과학탐구토론대회 토론 개요서

• 우주쓰레기란 지구 궤도를 떠도는 쓸모없어진 인공 물체를 말한다. 폐위성, 로켓 잔해, 충돌로 생긴 파편 등이 포함된다.
• ESA 통계에 따르면 10cm 이상 파편은 약 54,000개, 1cm~10cm 파편은 약 120만 개, 1mm~1cm 파편은 약 1억 4천만 개로 추정된다.
• 추적 가능한 우주 물체 수는 계속 늘어나고 있으며, 2024년에도 여러 차례 대형 파편화 사건이 발생해 수천 개의 새 파편이 추가됐다.

• 수명이 다한 위성이나 로켓 잔해를 제대로 치우지 않고 방치하는 경우가 많다. 25년 이내에 궤도를 이탈해야 한다는 규정이 있지만 잘 지켜지지 않는다.
• 위성끼리 충돌하는 사고도 있다. 2009년 이리듐 33과 코스모스 2251이 충돌해 수천 개의 파편이 생겼다.
• 여러 나라가 위성을 미사일로 요격하는 실험을 해왔다. 2021년 러시아 실험으로 1,500개 이상의 파편이 발생해 국제적으로 비판을 받았다.

• 파편이 다른 물체와 충돌해 더 많은 파편을 만드는 연쇄 반응 현상이다. 파편 수가 일정 수준을 넘으면 걷잡을 수 없이 늘어난다.
• 우주쓰레기는 초속 최대 7~8km로 이동하기 때문에 작은 볼트 하나도 위성 전체를 파괴할 만한 에너지를 가진다.
• ESA 2025 보고서에서는 케슬러 증후군을 막으려면 능동적인 파편 제거가 반드시 필요하다고 밝히고 있다.

• UN은 2007년에 우주쓰레기 감소 가이드라인을 채택했지만 법적 강제성이 없어서 실효성이 낮다.
• 임무가 끝난 위성은 25년 안에 궤도에서 이탈해야 한다는 규정이 있지만 실제로 잘 지켜지지 않아 개선이 필요하다.
• 위성 요격 실험을 금지하자는 논의가 진행 중이지만 아직 국제 조약 수준의 합의는 이루어지지 않았다.

• ① ESA ClearSpace-1: 4개의 로봇팔로 폐위성을 붙잡아 대기권으로 끌어들여 소각하는 방식. 2028년 발사를 목표로 하고 있다.
• ② Astroscale ELSA-d: 자석을 이용해 폐위성을 붙잡는 기술로, 2021년 우주에서 처음으로 실증에 성공했다.
• ③ 이온 빔 셰퍼드(IBS): 플라즈마 빔을 이용해 파편에 직접 닿지 않고도 속도를 바꿀 수 있는 비접촉 기술이다.
• ④ 와전류 제동: 강한 자기장을 이용해 금속 파편 안에 전류를 유도하고, 그 저항력으로 파편을 감속시키는 기술이다.

• 국제우주정거장(ISS)은 매년 여러 차례 충돌을 피하기 위한 기동을 해야 해서 연료와 운영비 손실이 계속 발생한다.
• GPS, 인터넷, 기상위성 등 우리 생활과 밀접한 인프라들이 궤도 환경이 나빠질수록 직접적인 영향을 받는다.
• 위성 하나가 망가지면 수백억~수천억 원의 손실이 생기기 때문에, 미리 우주쓰레기를 제거하는 것이 오히려 더 경제적이다.

• 이온 엔진 안에서 제논(Xe) 가스를 이온화시키고, 강한 전압으로 가속해 플라즈마 빔 형태로 발사한다.
• 이온만 쏘면 위성 자체 전하 때문에 다시 끌려올 수 있어서, 중성화기를 함께 써서 전자도 방출해 중성 빔을 만든다.
• 플라즈마는 퍼지기 쉬워서 전자기 코일로 빔을 한 방향으로 모아 파편에 정확히 전달한다.
• 제논을 쓰는 이유는 원자가 무거워서 운동량 전달이 잘 되고, 이온화가 쉬우며 액체로 압축해 보관할 수 있기 때문이다.
• 빔을 쏠 때 생기는 반작용을 막기 위해 우주선 뒤쪽에 반대 방향 추진기를 따로 달아야 한다.
• 파편을 서서히 대기권 쪽으로 밀어 소각하거나, 충돌 위험이 낮은 곳으로 이동시킬 수 있다.
• 파편 제거 비용보다 위성이 충돌로 망가졌을 때의 손실이 훨씬 크기 때문에 경제적으로도 이득이다.

• 초전도 전자석이 만드는 자기장이 알루미늄 같은 금속 파편을 통과할 때, 전자기 유도 원리에 따라 파편 안에 와전류가 생긴다.
• 와전류란 금속 주변 자기장이 변할 때 금속 내부에 소용돌이처럼 흐르는 전류인데, 이 전류가 저항력을 만들어 파편의 움직임을 방해한다.
• 빠르게 회전하는 파편에 자기장을 쏘면 저항력이 생겨 운동 에너지가 열에너지로 바뀌면서 속도가 느려진다.
• 속도가 줄어든 파편은 안전하게 수거하거나 대기권으로 자연스럽게 진입시켜 소각할 수 있다.
• 이온 빔과 함께 쓰면 더 효과적이다. 와전류 제동으로 대형 파편을 먼저 감속시킨 뒤, 이온 빔으로 정밀하게 궤도를 조정하는 방식이다.

• ESA ClearSpace-1은 4개의 로봇팔로 PROBA-1 위성(95kg)을 붙잡아 대기권으로 끌어들여 소각하는 방식으로, 세계 최초의 능동적 파편 제거 임무다. 2028년 발사 예정이다.
• Astroscale의 ELSA-d는 자석으로 폐위성을 붙잡는 기술인데, 2021년 우주에서 처음 실증에 성공했고 현재 상용화를 추진 중이다.
• 물리적 포획은 비용이 많이 들고 작은 파편에는 적합하지 않지만, 케슬러 증후군을 일으킬 수 있는 대형 파편을 제거하는 데 꼭 필요하다.

• 현재 UN 가이드라인은 자율적으로 따르는 것에 의존하고 있어 강제력이 없다. 지키지 않아도 제재가 없어서 실제 효과가 낮다.
• ESA는 이미 2023년부터 자체적으로 위성 이탈 기준을 25년에서 5년으로 줄였고, 국제적으로도 이를 논의 중이다.
• 기술만 개발한다고 해서 해결되지 않는다. 쓰레기가 생기는 속도보다 제거 속도가 느리면 근본적인 해결이 불가능하기 때문에 규제 강화가 반드시 함께 이루어져야 한다.
• 1967년에 만들어진 우주조약에는 우주쓰레기에 관한 내용이 거의 없어서, 현실에 맞게 새로운 국제 규범을 만드는 것이 시급하다.

번호	출처명	활용 내용
①	ESA 우주 파편 통계 (MASTER-8 모델)	54,000개 / 120만 / 1억 4천만 수치
②	ESA 2025 우주환경 보고서	케슬러 증후군 · 능동 제거 필요성 · 5년 규정
③	NASA Orbital Debris Program Office	우주쓰레기 연구 및 추적
④	UN COPUOS 우주쓰레기 가이드라인	국제 규제 현황 (2007년 채택)
⑤	ESA ClearSpace-1 공식 미션	로봇팔 포획 · PROBA-1 · 2028년 발사
⑥	Astroscale ELSA-d 공식 미션	자기 포획 최초 우주 실증 (2021년)
⑦	이온 빔 셰퍼드 원논문 (AIAA, 2011)	Bombardelli et al. — IBS 기술 원리
⑧	EU ALBATOR 프로젝트 — 킬 대학	이온 빔 셰퍼드 실제 실험 진행