궤도탄소관측위성 OCO-2(2014년, NASA) 지구 주변에는 약 8,300대의 인공위성이 궤도를 돌고 있다(유엔우주사무국, UNOOSA, 2022년 기준). 인류가 지금까지 우주에 쏘아 올린 인공위성 총수는 13,000여대에 달한다. 전 세계에서 발사한 누적 위성 수가 1만 대를 돌파한 것은 2020년 11월이었다(UNOOSA). 이후 2년이 채 안 되는 기간에 숫자는 30% 늘었고 증가 속도는 해마다 빨라지고 있다. 13,000대 중 하나였지만 현재 지구를 돌고 있지 않은 위성은 그 수명을 다하고 떨어져 타버린 것이다. 위성 중에서는 통신위성의 비율이 높다. 지구를 도는 위성 8300여 대 중 통신위성은 3100여 대, 관측위성은 1000여 대, 항법위성은 150여 대, 과학위성은 130여 대 정도다. 전체의 절반 정도의 위성은 지구를 선회하고 있지만 그 기능을 잃고 더 이상 활동하지 않고 있다.
인공위성은 지표상 250㎞ 상공에서 수십만㎞에 이르기까지 폭넓은 영역에 분포한다. 지구에서 달 사이의 거리가 약 38만4000km(3.8×10^5km)이므로 인공위성 중 높은 것은 거의 달 정도의 위치에서 천천히 지구를 돌고 있는 것으로 보인다.위성의 고도는 저궤도, 중궤도, 고궤도로 분류한다. 2502000km 범위의 저궤도에는 가장 많은 위성이 분포한다. 대표적인 민간 통신위성 스페이스X의 스타링크는 550㎞ 고도에서 무려 2500여 대가 운용 중이다. 우리나라가 2022년 6월 21일 누리호에 실어 궤도에 올린 1.3t 규모의 위성 모사체와 170㎏가량의 성능검증위성 고도도 700㎞다. 위성은 아니지만 국제우주정거장(ISS)도 400km 저궤도 대역에서 활동한다.중궤도는 2000~36,000㎞ 영역에서 GPS와 같은 항법위성 무대다. 중궤도 꼭대기는 정지궤도다. 고도 36,000㎞에서는 원심력과 중력이 균형을 이루기 위한 위성의 관성 속도가 지구의 자전 속도와 일치한다. 그래서 지구상의 일정 지역 위에 항상 떠 있으면서 서비스를 해야 하는 통신위성, 기상위성 등이 이 고도로 빽하게 분포한다. 36,000km 이상은 고궤도로 분류된다. 많지는 않지만 깊은 우주에서 과학 연구를 하는 위성이 이 범위까지 올라간다.
버진 갤럭시의 스페이스쉽 투(2010년 촬영) 우주는 관측 가능 영역만 10인 24승km에 이를 정도로 방대한 공간이다. 그러나 우리가 우주로 분류하는 공간은 지구 표면과 매우 가깝다. NASA는 일반적으로 비행이 어려운 80㎞를 우주의 기준으로 파악한다. 국제항공연맹(FAI)은 대기 농도가 감소해 항공기 공기 부양이 불가능한 100㎞를 우주의 경계로 한다. 서울에서 천안까지 가는 거리(80km) 정도만 하늘 위로 올라가면 우리가 생각하는 우주로 들어갈 수 있다.2021년 7월 첫 민간 우주 관광 비행을 시도한 영국 버진 갤럭시 클라크의 리처드 브랜슨은 88.5km 상공까지 올라갔다. 같은 달 아마존의 제프 베이조스도 블루오리진을 타고 100㎞ 상공까지 오르기도 했다. 현재 기술로 일반인이 큰 무리 없이 오를 수 있는 우주의 영역은 이 높이까지다. 이곳을 넘어 지구 중력에 끌려 떨어지지 않고 관성공전을 할 수 있는 궤도까지 올라가려면 매우 빠른 속도로 지구를 탈출해야 한다. 이 경우 로켓 탑승자는 지구 중력의 7배(7G)의 힘을 받는다. 고도로 훈련된 비행사가 아니면 견디기 힘든 강도다.
지구 대기 일반인이 겨우 오를 수 있는 80km는 지구 대기권에서는 열권(Thermosphere)이 시작되는 지점이다. 지표에서 약 12km까지는 대류권(Troposphere)이라고 한다. 보통 민간 항공기는 33,000피트인 10km 상공을 비행한다. 그 위의 12km~50km는 성층권(Stratosphere)으로 불린다. 성층권에는 오존층이 분포하기 때문에 위로 올라갈수록 온도가 올라간다. 5080km 구간은 중간권(Mesopause)이다. 중간권은 대기의 화학적 조성이 완전히 바뀌어 대전 입자가 풍부해지는 권역이다. 온도가 영하 80도 이하로 떨어지는 대기 중 가장 차가운 부분이기도 하다. 지구에 떨어지는 유성은 대부분 이 권역에서 타버린다. 우주의 경계인 80km를 넘어 700km까지는 열권(Thermosphere)이다. 이곳에는 저궤도 위성과 우주정거장이 분포한다. 태양에서 오는 전자와 양성자가 질소나 산소 분자와 충돌해 방전을 일으키는 오로라가 이 권역에서 일어난다. 700km가 넘고 10,000km까지는 외기권(Exophere)이라고 부른다. 수소와 헬륨의 대기가 극히 희박하게 존재하는 구간이다. 이 권역을 넘으면 비로소 막연한 허공이 펼쳐진다.
큐브샛의 전개(2017년, 일본) 열권, 외기권 또는 그 이상으로 분포하는 인공위성의 크기는 목적에 따라 매우 다양하다. 한 변 길이가 10cm, 무게 1kg에 불과한 큐브샛(CubeSat)도 있고 버스만한 크기의 과학위성도 있다. 일반적으로 무게 600kg 이하는 소형 위성(Smallsat)으로 분류한다. 최근에는 1년에 2,000대에 가까운 위성이 발사되는데, 그 중 절반 이상이 이런 소형 위성이다. 2020년 기준 소형위성의 평균 중량은 220kg으로 2014년 50kg 정도였던 것에 비하면 매년 증가하고 있다(미국 스페이스 파운데이션, 스페이스 리포트). GPS 위성은 900kg 정도로 36,000km의 정지궤도까지 올라가는 실용위성의 무게는 1톤이 넘는다. 이에 비해 마치 장난감처럼 보이는 큐브샛은 간단한 과학실험 용도로 개발된 것이 많아 통계에도 포함되지 않는다. 하지만 최근 들어 발사대수가 늘고 있고 통신, 기상 등으로 임무도 확대되고 있는 추세다. 한국이 2022년 누리호에 실어 발사한 4개의 큐브샛도 이런 작은 위성이다.
2020년 전 세계 우주산업 규모는 4,470억달러(540조원)로 추정된다(스페이스 리포트). 2021년 전 세계 반도체 산업의 규모가 5,559억달러(670조원)임을 감안하면 우주 산업의 막대한 규모를 짐작할 수 있다. 최근 우주산업은 민간시장이 주도하고 있다. 민간 주도의 상업용 우주산업은 전체의 80%를 차지한다. 스페이스X의 스타링크와 같은 통신위성, 위성TV, 항법시스템에서 관광에 이르기까지 우주 서비스는 점차 다양해지고 있다. 한편 2020년 각국 정부가 편성한 우주 관련 예산은 900억달러(110조원) 정도다. 미국이 520억달러를 지출해 전체의 60%가량을 차지했고 중국 유럽 일본 러시아 등이 뒤를 이었다.
우리도 1992년 8월 과학실험위성 우리별 1호를 처음 발사해 현재까지 21개의 위성을 발사했다. 현재는 정지궤도 7대, 비정지궤도 5대 등 총 12대의 인공위성을 운영하고 있다. 2035년까지 8대의 항법위성을 탑재해 한국형 위성항법시스템(KPS, Korean Positioning System)을 구축할 계획이다.
우주공간에는 위성과 우주정거장 외에도 다양한 잔해가 떠 있다. 지구 궤도를 배회하는 10cm 이상 인공우주물체는 2만2000여개에 달한다(미연합우주작전본부 CSpOC2021년 기준). 저궤도에서 이들 물체가 지구 중력에 의해 추락하지 않으려면 1km/s 탄환 속도보다 훨씬 빠른 78km/s 속도로 지구를 돌고 있어야 한다. 빠르게 움직이는 우주폐기물은 매우 위협적인 존재다. 이들이 위성이나 우주인과 충돌하면 자칫 큰 사고가 발생할 수 있다. 곧 지구상의 공간이 각종 인공물로 너무 혼잡해져 국제적으로 이를 치우고 정리하는 것이 큰 이슈가 될 것이다.
지구상의 수만 km까지의 상공은 거대한 우주의 크기에 비하면 사실 좁고 좁은 영역이다. 그러나 이 공간을 잘 이용하는 것은 더 큰 우주로 나아가기 위한 첫걸음이 된다. 우리도 어렵지만 막대한 자본을 투입해 한국형 발사체를 만들고 위성시스템 구축에 노력하고 있다. 우리가 우리 머리 위의 인공위성과 주고받는 전자파를 지금보다 더 잘 이용해 뜻밖의 더 큰 가치를 만들어낼 수 있기를 기대해 본다.미국에서 펼쳐진 또 하나의 탐험 이야기입니다.네이버 도서 상세 정보를 제공합니다.search.shopping.naver.com