[목재위성 우주쓰레기 도전할까?]]
위협적인 우주 쓰레기
일본의 한 연구진이 세계 최초 목재 위성 ‘리그노샛(LignoSat)’ 개발에 착수했다. 리그노(Ligno)는 나무, 새(Sat)는 인공위성을 뜻한다. 일본 목재업체 스미토모림업과 교토대가 2023년까지 목재위성을 만들어 발사하는 것을 목표로 최근 ‘우주에서의 나무의 생육과 목재이용에 관한 기초연구’ 계약을 체결하고 이를 ‘목재위성 프로젝트(Ligno Stella Project)’로 명명했다.
목재위성 개발 필요성이 제기된 것은 갈수록 심각해지는 우주쓰레기 문제 때문이다. 2020년 한해에만 900기가 넘는 인공위성이 우주로 발사됐다. 민간 우주개발사 스페이스X 1사가 쏘아 올린 것만도 840여 개에 달한다. 일론 머스크 스페이스X가 추진하는 스타링크는 소형 위성 1만2000기를 지구 저궤도로 발사해 전 지구적 초고속 인터넷망을 구축하는 프로젝트다.
이처럼 위성은 통신, TV, 내비게이션 및 일기예보 등에 점점 더 많이 사용되고 있다. 우주분야 시장조사 및 컨설팅업체 유로컨설팅(Euroconsult)에 따르면 향후 10년간 매년 약 1000개의 위성이 발사될 전망이다. 이는 2028년까지 약 1만5000개의 위성이 지상 200~2000㎞ 고도인 지구 저궤도(Low Earth Orbit, LEO)에 혼잡함을 의미한다.
세계경제포럼(WEF)에 따르면 현재 지구 저궤도를 도는 위성 수는 거의 6천개에 달하며 그중 약 60%가 용도 폐기된 우주쓰레기다. 지름 1cm 이상의 우주 쓰레기는 약 90만 개로 추정되는데 무게로 계산하면 약 8천 톤에 달한다. 이들은 시속 3만 km가 넘는 엄청난 속도로 우주공간을 날아다니기 때문에 다른 위성이나 우주선 등에 충돌하면 치명적인 손상을 줄 수 있다. 실제로 2006년에는 작은 우주쓰레기 파편이 국제우주정거장(ISS)과 충돌해 창문에 꽂힌 적이 있고 2009년에는 러시아 폐기위성이 이리듐 통신위성과 충돌했다.
전문가들은 더 많은 우주선과 위성이 발사됨에 따라 우주 쓰레기가 지구로 떨어질 위험도 증가하고 있다고 경고한다. 수명이 다한 우주정거장이나 위성은 지구 대기로 진입해 거의 불에 타 없어지지만 일부는 지상으로 추락할 가능성도 있다. 1979년 77t에 달하는 미국의 위성 잔해가 호주의 한 마을에 떨어진 사례도 있다. 다행히 인명피해는 없었다. 다만 호주에서 미국 측에 폐기물 무단투기로 400달러의 벌금을 부과했을 뿐이다. 또 2018년 4월에는 통제 불능에 빠진 중국 우주정거장 톈궁 1호가 남태평양 칠레 앞바다에 떨어졌다. 다행히 피해는 없었지만 1년 넘게 세계인을 불안하게 만든 스팸 사건이었다.
우주쓰레기 문제를 해결하기 위해 전문가들은 다양한 옵션을 검토하고 있다. 가장 유력한 해결책으로는 그물을 발사해 우주쓰레기를 포획하거나 로봇팔로 수거한 뒤 대기권에 진입시켜 불태우는 방법이다. 유럽우주국(ESA)은 2025년 우주쓰레기 수거 위성 ‘클리어런스 1호’를 발사하고 2013년 발사한 베스파 위성 잔해를 수거할 계획이다. 로봇팔로 이 위성을 잡아 대기권에 진입시켜 불태우는 방법이다. 하지만 이런 식으로는 그 많은 우주쓰레기를 모두 처리하기엔 역부족일 뿐 아니라 고비용이 들어 비효율적이다. 이런 점에서 처음부터 우주쓰레기를 남기지 않는 위성 개발 필요성이 제기된 것이다.
사진1. 지구 저궤도를 도는 우주쓰레기 상상도(출처:ESA)
목재 위성이 가능한가?
현재 대부분의 인공위성에는 높은 온도와 방사선에 견딜 수 있도록 알루미늄 합금, 고강력 케블라 섬유 등이 소재로 사용되고 있다. 고도의 내구성과 높은 강도의 이런 소재는 인공위성이 수명을 다한 뒤에도 그대로 우주 공간에 남아 우주 쓰레기로 전락한다. 게다가 인공위성에 사용된 알루미늄은 지구로 돌아갈 때 작은 알루미늄 입자로 분해돼 수년간 대기 상층부를 전전하며 환경 문제를 일으킬 수 있다. 알루미나는 우주에서 대기권으로 들어오는 햇빛을 반사해 약간의 냉각 효과를 가져올 수 있지만 지구의 오존층을 파괴할 수 있다. 반면 목재위성은 지구 대기권에 재진입할 때 대기와 마찰에 의해 완전 연소가 되기 때문에 환경 문제를 일으킬 소지가 거의 없다.
목재위성의 또 다른 장점은 전자파와 지자기가 투과할 수 있다는 점이다. 이는 안테나와 자세제어장치를 위성 밖이 아닌 내부에 두어도 된다는 의미이며, 그에 따라 위성구조가 그만큼 단순해지는 효과를 볼 수 있다.
목재위성 개발에 뛰어든 스미토모림업과 교토대 우주종합학연구부 도이 다카오 교수는 우주와 같은 극한 환경에서 견딜 수 있는 목재를 찾는 것으로 시작한다고 밝혔다. 1997년 우주왕복선 컬럼비아호 탑승과 2008년 국제우주정거장 왕복 경험이 있는 우주인 출신 도이 교수는 2016년 교토대 우주종합학연구부 교수로 부임한 이후 ‘우주에서의 목재자원 실용성’을 새로운 연구 주제로 삼은 것이 목재위성 개발의 계기가 됐다. 교토대는 현재 대학원에서 진공 상태에서 목재의 역학 성질과 저중력, 저기압에서의 목재 생육에 관한 기초 연구를 진행하고 있다.
사진2. 일본 연구진이 2023년 발사를 목표로 세계 최초 목재위성 개발에 나섰다.(출처: 스미토모 임업)
스미토모와 도이 파트너십은 우선 온도 변화와 햇빛에 강한 목재 재료를 개발하기 위해 지구상 극한 환경에서 다양한 종류의 목재 시험에 들어갈 예정이라고 밝혔으나 어떤 목재를 위성 소재로 할지에 대해서는 기업 비밀이라고 영국 BBC와의 인터뷰에서 말했다. 도이 교수는 또 “다음 단계는 인공위성 엔지니어링 모델을 개발해 2023년까지 비행 모델을 제조할 것”이라고 덧붙였다. 스미우림업은 이번 연구에서 얻은 목재활용 기술을 창업 350주년을 맞는 2041년을 목표로 진행하고 있는 초고층 목조건물 등에 활용할 계획이다.
어떤 면에서 나무는 가혹한 우주 공간 환경에 전혀 어울리지 않게 보일지 모르지만 나무의 구조적 구성 면에서 생각하면 이 아이디어는 상당히 그럴듯해 보일지도 모른다. 나무는 섬유소(cellulose)와 목질소(lignin)의 견고한 합성물로 목재의 강도와 내구성은 이들 중합체의 비율과 혼합물에 존재하는 물질에 크게 좌우된다. 또한 목재를 물리적, 화학적으로 처리하여 그 속성을 변경하거나 강화하는 것도 가능하다.
이러한 처리 결과 어떤 목재는 알루미늄만큼 강도가 높고 몇 가지 흥미로운 추가 속성까지 구현되었다. 임업사는 목재가공방법에 대한 광범위한 지식을 갖고 있는 만큼 목재위성 제작에 적합한 수준까지 개발할 수 있을 것으로 보인다. 요컨대 어떤 물리적, 화학적 과정을 더해 우주 환경에서도 견딜 수 있는 목재를 만들 수 있느냐가 이번 연구의 핵심이다.
하지만 목재위성을 개발한다고 해서 이것이 우주쓰레기 문제를 해소할지는 의문이라는 시각이 존재한다. 사실 우주 쓰레기는 위성 본체가 아닌 로켓이나 위성 내부의 각종 기기가 대부분이라는 점에서 그렇다. 목재 위성이 대기권에 진입할 때 목재 부분이 다 타버린다는 장점은 분명 있지만 우주 공간에 남아 있는 동안은 목재도 우주 쓰레기에 불과하다.
이런 이유로 목재위성 개발의 초점은 우주쓰레기 문제보다는 위성 제작 비용 절감과 대기권 진입 시 환경 면에서 유리한 소재 발굴에 더 의미가 있다는 분석도 나온다. 어쨌든 천연소재 활용 범위를 우주로 넓히고 대기 상층부의 오염원을 줄인다는 점에서 목재위성 개발이 의미 있는 도전인 것만은 분명해 보인다. 더욱이 목재 위성이 가능하도록 목재를 처리하는 방법을 알아보는 아이디어는 흥미로운 재료 과학 문제이며 매우 실용적인 응용 프로그램이라 할 수 있다. 이것이 목재위성 프로젝트가 계속 진행돼 일정한 성과를 거두기를 기대하는 이유다.
글 : 이광식 과학칼럼니스트 / 일러스트 : 유진성 작가
<KISTI 과학의 향기 > 제3619호 2021년 02월 15일