2024년 4월 중국 선저우 15호 우주선의 궤도선 모듈이 불타며 추락하고 있는 모습. Jennifer M./American Meteor Society


2020년대 들어 저궤도(고도 160~2000km) 위성 수가 급증함에 따라 우주 쓰레기 발생 위험도 높아지고 있다. 우주 쓰레기의 대부분은 수명이 다한 인공위성, 버려진 로켓 추진체, 우주 충돌 잔해들이다. 미국 우주군이 레이더로 추적하고 있는 10cm보다 큰 저궤도 우주 물체는 2015년 2만개에서 현재 4만3천개 이상으로 급증했다.
미국 하버드스미소니언천체물리학센터 조너선 야마토무료게임 맥도웰 박사 집계에 따르면 일론 머스크의 우주인터넷 군집위성 스타링크만 보더라도 수명 연한이 다한 위성이 매일 1~2기씩 지구 대기권으로 추락하고 있다.
대부분의 우주 쓰레기는 대기권에 진입한 후 타 없어지지만, 덩치 큰 위성이나 로켓 등의 경우엔 다 타지 않고 일부 조각이 남아 지상에 충돌할 수 있다. 2024년엔 스타링크 위성 파편 손오공게임 하나가 캐나다의 한 농장에 추락하기도 했다 .
우주쓰레기의 궤적을 실시간으로 파악할 수 있다면 충돌로 인한 위험을 피할 수 있다. 하지만 물체가 초음속으로 떨어지는 데다 상층 대기의 흐름이나 밀도가 수시로 변화하기 때문에 낙하 시간과 지점을 예측하기는 매우 어렵다. 그런데 지진계를 이용하면 지상으로 추락하는 우주쓰레기를 좀 더 정확하게 추 릴게임바다이야기 적할 수 있다는 연구 결과가 나왔다.
우주 쓰레기가 음속을 넘는 속도로 지구 대기를 통과할 때 발생하는 소닉붐(초음속 폭발음)을 이용하는 원리다. 초음속 물체는 음파보다 빠르게 움직인다. 따라서 음파로 실시간 궤적을 얻는 것은 불가능하다. 대신 우주 쓰레기가 지구 표면에 도달한 직후, 지진음향 데이터를 기반으로 궤적을 추정할 수 있다. 관 야마토게임장 건은 우주 쓰레기가 지상에 추락한 시점과 물체의 궤적을 계산한 시점 사이의 시간을 줄이는 것이다.
미국 존스홉킨스대 벤저민 페르난도 박사후연구원(행성지진학) 연구팀은 기존 지진계 네트워크를 이용해 낙하하는 우주쓰레기를 거의 실시간으로 추적할 수 있는 방법을 개발해 국제학술지 사이언스에 발표했다.


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지상으로 떨어지는 우주 쓰레기가 일으키는 소닉붐을 묘사한 그림. Sophia Economon and Benjamin Fernando


5년 안에 실시간 탐지 기대

연구진은 “이는 현재의 레이더 관측 기반 예측보다 더 정확하게 낙하물 경보를 제공할 수 있다”며 이를 활용하면 유독성 물질이 있을 수도 우주쓰레기 잔해를 신속히 찾아 수거할 수 있을 것으로 기대했다.

페르난도는 “지난해에는 매일 여러개의 위성이 대기권으로 진입했는데, 그 위성들이 어디로 진입했는지, 조각으로 부서졌는지, 대기 중에서 타버렸는지, 아니면 지표면에 추락했는지에 대한 검증 자료가 없다”며 “이 문제는 앞으로 더욱 악화될 것”이라고 말했다.
그가 이번 연구를 하게 된 건 2024년 4월2일 밤 미국 서던캘리포니아 상공에서 불꽃놀이 같은 광경을 목격한 것이 계기가 됐다. 우주 물체가 초음속으로 대기권을 뚫고 추락하면서 낸 불꽃이었다.
불꽃을 낸 물체는 2023년 중국 톈궁 우주정거장의 우주비행사 3명을 지구로 데려온 선저우 15호 우주선에서 분리된 폭 1m, 무게 1.5톤의 궤도 모듈이었다. 다행히 충돌로 인한 피해 소식은 없었지만, 비행기나 지상의 건물, 사람과 충돌했다면 인명 피해가 불가피했을 일이었다.
그는 초음속 폭발음이 지표면에 도달하면 지진계가 진동을 감지할 수 있고, 여러 지진 관측소에서 폭발음의 지면 도달 시간을 비교하면 낙하하는 파편의 경로, 속도, 분해 과정을 추론할 수 있을 것이라고 생각했다.
그는 이 방법을 이용해 모듈의 궤적을 재구성해보기로 하고, 당시 캘리포니아 전역에 있는 127개 지진계의 데이터를 수집했다. 그 결과 지진계들이 이 우주물체의 소닉붐을 포착했다는 걸 발견했다. 이어 데이터 분석을 통해 우주선 모듈이 언제 어떻게 부서졌는지, 파편은 어느 방향으로 날아갔는지 확인할 수 있었다.
우주선 모듈은 음속 25~30배의 속도로 대기권을 가로지르는 동안 여러 차례의 폭발음을 내면서 산타바바라와 라스베이거스 상공 북동쪽으로 추락했다. 세계에서 가장 빠른 제트기의 약 10배에 이르는 속도였다.
연구진이 계산한 궤적은 미국 우주사령부가 레이더를 이용해 예측한 궤적보다 약 40km 더 북쪽이었다. 파편이 발견됐다는 소식은 아직 없다. 연구진은 “만약 누군가 그 조각을 찾는다면 라스베이거스 인근 캘리포니아-네바다 접경 지역이 유력한 후보지일 수 있다”고 밝혔다.
연구에 참여하지 않은 버팔로대 존 크라시디스 교수(항공우주공학)는 사이언스에, 이미 보유하고 있는 계측기를 다른 용도로 활용할 수 있는 방법을 개발한 것에 대해 감명을 받았다고 말했다. 로스앨러모스국립연구소의 크리스 카 박사는 논평 논문에서 “물체가 최종적으로 추락하는 시점과 그 궤적을 파악하는 시점 사이의 시간을 단축하기 위해서는 추가 연구가 필요하다”고 말했다.
연구진은 다음번에 상당한 크기의 운석이 떨어질 때 이번에 개발한 방법을 사용해 추적 능력을 검증해 볼 계획이다. 물론 이 방법이 충돌 위험 지역을 사전에 알려줄 수 있는 건 아니다. 단지 파편을 신속하게 수거해, 충돌 후 발생할 수 있는 환경 오염 등 2차 위험을 방지할 수 있을 뿐이다. 연구진은 또 바람과 같은 대기 상태가 추적 정확도에 영향을 끼칠 수 있고, 지진계가 많지 않은 지역에서는 이 방법의 실효성이 크게 떨어질 수도 있다고 덧붙였다.
연구진은 하지만 앞으로 5년 안에 대기권에 재진입하는 우주 쓰레기를 거의 실시간으로 지진파를 이용해 자동으로 탐지하는 시스템을 구축할 수 있는 방법이 있다고 말했다.
*논문 정보
Tracking space debris from sonic booms.
DOI: 10.1126/science.aee0657
곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr