누리호 발사 성공과 우주 개발, 그 이면의 환경문제

누리호 발사 성공과 우주 개발, 그 이면의 환경문제

대학생신재생에너지기자단 19기 정승준, 19기 정지영

 

심각해지는 환경오염으로 인해 미래 지구의 지속가능성이 불분명해진 요즘, ‘제2의 지구’를 찾기 위한 우주 개발에 박차가 가해지고 있다. 대한민국은 타 과학 분야에서 첨단 기술을 보유한 반면, 항공 우주 분야에서는 부진한 성적을 보여 왔다. 하지만 이젠 타 국가에서 빌려온 기술이 아닌 자국의 기술로 우주 사회로의 도약을 시작할 수 있게 되었다. 바로 ‘누리호’가 성공적인 실험 결과를 내었기 때문이다. 

누리호는 1.5t급 실용위성을 지구의 저궤도에 진입시킬 수 있는 대한민국의 독자적인 항공체이다. 과학기술정보통신부와 한국항공우주연구원은 '누리호' 1단의 최종 성능 확인을 위한 종합 연소시험을 25일 성공적으로 수행, 누리호 1·2·3단 추진기관 개발을 완료했다고 밝혔다. 결과적으로 10월에 실제로 발사될 비행모델의 조립과 9월 발사 최종 리허설만 완료되면 최종 발사가 확정된다. 누리호는 대한민국의 자체 위성 개발을 가능케 할 뿐만 아니라 독자적으로 우주발사체 기술을 확보한 7번째 국가로 이름을 올릴 수 있게 할 기대주이기 때문에 큰 주목을 받고있는 것이다. 

[자료 1. 누리호의 1단 발사 시험 모습]

출처: 조선비즈

 누리호는 추력 75t급 액체엔진 4기를 클러스터링(묶음)한 1단부와 75t급 액체엔진 1기로 이뤄진 2단부, 추력 7t급 액체엔진인 3단부로 구성된다. 자동차의 배기가스로 인한 대기 오염도 큰 환경문제로 주목받는 요즘, 로켓의 환경오염 문제를 간과할 수는 없다. 로켓은 짧은 시간 내에 다량의 연료를 연소시켜 빠른 속도로 진행시켜야 할 뿐만 아니라 많은 시험 발사가 필요하기 때문에 연료 연소 과정에서의 대기 오염 문제를 주목해야 할 필요가 있다. 로켓의 발사 이후에는 위성을 감싸고 있던 페어링이 떨어져 나가고, 발사체 2단이 분리되며 위성을 제외한 로켓의 본체도 분리되어 떨어진다. 이 과정에서 로켓 몸체가 지구 대기권으로 정상적으로 들어오지 못하면, 우주 쓰레기로 남는 문제 또한 존재한다. 우리나라는 우주발사체에 대한 환경 영향 평가 의무가 존재하지 않기 때문에 항공 우주 기술의 발전에 따른 이러한 환경오염에 대한 고찰도 논의되어야 한다.

로켓의 연료, 케로신 

 로켓이 추진력을 얻기 위해서 연소관 내부에서 연료가 연소되는데 이때 고온고압의 가스가 대량 발생한다. 이 고압의 가스가 압력이 낮은 쪽으로 이동하면서 로켓이 반작용으로 앞으로 나가게 되는 것이다. 로켓은 고체 연료를 사용하는가, 액체 연료를 사용하는가에 따라 고체 로켓과 액체 로켓으로 나뉜다. 고체 로켓은 고체의 연료에 불을 붙여서 연소시키는 방식으로, 장기적인 보관이 쉽다는 장점이 있으나 한번 불을 붙이면 연소중단과 속도제어와 불가능하다는 단점이 존재한다. 고도에 따라 속도를 조절해 목표 지점에 도달해야 하는 로켓의 기능 자체가 어려워지기 때문에, 누리호를 포함한 다양한 로켓들은 액체연료를 사용한 액체 로켓 또한 개발 중이다.

[자료 2. 로켓 엔진의 구조]

출처: 한국항공우주연구원

 한국형 발사체(누리호)는 케로신을 연료로 활용한다. 일상생활에서 등유라는 이름으로 사용되는 케로신은 휘발성이 낮고 끓는점은 높아 상온 저장과 사용이 쉬워 주로 사용된다. 케로신과 동시에 산소가 없는 우주 공간에서 연소를 위한 산소를 제공하는 산화제가 함께 사용된다. 액체 석유의 일종인 케로신은 생물체에 독성을 가지고 있으며 연소 과정에서 소량의 대기 오염 물질이 발생된다. 로켓의 경우 순간적으로 엄청난 가스를 만들어내야 하기 때문에 엄청난 양의 연료를 연소하는데, 실제로 75톤급 누리호의 엔진은 초당 액체 산소 170kg과 케로신 70kg을 연소기로 공급한다. 또한 분출 속도를 조절함으로써 로켓의 추진력을 제어하기 때문에 점화와 소화 과정이 다수 반복된다. 이 과정에서 이산화탄소의 발생량이 기하급수적으로 증가하게 된다. 이것이 케로신이 다른 연료들에 비해 환경에 영향을 적게 미친다고 해서 위험성을 간과할 수는 없는 이유이다.

 최근 러시아에서는 액화 천연가스, 즉 LNG를 케로신의 대체 연료로 사용하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. LNG를 사용하면 이산화탄소 배출량을 약 절반가량으로 줄일 수 있기 때문에 환경오염의 문제점을 줄일 수 있다. 또한 메탄은 화성에서 생산이 가능하기 때문에, 지구에서의 연료 고갈로 인한 문제점 또한 해결할 수 있다는 장점도 가지고 있다.

  미국의 스페이스 엑스는 로켓의 환경오염뿐만 아니라 경제성을 보장하기 위해 로켓 엔진에서 이미 사용된 1단 엔진을 재점화하여 분리된 본체의 낙하를 돕는 방법을 연구하고 있다. 사용되는 연료의 양을 획기적으로 줄여 로켓의 무게까지 줄일 수 있는 방법이다. 연료의 양을 적게 사용함으로써 환경오염과 경제성을 모두 잡은 연구로 주목받는다. 현재 누리호에 사용되는 케로신은 재활용이 불가능하다는 단점이 있어 해외의 연구 사례를 토대로 이러한 연료 개발에도 관심을 기울일 필요가 있다.

또 다른 문제, 우주쓰레기

 로켓은 우리가 사용하는 교통수단들과는 다르게, 압력을 높이기 위한 목적으로 연료를 사용하기 때문에 대체 가능성이 더 무궁무진하다고 이야기할 수 있다. 오염물질을 발생시키지 않는 추진 연료를 개발하는 것은 미래 사회에 매우 좋은 시사점이 될 것이다. 그러나 ‘제2의 지구’를 찾기 위한 우주 개발에 박차가 가해지고 있는 것에 역설적이게도, 로켓과 인공위성 등으로 인해 현재 우주는 골머리를 앓고 있다.

 이는 우주폐기물(space debris) 때문이다. 우주폐기물(혹은 우주쓰레기)은 수명이 다한 인공위성이나 위성을 발사할 때 사용하는 로켓 상단을 비롯하여 이것들이 부딪혀서 발생하는 파편 등을 일컫는다. 우주에서 이동하는, 활용되지 않는 모든 인공 물체를 일컫는 우주폐기물은 위성 발사가 가속화되고 우주에 대한 연구가 활발해지면서 그 수가 기하급수적으로 증가하고 있다.

[자료 3. 지구 정지 궤도와 저궤도의 우주 쓰레기들]

출처: 위키백과

 미국 항공 우주국 소속 과학자 도널드 J. 케슬러는 우주폐기물과 관련하여 최악의 시나리오를 제기하였다. 케슬러 증후군(Kessler syndrome), 또는 케슬러 효과(Kessler effect)라고 불리는 이 시나리오는 지구 저궤도의 물체 밀도가 어느 수준을 넘으면 물체들 사이에 충돌이 일어나게 되고, 이로 인해 발생하게 된 우주쓰레기 때문에 밀도가 더 높아져 충돌의 가능성이 계속 높아지게 된다는 내용이다. 궤도 상의 우주쓰레기들로 인해 우주 탐사가 불가능해지고, 물체 간의 충돌은 도미노 효과를 촉발해 오랜 세월 동안 인공위성을 사용할 수 없게 될 것이라는 것이 그의 의견이다.

 우주폐기물이 문제가 되는 근본적인 이유는 그것들이 초속 6㎞ 이상의 엄청난 속도로 움직이기 때문이다. 인공위성과 우주왕복선은 아무리 작은 우주쓰레기와 충돌하더라도 상당한 피해를 보게 된다. 1cm 파편의 총알의 22배 위력이고, 10cm 파편에 맞으면 위성도 폭발할 위험성을 가지고 있다. 다행히 현재까지는 우주인이 직접 우주폐기물 파편에 맞은 사례는 없으나, 우주선 및 위성과 충돌한 사례는 무수히 많다. 대표적으로 1996년 7월에 프랑스의 인공위성 세리스(Cerise)가 아리안(Ariane)로켓의 파편 조각과 충돌해 심각하게 손상을 입은 사건이 발생한 적이 있다. 또한 2016년 유럽항공우주(ESA)의 ‘센티널-1A’ 위성은 단 1㎜의 우주쓰레기와 충돌해 40㎝가량이 파손됐다. 당시 우주쓰레기의 속도는 초속 11㎞ 정도였다. 우주쓰레기가 늘어나는 것은 인공위성 양쪽 면의 온도 차 때문이다. 오랜 기간 한쪽에만 열을 받으면 위성은 깨질 수밖에 없고, 위성의 변형으로 전력이 남은 추진체가 폭발하면 수많은 파편이 생긴다. 현재 지구 궤도를 돌고 있는 대부분의 우주쓰레기가 이 같은 과정을 거쳐 생겨났다.

 위성과 앞으로의 우주 탐사에도 방해가 되는 우주쓰레기 문제를 해결하고 처리하기 위해서 많은 노력들이 진행되고 있다. 미국항공우주국(NASA)은 “매년 우주쓰레기 5개씩은 제거해야 지구 저궤도가 위험에 빠지지 않는다”는 보고서를 발표하기도 하였다. 현재 과학자들 사이에서 우주쓰레기를 없애는 방법에는 약 9가지가 있는데, 대표적인 3가지 방법을 살펴보자.

A. Clean Space One 프로젝트

[자료 4. 위성에 부착된 로봇 팔로 우주쓰레기를 붙잡아 지구로 떨어지는 가상 이미지]

출처: 스위스 우주센터

 위성을 이용한 방식인데, 위성에 달린 로봇 팔로 쓰레기를 붙잡아 함께 지구로 떨어진다. 기술이 간단해 연구가 가장 앞서 있다. 스위스 로잔연방공대(EPFL)와 스위스 스페이스 시스템(S3)이 개발한 위성 쓰레기 제거 방식으로, 우주에 쏘아 올린 10 cm× 10cm 사이즈의 작은 큐브 셋 박스가 우주에 있는 쓰레기를 먹어 버리는 개념이다. 대기권 진입과정에서 위성이 우주쓰레기와 함께 불타 사라지기 때문에 비싼 위성을 1회용으로 사용해야 한다는 단점이 있다. 보완책으로 일회용 소형 우주선을 여러 개 장착한 대형 우주선을 발사해 효율을 높이는 방법이 있다.

B. 우주 그물 (Net capture)

[자료 5. 유럽우주기구의 대형 위성 엔비셋을 포획할 우주 그물]

출처: ESA

 쓰레기에 극세사로 된 그물을 펼쳐 잡는 것이다. 이런 ‘우주그물’ 방식은 2013년 고장 난 대형 위성 엔비셋(ENVISAT)을 잡기 위해 2014년 유럽우주기구(ESA)가 제안한 방법이다. 그물을 펼치면 무게 8t, 지름 10m에 이르는 시내버스 만한 엔비셋도 무사히 붙잡을 수 있다.

C. 레이저 빗자루

[자료 6. 레이저 빗자루의 상상도]

출처: 위키백과

 레이저 빗자루(Laser broom)는 미국 공군이 1990년대부터 추진하고 있는 방법이다. 지상에서 레이저 빔을 발사하여 쓰레기의 일부를 훼손시키면서 궤도가 바뀌게 하는 방법으로, 지구 대기권으로 떨어지게 하는 것이다. 단점은 비용이 많이 들고, 궤도 변경으로 인해 다른 쓰레기와의 충돌로 새로운 파편을 만들 가능성이 있다는 것이다.

우주와 지구의 미래

 환경오염을 방지하기 위한 항공 우주 기술이 개발될수록 오히려 환경오염이 심화된다는 역설은 과언이 아니다. 연료 사용으로 인한 지구의 대기 오염 문제와 우주공간에 버려지는 폐기물 문제는 제2의 지구를 찾기 위한 도약에 있어서 필수적으로 해결되어야 할 문제들이다. 연료 대체 문제들과 연료 재활용 기술에 대한 연구를 통해 항공 우주 기술로 인한 지구의 대기 오염 문제를 개선해야 한다. 동시에 우주 폐기물 처리를 위한 우주 그물, 레이저 빗자루 기술의 효율과 정확성을 높여 우주 항공 기술의 장애물을 제거하는 것이 필요할 것이다.

 다가올 2021년 한국의 힘으로 쏘아 올려질 누리호에 전 세계의 이목이 집중되고 있다. 수많은 국가들이 더 강력한 항공 우주 기술을 개발하기 위해 힘을 쏟고 있는 가운데, 환경적인 부분에 있어서도 심혈을 기울인다면 “제2의 지구”를 찾기 위한, 어찌 보면 환경을 위해서 이루어지고 있는 항공 우주 기술의 발전이 더욱 유의미해질 것이라고 기대하는 바이다.

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참고문헌

[로켓의 연료, 케로신]

1) 이주영, “누리호 1단 최종 연소시험 성공… 한국형 우주발사체 기술 확보 성큼”, 연합뉴스, 2021.03,
https://www.yna.co.kr/view/AKR20210325128000017?input=1195m

2) 이정원,  “로켓 엔진도 다이어트가 필요하다?”, 한국항공우주연구원, 2020.02.14,
https://blog.naver.com/karipr/221808940922, (2021.04.03)

3) 정유희, “고체연료? 액체연료? 로켓 엔진 연료의 세계”, <KISTI의 과학향기> 제3573호, 2020.09.07,
https://scent.kisti.re.kr/site/main/archive/article/%EA%B3%A0%EC%B2%B4%EC%97%B0%EB%A3%8C-%EC%95%A1%EC%B2%B4%EC%97%B0%EB%A3%8C-%EB%A1%9C%EC%BC%93%EC%97%94%EC%A7%84-%EC%97%B0%EB%A3%8C%EC%9D%98-%EC%84%B8%EA%B3%84;jsessionid=5CF5120386DDAB1FF955657957A41857.scent_right

 

[또 다른 문제, 우주쓰레기]

1) 변지민, “우주쓰레기 없애는 9가지 방법”, 사이언스올, 2015.12.10,
https://www.scienceall.com/%EC%9A%B0%EC%A3%BC%EC%93%B0%EB%A0%88%EA%B8%B0-%EC%97%86%EC%95%A0%EB%8A%94-9%EA%B0%80%EC%A7%80-%EB%B0%A9%EB%B2%95/

2)“우주 쓰레기”, 네이버 지식백과, 2019.02.28,
https://terms.naver.com/entry.naver?docId=70789&cid=43667&categoryId=43667

3) 윤희은, “세계는 '우주쓰레기와 전쟁 중'… 그물·작살·끈끈이 풍선 총동원”, 한국경제, 2019.03.30,
https://www.hankyung.com/it/article/2019032916041

4) 최준민, “우주폐기물(쓰레기) 제거 방식에 대한 고찰”, 항공우주산업기술동향, 14(2), 43-54p, 2016

5) 최준민, “우주물체 제거방식에 대한 분류”, 한국항공우주학회 학술발표회 초록집, 268-269, 2017

6)“케슬러 증후군”, 위키백과, 2019.12.10,
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%BC%80%EC%8A%AC%EB%9F%AC_%EC%A6%9D%ED%9B%84%EA%B5%B0