓았다. 중국도 올해 최대 140회 발사를 목표로 자체 초대형 군집위성 계획을 국제전기통신연합(ITU)에 제출한 상태다.

우주 암석과는 다른 화학적 문제

대기권에 들어오는 물질의 총량만 보면 인공물보다 자연 유래 우주 암석이 여전히 많다. 하루 약 44톤의 우주 암석이 대기권에 진입해 대부분 타 없어진다. 그러나 둘의 화학 조성은 근본적으로 다르다. 우주 암석은 주로 규소에 니켈·철 같은 금속이 소량 섞인 반면, 우주 쓰레기는 알루미늄과 티타늄이 주성분이다. 박사과정 연구원 파비안 후프가르트는 "위성이 소멸한다고 해서 사라지는 것이 아니다"라며 "작은 알루미늄 입자 형태로 대기 중에 남는데, 이 입자가 실제로 무슨 작용을 하는지 우리는 아직 모른다"고 말한다.

연구진이 특히 주목하는 것은 소각된 알루미늄이 산화알루미늄, 즉 알루미나를 형성한다는 점이다. 알루미나는 오존층을 파괴하고 햇빛을 반사해 상층 대기의 열 균형을 흔들 수 있는 것으로 알려져 있다. 문제는 이 물질이 방출되는 고도다. 위성 대부분은 고도 60~80킬로미터 구간에서 파괴되는데, 이는 기구나 항공기가 닿기에는 너무 높고 위성이 표본을 채취하기에는 너무 낮은 사각지대다. 대학원생 도미니크 퀸슬러는 "우리는 보통 그 고도의 대기에 무언가를 주입하지 않는다"며 "항공 여행에서 나오는 배출물은 대기 순환이 잘 되는 훨씬 낮은 고도에서 발생하지만, 상층 대기는 훨씬 고립돼 있어 물질을 배출하기가 어렵다"고 설명한다.

"완전 연소"라는 가정에 대한 의문

또 다른 위험은 파편이 낙하 과정을 견디고 지상까지 도달하는 경우다. 슈투트가르트 연구원 클레멘스 뮐러는 현재 특정인이 우주 쓰레기에 맞을 확률은 매우 낮지만 재진입 횟수가 늘수록 전체 위험은 커질 수밖에 없다고 지적한다. 그는 "유럽에서는 위성을 발사하려면 파편 하나가 재진입에서 살아남을 확률이 1만분의 1을 넘지 않음을 입증해야 한다"며 "그러나 위성이 1만 기라면 그중 하나가 살아남을 확률은 매우 높아진다. 규정이 더 엄격해져야 한다"고 말한다. 스페이스X는 스타링크 위성이 재진입 시 완전히 연소한다고 주장하지만, 탱크나 반작용 휠처럼 티타늄 등 내열 금속으로 만든 부품은 알루미늄과 달리 완전히 녹지 않을 가능성이 있어 일부 연구자는 이 주장에 의문을 제기한다.

이런 지식의 공백은 2024년 3월 국제우주정거장에서 투기된 배터리 팰릿 조각이 플로리다의 한 주택 지붕을 뚫고 떨어진 사건으로 드러났다. NASA는 인코넬이라는 니켈 기반 특수 합금으로 만든 이 팰릿이 완전히 연소할 것이라고 밝혔지만 실제로는 그렇지 않았다. 뮐러는 사건 이후 비슷한 인코넬 원통을 풍동 시험에 넣어보았다고 전한다. "매우, 매우 높은 열유속을 가했는데도 거의 녹지 않았다. 결국 어떤 궤적으로 떨어지든 이 부품이 소멸할 가능성은 없었다"는 것이다.

실험실이 재현할 수 있는 것과 없는 것

현존하는 어떤 플라스마 풍동도 위성 전체를 녹일 만큼 크지 않기 때문에, 연구진은 개별 부품이나 표준 위성 소재 조각을 태운다. 재진입하는 위성은 약 초속 8킬로미터로 두꺼워지는 상층 대기를 뚫고 들어가며, 마찰열은 1600도를 넘길 수 있다. 그러나 이런 플라스마 속도를 파편이 녹을 만큼 오래 유지하는 것은 현재로선 불가능하다. 그래서 연구진은 최대 초속 3킬로미터의 느린 속도를 쓰고, 텅스텐 음극과 구리 양극 사이에서 발생시킨 전기 아크로 열을 추가한다. 뮐러에 따르면 최대 6메가와트, 2000암페어의 전류를 흘려 플라스마 온도를 5000~8000도까지 올리며, 풍동 벽이 곧바로 녹지 않도록 물을 계속 순환시킨다. IEEE 스펙트럼이 참관한 실험에서는 아연·크로뮴·마그네슘이 미량 섞여 위성 동체에 흔히 쓰이는 알루미늄 합금 7075 100그램짜리 원통을 태웠고, 온도가 600도까지 오른 뒤 약 6.5분 만에 큰 방울로 녹아내렸다.

다만 재를 남기는 마지막 단계까지 재현하기는 아직 어렵다. 실험에서는 녹아 떨어진 알루미늄 방울이 수냉식 바닥에 닿아 식지만, 실제 재진입에서는 용융 알루미늄이 계속 날아가며 주변 기체와 반응해 열을 내다가 결국 기체와 금속 분진만 남는다. 퀸슬러는 항공 관측에서 원자 알루미늄과 일산화알루미늄의 방출 스펙트럼이 확인됐다며, 알루미늄 분말을 플라스마 흐름에 띄워 같은 신호를 재현하고 알루미늄이 증발한 뒤 산소와 어떻게 반응하는지 관찰하는 실험 방식을 개발 중이라고 밝혔다. 아직은 어떤 입자가 생기는지조차 불확실하다. 일부 모델은 오존을 파괴하는 산화알루미늄이 대량 생성된다고 보지만, 다른 모델은 상대적으로 덜 해로울 수 있는 수산화알루미늄이 만들어진다고 예측한다. 위성 다발 발사를 계획하거나 재진입 설계·규제를 다루는 실무자에게 이 연구가 주는 함의는 분명하다. "완전 연소"를 전제로 한 위험 평가와 개별 위성 단위의 확률 규정만으로는 수만 기 시대의 누적 위험을 담아내기 어렵다는 것, 그리고 상층 대기 오염이라는 변수는 아직 답이 아니라 이제 막 첫걸음을 뗀 질문이라는 점이다.