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[2655호] 2021.04.26
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[과학]영화처럼! 우주 급유 시대 열렸다

김형자  과학칼럼니스트 bluesky-pub@hanmail.net 2021-04-29 오후 2:48:26

▲ 미국의 항공우주업체 노스롭그러먼이 개발한 연료 보급 위성 MEV-2. photo 노스롭그러먼
마침내 우주 급유 시대의 문이 열렸다. 지난 4월 13일 오전 2시34분 인공위성 MEV-2가 3만6000㎞ 상공의 정지궤도를 도는 인텔샛 10-02와 도킹, 급유에 성공했다. 우주 역사에 또 하나의 이정표를 세운 주인공은 미국의 항공우주업체 노스롭그러먼이다. 노스롭그러먼이 상용화한 우주 급유의 핵심은 폐기될 인공위성의 수명을 늘려 우주쓰레기 발생 자체를 줄이려는 것이다.
   
   인텔샛 10-02는 2003년 정지궤도에 발사된 통신위성이다. 설계수명이 13년으로 2016년까지 유럽과 남미, 아프리카, 중동 등의 지역에 국제전화, 텔레비전 방송 전송, 인터넷 서비스 등을 제공할 목적으로 발사되었다. 보통 정지궤도를 도는 통신위성들의 설계수명은 10~15년쯤 된다. 정지궤도는 위성의 궤도주기와 지구의 자전주기가 같아서 관측 시 한 지점에 정지해 있는 것처럼 보이는 인공위성을 말한다.
   
   
   연료 주입해 수명 5년 늘려
   
   인텔샛 10-02는 이미 예상 수명을 훨씬 넘겼다. 그럼에도 탑재된 전자기기들은 지금도 정상 작동한다. 하지만 연료가 고갈돼 곧 폐기될 수밖에 없는 운명이었다. 이를 구한 것이 바로 연료 보급 시스템을 갖춘 위성 MEV-2(Mission Extension Vehicle-2)다. MEV-2의 연료 충전을 통해 인텔샛 10-02는 생명을 5년 연장할 수 있게 되었다.
   
   우주에서 연료가 떨어져 임무가 종료되는 운명은 인텔샛 10-02뿐만 아니라 모든 인공위성이 겪는 문제다. 아직도 쓸 만한 자동차를 연료가 바닥났다고 해서 폐차해 버리는 것과 같은 셈이다. 1957년 소련이 발사한 스푸트니크 1호 위성 이후 이렇게 버려지는 위성은 한 해 20개 남짓 된다. 수명을 다한 인공위성은 지구 주변 우주 공간에 남아 떠도는 쓰레기밖에 되지 않는다. 이런 상황에서 우주쓰레기를 줄일 대안으로 노스롭그러먼이 연료 탑재 우주선의 도킹 급유 방식을 제시한 것이다. 도킹은 1960년대부터 실행됐지만 우주 물체가 워낙 빠르게 지구 주변을 회전하는 탓에 지금도 까다로운 시도다.
   
   그렇다면 MEV-2는 정지궤도에서 빠르게 작동하는 위성에 어떻게 급유할까. MEV-2의 급유 방식은 주유소에서 기름을 넣듯 인텔샛의 연료 주입관을 연결해 연료를 부어넣는 게 아닌 간접 충전 방식이다. 이를테면 배터리를 부착하는 방식과 비슷하다. 연료탱크를 탑재한 MEV-2가 인텔샛 10-02 뒤쪽에 있는 원뿔형 엔진(liquidapogee engine)에 도킹해 갈고리 모양의 연결 장치를 이용하여 엔진 고리에 걸친 뒤 단단히 고정한다. 도킹 후엔 MEV-2가 인텔샛 위성에 붙어 마치 하나의 위성처럼 연결돼 연료를 공급하는 방식이다.
   
   인텔샛 10-02처럼 원뿔형 엔진 위성이면 도킹이 가능해 급유의 대상이 될 수 있다. 정지궤도 위성의 약 80%가 이 같은 엔진이다. MEV-2는 5년간 인텔샛 10-02와 계약되어 있어 그동안만 연료를 공급한다. 이의 대가로 인탤샛은 1년에 1300만달러를 노스롭그러먼에 지불한다.
   
   MEV-2는 일회용이 아니다. MEV-2의 수명은 15년. 따라서 인텔샛 10-02에 5년간 급유하고 나면 수명 연장을 요청하는 다른 위성에 도킹해 활동을 연장시킬 계획이다. 이후에도 하나의 위성 활동 기간을 5년 더 늘려줄 수 있다.
   
   인공위성 수명 연장은 엄청난 경제적 가치를 갖는다. 개발에 수백억원이 들어가는 저궤도 위성과 달리 정지궤도 위성에는 수천억원 단위의 비용이 필요하다. MEV-2와 같은 연료 재보급 위성이 3개의 정지궤도 위성 수명을 5년씩 연장하면 수조원의 경제적 이득을 얻을 수 있다. 연료를 재보급해서라도 최대한 오래 쓰는 게 새로운 정지궤도 위성을 쏘는 것보다 낫다는 얘기다. 당연히 위성의 활동 기간을 늘리면 우주쓰레기를 줄이는 데도 도움이 된다.
   
   노스롭그러먼의 우주 급유는 일론 머스크가 이끄는 스페이스X의 로켓 재활용 기술만큼 혁신적인 신기술로 손꼽히고 있다. 인공위성 발사 비용을 대폭 줄일 뿐 아니라 우주여행을 대중화하는 데도 핵심적인 기술이 될 수 있기 때문이다. 한편으론 허블망원경처럼 우주 공간에서 우주 비행체가 고장 날 경우 유지·보수하는 기반 기술이 될 가능성이 크다. 즉 사람이 직접 수리하지 않고 기계가 나서서 인공위성을 수리하는 비즈니스도 발전할 것이라는 전망이다. 노스롭그러먼은 기술적 경험이 계속 쌓이면 지구 저궤도에 버려진 위성을 끌어내 버리는 시도까지 할 수 있을 것으로 내다봤다.
   
   
▲ MEV-2가 연료 공급을 해준 정지궤도 위성 인텔샛 10-02.

   화성 여행 땐 중간 급유기지서 연료 보급
   
   서로 따로 설계된 상업용 인공위성이 실제 정지궤도에서 도킹에 성공한 건 이번이 처음이다. 물론 지난해 2월 25일에도 노스롭그러먼의 MEV-1이 인텔샛 901과 도킹한 적이 있다. 그때는 정지궤도에서 회전 중인 위성이 아니라 휴면 상태의 다른 위치에 놓인 위성과의 도킹이었다.
   
   2001년 발사된 인텔샛 901은 당시 13년 설계수명을 이미 넘겨 연료가 고갈된 상태였고, ‘묘지 궤도’로 이동된 신세였다. 묘지 궤도는 정지궤도 300㎞ 위에 있고, 다른 위성과의 충돌을 피하기 위해 임무가 끝난 위성을 보내는 궤도다. MEV-1은 인텔샛 901과 결합한 상태로 자체 추진력을 이용해 위성을 정지궤도로 이동시켰다. 다시 임무 궤도에 진입한 인텔샛 901은 그때부터 30여 고객사에 통신 서비스를 제공하고 있다.
   
   한편 스페이스X는 중간 급유기지에서 연료를 보급하는 방식을 추진하고 있다. 화성 유인비행을 목표로 한 우주선 스타십(Starship)의 성공을 위해 크기와 모양이 같은 또 다른 스타십을 연료 보급선으로 발사해 저궤도 우주 공간에서 도킹, 연료를 공급하겠다는 구상이다. 연료 보급선이 스타십에 서서히 접근해 후미 쪽끼리 붙는 형태로 도킹해서 연료를 공급한다.
   
   지구에서 모든 연료를 채워 화성 탐사선을 쏘아 올리려면 비용 부담이 크다. 따라서 화성처럼 먼 거리를 여행하기 위해서는 중간 급유기지 방식은 필수다. 중간 급유를 택하면 탐사선을 발사할 때 중량의 대부분을 차지하는 연료를 조금만 채워 이륙할 때의 부피를 68%나 줄일 수 있다. 이 경우 화성으로 가는 유인탐사선 비용을 85억달러(9조8000억원)나 줄일 수 있을 것으로 계산되었다.
   
   인류가 화성을 탐험하는 궁극적 목표는 화성을 식민지화해 인간이 영원히 살 수 있도록 하는 데 있다. 일론 머스크는 이를 통해 인류를 ‘행성 간 부족’으로 만들려는 오랜 꿈을 실현하겠다고 말한다. 이를 위해서는 우주 길을 열어 가장 적절한 방법으로 행성 간 여행을 하는 것이 중요하다. 그 못지않게 지구 주변에서 작동하는 2200여개의 인공위성이 가급적 늦게 우주쓰레기가 될 수 있도록 하기 위해서라도 연료 보급 기술은 중요하다.
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