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군집 위성과 뉴스페이스 시대

스타링크는 지상 약 550km 궤도에서 7000대 이상 군집 위성이 운용되는 우주 기반 통신 서비스이다. 군집 위성 개념은 이전에도 많이 연구되어 왔으나, 매우 최근까지도 다수의 군집 위성을 운용하기 위한 높은 발사 비용으로 인하여 아이디어 차원에서만 다뤄졌던 소설과 같은 이야기였다.

SpaceX의 고효율 저비용 재사용 발사체 개발로 인하여 인공위성 발사 비용이 kg당 수천만 원 수준에서 수백만 원 수준이 돼 수십 분의 1로 줄면서 그야말로 뉴스페이스 시대를 열었으며, 이로 인한 경제적, 정치적 파장은 매우 크다. 우주 산업은 이전까지 높은 발사 비용으로 기업 입장에서 이익 창출이 매우 어려운 분야였고, 반면에 실패할 경우 기회비용이 매우 컸다. 이로 인하여 군사적인 목적이나 GPS나 위성사진 등의 한정적인 분야에서 주로 활용되어 왔다. 하지만, 최초로 군집 위성 전개에 성공한 Starlink는 500만명 이상의 가입자를 보유하고 120여 개국에서 우주 인터넷을 서비스하고 있으며, 한 해 10억 달러 이상의 영업이익을 얻고 있는 것으로 알려져 있다. OneWeb, Kuiper 등 위성 통신위성의 후발 주자도 등장하였으나, Starlink 위성은 현재 지구 저궤도의 약 70%를 차지하고 있으며, 해당 고도는 이미 점령당했다 해도 과언은 아니다. 또한, 우주에서 발생할 수 있는 위성 간의 전파 간섭이나 충돌에 대한 우려와 가능성도 증가하고 있으며, 이는 궤도의 전체적인 운영 효율성을 떨어트릴 수 있다.

지구 초저궤도의 이점

2024년 11월 미국 연방통신위원회는 고도 약 350km 지구 초저궤도에서 2세대 Starlink 위성으로 직접 스마트폰 연결 서비스를 제공하는 것을 조건부 승인하였다. 향후에 발사되는 많은 위성은 지구와 매우 가까운 초저궤도(100~450km)에 배치될 가능성이 매우 크다. 초저궤도 위성은 몇 가지 장점을 가지는데, 운용 고도가 낮아 발사 비용이 저렴하고, 지구와 가깝기 때문에 저지연 통신이 가능하며, 광학 장비 등으로 고해상도 관측이 가능하다. 또한, 희박한 대기가 존재하여 우주 쓰레기 발생 시 쉽게 궤도에서 벗어나 지상으로 떨어지기 때문에 비교적 안전한 궤도로 평가되며 위성 사용 후 회수와 같은 폐기 전략을 고민할 필요가 없다. 가장 가까운 우주이기 때문에 무중력 기반 우주 융복합 연구와 같은 다양한 분야에 활용될 궤도라 할 수 있다. 우주항공청에서도 이러한 초저궤도 위성 개발의 시급성과 중요성을 인식하고 있으며, 인공위성 추진 전략 로드맵에 초저궤도 기술 개발과 시험 위성 발사를 중요한 마일스톤으로 지정하였다.

초저궤도 위성 운용을 위한 3가지 기술: 고효율 추진, 희박 기체 공력 설계, 원자 산소 저항성 재료

초저궤도는 다른 우주 궤도와는 다르게 아주 미량(대기의 -9 ~ -12승 수준)의 기체가 존재하는데, 이때 가장 많은 종은 원자 형태의 산소(O)이다. 지상에서 O2로 존재하는 산소 분자가 태양 복사에 분해되어 중성 상태 원자로 존재하며, 위성 표면에 부딪혀 재료의 손상을 유발한다. 이때 충돌하는 속도는 고도를 유지하기 위한 8km/s 정도에 달하는데, 매우 빠른 속도이기 때문에 지상에서의 일반적인 상황에서는 상상하기 어려운 극한의 환경이다. 이때의 원자 산소 희박 기체로 인하여 위성의 공전 속도가 감소하고 고도는 매우 빠르게 떨어지게 된다. 이를 보상하기 위해서는 mN 수준의 추력 장비가 운용 기간 내내 필요하게 되며, 연료를 계속 소모해야 하므로 매우 높은 효율을 가지는 홀 추력기나 대기 흡입형 추력기 개발이 필요하다. 또한, 희박 기체의 공력에 대한 항력 발생을 최소화하기 위한 설계가 필요하다. 따라서, 현재 개발 중인 초저궤도 위성들의 외형은 대부분 비행기와 같은 공력에 유리한 형태를 취하고 있다. 이 외에도 원자 산소 충돌에 저항하여 손상되지 않고 그 기능을 유지하는 재료를 개발하는 것은 위성의 운용 시간과 기능 유지를 위해 매우 중요하다. 서울대 극한환경 및 충돌 연구실에서는 초저궤도 원자 산소 초고속 충돌 저항성 코팅 재료를 개발 중이며, 초고속 충돌 시 발생하는 에너지를 환수하는 하베스팅 방법에 대한 특허를 진행 중이다.

맺음말

맑은 날 하늘에서는 많은 수의 Starlink 위성이 지나가는 것을 육안으로 볼 수 있다. 뉴스페이스 시대는 시작하였지만, 아직까지 새로운 영역인 초저궤도에 다수의 위성을 운용하기 위한 핵심 기술들이 개발되는 과정 중이며, 향후 많은 기업과 기관에서 초저궤도 위성을 개발하여 궤도를 선점하려 할 것이다. 우리나라도 이런 초저궤도 위성 개발에 필요한 핵심 기술을 빠르게 선점하여, 뉴스페이스 시대 주역으로 자리매김했으면 한다.