만든 인공위성 ‘끄덕끄덕 과학’의 나무로

 [목재위성 우주쓰레기에 도전할래?]]

위협적인 우주 쓰레기

일본의 한 연구진이 세계 최초의 목재 위성인 리그노샛(Ligno Sat)의 개발에 착수했다. 리그노(Ligno)는 나무, 새트(Sat)는 인공위성을 뜻한다. 일본 목재업체 스미토모 임업(임공)과 교토대가 2023년까지 목재 위성을 만들어 쏘아 올리는 것을 목표로 최근 우주에서의 나무 생육과 목재 이용에 관한 기초연구 계약을 체결하고 이를 목재 위성 프로젝트라고 명명했다.

목재위성 개발의 필요성이 제기된 것은 갈수록 심각해지는 우주쓰레기 문제 때문이다. 2020년 한 해에만 900기가 넘는 인공위성이 우주로 발사됐다. 민간 우주개발업체인 스페이스X 1사가 발사한 것만도 840여 개에 이른다. 일론 마스크의 스페이스 X가 추진하는 스타링크는 소형 위성 1만 2천기를 지구 저궤도에 쏘아 올려 전지구적 초고속 인터넷망을 구축하는 프로젝트이다.

이처럼 위성은 통신, TV, 내비게이션과 일기예보 등에 갈수록 많이 사용되고 있다. 우주 시장조사 및 컨설팅업체 유로컨설팅에 따르면 앞으로 10년간 매년 약 1000개의 위성이 발사될 것으로 전망된다. 이는 2028년까지 약 1만5000개의 위성이 지상 2002000km 고도의 지구저궤도(Low Earth OrbitLEO)에 혼잡해지는 것을 의미한다.

세계경제포럼(WEF)에 따르면 현재 지구 저궤도를 도는 위성 수는 6000개에 달하며 이 중 약 60%가 용도 폐기된 우주 쓰레기다. 직경 1cm 이상의 우주 쓰레기는 약 90만 개가 있을 것으로 추정되는데 무게로 따지면 약 8천 t에 이른다. 이들은 시속 3만 km가 넘는 엄청난 속도로 우주공간을 날아다니기 때문에 다른 위성이나 우주선 등과 충돌할 경우 치명적인 손상을 입힐 수 있다. 실제로 2006년에는 작은 우주쓰레기 조각이 국제우주정거장(ISS)과 충돌해 창문에 꽂힌 적이 있으며 2009년에는 러시아의 폐기위성이 이리듐통신위성과 충돌하기도 했다.

전문가들은 더 많은 우주선과 위성이 발사되면서 우주 쓰레기가 지구로 떨어질 위험 역시 높아지고 있다고 경고하고 있다. 수명이 다한 우주정거장이나 위성은 지구 대기에 진입할 때 대부분 불에 타 없어지지만 일부는 지상으로 추락할 가능성도 있다. 1979년 77t에 이르는 미국의 위성 잔해가 호주의 한 마을에 떨어진 사례도 있다. 다행히 인명 피해는 없었다. 다만 호주에서 측에 폐기물 무단투기로 400달러의 벌금을 부과했을 뿐이다. 또 18년 4월에는 통제 불능에 빠진 톈궁 1호가 남태평양 칠레 앞바다에 떨어졌다. 다행히 피해는 없었지만 1년 넘게 세계인을 불안하게 한 민폐사건이었다.

우주 쓰레기 문제를 해결하기 위해 전문가들은 여러 가지 선택을 검토하고 있다. 가장 유력한 해결책으로는 인터넷으로 우주 쓰레기를 포획하거나 로봇 팔로 수집한 뒤 대기권에 진입시켜 태우는 방법이다. 유럽우주기구(ESA)는 2025년 우주쓰레기 수거위성 클리어런스 1호를 발사해 2013년 발사한 베스파 위성의 잔해를 수거할 계획이다. 로봇팔로 이 위성을 탈취해 대기권에 진입시켜 태우는 방법이다. 하지만 이런 식으로는 수많은 우주쓰레기를 다 처리하기에는 역부족인데다 비용이 많이 들어 비효율적이다. 이런 점에서 처음부터 우주쓰레기를 남기지 않는 위성개발의 필요성이 제기된 것이다.

사진 1. 지구 저궤도를 도는 우주 쓰레기 상상도. (출처: ESA)

●목재위성, 가능할까?

현재 대부분의 인공위성에는 높은 온도와 방사선에 견딜 수 있도록 알루미늄 합금과 고강력 케블라 섬유 등이 소재로 사용되고 있다. 고도의 내구성과 높은 강도의 이들 소재는 인공위성이 수명을 다한 뒤에도 그대로 우주공간에 남아 우주쓰레기로 전락한다. 더욱이 인공위성에 사용된 알루미늄은 지구로 돌아올 때 작은 알루미늄 입자로 분해돼 수년간 대기 상층부를 떠돌며 환경 문제를 일으킬 수 있다. 알루미나는 우주에서 대기권으로 들어오는 햇빛을 반사해 약간의 냉각효과를 가져올 수 있지만 지구의 오존층을 파괴할 수 있다. 반면 목재위성은 지구대기권에 재진입할 때 대기와의 마찰에 의해 완전 연소가 되기 때문에 환경문제를 일으킬 소지는 거의 없다.

목재위성의 또 다른 장점은 전자파와 자기자기가 투과할 수 있다는 것이다. 이는 안테나와 자세제어장치를 위성 밖이 아닌 내부에 둬도 된다는 뜻이며 그에 따라 위성구조가 그만큼 단순해지는 효과를 거둘 수 있다.

목재위성 개발에 나선 스미토모 임업과 도이 다카오 교토대 우주종합학 연구부 교수는 우주와 같은 극한 환경에서 견딜 수 있는 목재를 찾는 것부터 시작하겠다고 밝혔다. 1997년 우주왕복선 컬럼비아호 탑승과 2008년 국제우주정거장 왕복 경험이 있는 우주인 출신의 도이 교수는 2016년 교토대 우주종합학연구부 교수로 부임한 이후 우주에서의 목재자원의 실용성을 새로운 연구 주제로 삼은 것이 목재위성 개발의 계기가 됐다. 쿄토 대학은 현재 대학원에서 「진공 상태에서의 목재의 역학 성질과 저중력, 저기압에서의 목재 생육에 관한 기초 연구」를 진행하고 있다.

사진2. 일본 연구진이 2023년 발사를 목표로 세계 최초의 목재 위성 개발에 나섰다.(출처: 스미토모 임업)

스미토모와 도이 파트너십은 우선 온도변화와 햇빛에 강한 목재자재를 개발하기 위해 지구상 극한환경에서 다양한 종류의 목재시험에 들어갈 예정이라고 밝혔지만 어떤 목재를 위성소재로 할지에 대해서는 기업 비밀이라고 영국 BBC와의 인터뷰에서 말했다. 또 도이 교수는 다음 단계는 인공위성 엔지니어링 모델을 개발해 2023년까지 비행 모델을 제조할 것이라고 덧붙였다. 스미토모 임업은 이번 연구로 얻은 목재 활용 기술을 창업 350주년을 맞는 2041년을 목표로 추진 중인 초고층 목조빌딩 등에 활용할 계획이다.

어떤 면에서 나무는 가혹한 우주공간 환경에 전혀 어울리지 않게 보일지 모르지만, 나무의 구조적 구성 면에서 보면 이 아이디어는 매우 그럴듯해 보일지 모른다. 나무는 섬유소(cellulose)와 목질소(lignin)의 견고한 합성물로서 목재의 강도와 내구성은 이들 중합체의 비율과 혼합물에 존재하는 물질에 크게 좌우된다. 또한 목재를 물리적 화학적으로 처리하여 그 속성을 변경하거나 강화할 수 있다.

이 같은 처리 결과 한 목재는 알루미늄만큼 강도가 세 몇 가지 흥미로운 추가 속성까지 구현했다. 임업회사는 목재 가공방법에 광범위한 지식을 갖고 있는 만큼 목재 위성 제작에 적합한 수준까지 개발할 수 있을 것으로 보인다. 요컨대 어떤 물리적 화학적 과정을 더해 우주환경에서도 견딜 수 있는 목재를 만들 수 있느냐가 이번 연구의 핵심이다.

하지만 목재 위성을 개발한다고 해서 이것이 우주쓰레기 문제를 해소할 수 있을지는 의문이라는 시각이 있다. 실제로 우주 쓰레기는 위성 본체가 아니라 로켓이나 위성 내부의 각종 기기가 대부분이라는 점에서 그렇다. 목재 위성이 대기권에 진입할 때 목재 부분이 다 타버리는 이점은 분명히 있지만 우주 공간에 남아 있는 동안은 목재도 우주 쓰레기에 불과하다.

이런 이유로 목재 위성 개발의 초점은 우주쓰레기 문제보다는 위성 제작비용 절감과 대기권 진입 시 환경 면에서 유리한 소재 발굴에 더 의미가 있다는 분석도 나온다. 어쨌든 천연소재의 활용 범위를 우주로 넓히고 대기 상층부의 오염원을 줄인다는 점에서 목재위성 개발이 의미 있는 도전임은 분명하다. 또한 목재 위성을 이용할 수 있도록 목재를 처리하는 방법을 찾는 아이디어는 흥미로운 재료과학의 문제이며, 매우 실용적인 응용 프로그램이다. 이것이 목재 위성 프로젝트가 계속 진행되어 일정한 성과를 얻을 수 있을 것을 기대하는 이유이다.

저: 이광식 과학칼럼니스트 일러스트: 유진성 작가

『KISTI의 과학의 향기』 제3619호 2021년 02월 15일