케슬러 신드롬

1. 개요2. 설명3. 처음엔 무시당한 이론4. 실제 사례5. 케슬러 신드롬이 일어날 경우6. 미디어에서의 케슬러 신드롬

우주 시대의 종말 - 인류를 위한 감옥[1]

1. 개요

Kessler syndrome, Kessler effect

케슬러 신드롬은 1978년 NASA 소속의 과학자, 도널드 케슬러 박사(Donald J. Kessler)가 주장한 우주 재난이다.

지구를 도는 인공위성들이 충돌을 반복해, 토성의 고리마냥 파손된 인공위성의 잔해들이 지구를 감싸 인류가 지구 밖으로 진출하기는 커녕, 인공위성을 이용하는 모든 기술이 중지됨으로써 GPS, 위성 통신 시스템 등의 현대 기술 대부분을 쓸 수 없게 되어 인류 문명이 1960년대 중후반으로 후퇴할 수 있다는 내용을 담고 있다.

2. 설명

인공위성의 궤도는 고도에 따라 여러 가지로 나뉘어진다. 그 중 하나가 정지궤도며 지구 표면으로부터 3만 6000km 떨어진 지점에 위치하고 있다. 가장 아래쪽에 위치한 궤도는 고도 200~2000km의 저궤도 위성들이 자리잡고 있는데, 저궤도는 가장 값싸게 위성을 올릴 수 있다는 장점을 가지기 때문에 수천 개의 위성들이 밀집되어 있다. 정지궤도의 경우 제한된 영역이기 때문에 이 지역에 위성을 쏘아 올리려면 국제기구의 허가를 받아야 한다. 그에 반해 다른 궤도들은 제작자의 재량에 따라 발사가 가능하다. 즉, 자신이 위성의 위치를 자유롭게 설정할 수 있다는 것. 이러다 보니 자연히 겹치는 궤도가 발생하게 된다.

물론 우주공간은 매우 광활하기 때문에 통상적으로는 아무리 수천 개의 위성들이 밀집되어 있는 저궤도라 하더라도 위성들 사이의 충돌이 일어나는 경우는 극히 적다. 그러나 위성이 노후화되면 이를 대체하는 새로운 위성을 쏘아 올려야 하고 위성을 쏘면서 발생하는 연료 탱크, 로켓 덮개 등 또한 우주 공간에 남겨질 가능성이 있다고 생각하면 궤도상의 물체는 계속해서 증가하게 될 것이다. 이에 따라 충돌의 위험도 점점 증가하게 되는 것이다.

이렇게 극히 적은 확률이지만 위성들 간의 정면 충돌이 만일 발생하게 된다면 그 여파는 어마어마할 것이다. 빨라야 초속 수십미터 수준인 자동차나 열차 간의 충돌도 충분히 파괴적인데, 기본 속도가 초속 수 킬로미터인 위성들 간의 충돌이 일어나면 양쪽 위성이 산산조각나는 것은 당연, 여기서 발생한 수천 개의 잔해들이 원래 위성의 궤도뿐만 아니라 옆의 궤도까지 번져나가 다른 위성들을 위협하게 된다. 여기서 더 운이 나쁘게 사건이 진행되면 잔해들이 서로 충돌하거나 다른 멀쩡한 위성들과 충돌하여 새로운 잔해들을 발생시키게 될 것이다. 새로 불어난 잔해들은 또 다른 위성들을 덮치게 될 것이고, 이 과정에서 생겨난 잔해들이 또⋯. 이 과정을 반복하여 결국 수억, 수천만 개의 잔해가 지구 궤도 전체를 뒤덮어 더이상의 우주 진출이 불가능하게 될 것이라는 비관적인 이론이 바로 케슬러 신드롬이다.

3. 처음엔 무시당한 이론

1978년, 나사는 우주왕복선의 구상기획을 마치고, 우주왕복선을 띄웠을 경우 발생할 수 있는 모든 사고를 시뮬레이팅하게 된다. 이 과정에서 우주왕복선이 귀환하는 과정에서 인공위성과 충돌할 수 있다는 이론이 제기되었고, 나사의 연구원이었던 도널드 J. 케슬러가 우주왕복선과 인공위성이 충돌한 후에 추가로 번질 문제에 대해 쓴 논문으로부터 케슬러 신드롬이라는 용어가 탄생하게 되었다.

1977년 케슬러가 처음 이 내용을 발표했을 때 주변의 반응은 싸늘했다.

우주개발 초기시절 우주공간에서 분리된 로켓의 잔해라거나 수명이 다한 인공위성 혹은 우주정거장에서 손이 미끄러져 떨어뜨린 물체들로 인해 만들어지는 우주쓰레기는 수백 킬로미터대의 저궤도를 돌고 있다. 저궤도를 돌기때문에 미약한 대기저항으로 인해 서서히 속도가 떨어지고, 최종적으론 대기권으로 진입하여 열에 의해 자연적으로 소멸한다. 드물게 벌어지는 인공위성이 지구권에 추락하는 사고의 이유가 이 저궤도상에서 자세 제어에 실패하는 것이고, 별사고가 없는 것도 열에 타들어가 소멸하기 때문이다.

즉, 케슬러 박사가 주장한 케슬러 신드롬은 기우에 가까운, 벌어질 수 없는 일이란 것이 발표당시의 주류 반응이었다.

4. 실제 사례

2009년에는 이리듐 33 위성과 코스모스 2251 위성이 10km/s의 상대속도로 정면 충돌하는 사건이 발생했다. 이 결과 이리듐 측에서 528개, 코스모스 측에서 1347개의 신규 잔해[2]가 생성된 것이 확인되었다. 여기서 생긴 잔해가 2015년 1월 4일 과학기술위성 3호를 23미터[3]를 남겨두고 스쳐지나갈 것으로 예측되기도 했다. 다행히 잔해의 궤도가 틀어짐에 따라 영화 그래비티의 줄거리와 같은 연쇄충돌 사태는 벌어지지 않았다.

5. 케슬러 신드롬이 일어날 경우

케슬러 신드롬이 제대로 터질 경우, 일정 궤도를 따라 도는 위성들이 일제히 박살나 위성궤도 자체가 우주쓰레기로 도배될 수 있다. 이리 되면 인류가 배리어등의 선체를 지킬 수 있는 기술이나 우주 쓰레기를 치울 기술을 획득하지 않는 한, 인류의 우주진출은 불가능해진다. 왜냐하면 이때부턴 우주선이 궤도에 안착하는 것 자체가 위험한 도박이 되기 때문. 우주에 나가려니 포탄보다 수백배는 빠르게 날아다니는 파편들이 가득인 상황이 되는 것이다.[4]

물론, 궤도에 나간 우주선 역시 파편과 비슷한 속도로 공전하고 있으므로 상대 속도의 차이를 고려할 필요가 있기는 하다. 같은 차선에서 서로 비슷한 속도로 주행하던 자동차가 앞의 차를 들이받는 경우라면 상대속도의 차이로 인해 피해가 그렇게 크지 않을수도 있다. 그러나 상대 속도의 차이로 인해 피해가 더 커질 확률도 존재하는데, 역주행하는 차와 들이받는 경우라고 생각하면 된다. 위성의 궤도는 물론 우주 쓰레기의 궤도 역시 저마다 다르기 때문에, 최악의 경우를 가정한다면 충돌속도는 약 초속 15km[5]에 달할 것이고, 우주쓰레기가 이런 속도로 위성과 충돌한다면 현용 전차포의 포탄은 포탄 따위라고 불러도 될 정도의 막대한 피해를 입힐 것이다.[6]

위성을 좀 더 튼튼하게 만들어서 우주 쓰레기를 막아내면 되는 게 아니냐고 생각할 수도 있겠지만, 현재의 재료공학으로는 초속 수km로 충돌하는 금속 파편에 대한 우주에서의 완벽한 방호는 거의 불가능하다. 엄밀히 말하면 아예 안되는 것은 아니지만 안테나나 카메라와 같은 섬세한 부위는 장갑화가 몹시 까다로우며, 초속 수km로 충돌하는 파편을 막아낼 정도로 두꺼운 중장갑을 갖춘 위성은 필연적으로 주력 전차 이상으로 매우 무거울 것이기에 로켓의 적재량 제한이 커서 중량 제한이 큰 현대의 우주기술로는 이렇게 무거운 위성을 쏘아올리기 어렵거니와, 이러한 몇십-몇백톤에 달하는 무거운 위성이 만에 하나 파괴되거나 지구로 추락할 때 생길 위험성을 생각하면 사실상 의미가 없다.[7]

케슬러 신드롬에서 가정하는 것처럼 지구 궤도가 우주쓰레기로 가득한 상황이 되면 인공위성을 쏘아올릴 수 없기에 위성을 이용하는 모든 기술이 제약을 받는다. GPS, 기상관측, 항공유도, 위성 통신 시스템 등의 현대기술 대부분이 쓸 수 없게 되어 기술문명이 1960년대 중후반으로 쇠퇴할 수 있다.

당연하지만, 인류는 지금까지 몇번이나 문명 쇠퇴의 위기를 겪어왔다. 산업 혁명으로 인한 물 오염이나 우발적 핵전쟁 등이 대표적이다. 그리고 몇번이고 그것을 해결해 왔듯이 각 나라에서는 우주쓰레기를 청소하기 위한 대책을 강구하고 있다. 몇 가지 예를 들자면,

끈끈이 볼로 작은 파편들을 모으고 모아서 중량이 늘어나면 대기권으로 추락시키는 방법.
전자기사슬을 이용하는 방법.
인공위성에 중력닻을 설치하는 방법.[8]
우주쓰레기를 재활용하는 방법.
큐브위성을 적극 활용하는 방법. 손바닥 크기의 정말 작은 위성, 8cm~30cm 정도로 이 정도 크기의 위성은 다른 우주선을 발사할 때 같이 발사할 수 있기에 비용도 저렴하고, 우주쓰레기도 적다.[9] 대학, 기업 연구용으로 사용하는 이 위성의 평균수명은 약 1년.[10]

이런 방법이 있다. 심지어 나사에서는 우주쓰레기를 청소하는 대책을 세우는 대회를 열기도 했다.

6. 미디어에서의 케슬러 신드롬

만화 플라네테스의 등장인물들의 직업이 이를 막기 위해서 우주쓰레기를 처리하는 청소꾼이다. 작중에서 실제로 캐슬러 신드롬을 일으키기 위한 테러시도가 있었으나, 주인공 한명이 막아냈다(테러의 목적은 우주자원을 통해 굴러가는 세계경제를 마비시키기 위해). 상황이 어땠냐면, 그 테러단체가 흡연실에 폭탄 테러를 반복했고 우주 관제소에 무인우주선을 이용한 테러를 시도했는데 골초 등장인물이 빡침과 흡연에 대한 열망으로 육탄돌격해(…) 테러 시도중인 무인우주선을 튕겨내고서 본인은 대기권 돌입을 해버렸다. 다행히 살아서 바다 한가운데 귀환선 위에서 담배 한대를 태우며, '살아있다는 건 정말로 멋진 일이야.'라는 대사를 읊는다(…). 정작 원작 4권에서는 우주에서 "국가 간 전쟁이 벌여져서", 막았던 테러가 만들었을 파편의 수를 가볍게 뛰어넘을 만큼 엄청나게 많은 잔해가 떠돌아다니게 된다. 테러보다도 국가의 정치 행동이 그보다 더 큰 피해를 발생시킨 것.
한국의 2021년 넷플릭스 영화 승리호의 주인공들도 우주 쓰레기를 청소하는 직업을 가지고 있다.
극장 애니메이션 월-E는 자원 낭비로 지구 전체가 쓰레기장이 된 모습을 그리고 있는데, 대기권 밖도 역시 우주쓰레기로 뒤덮혀있다. 다행히 작중에 등장하는 우주선들은 대단히 단단한 재질인지, 그냥 간단히 뚫고 대기권 진입-이탈을 자유자재로 행한다.[11]
영화 그래비티에서 그 위험성을 압도적인 시각효과로 보여주었다. 그래비티의 서플먼트에 수록된 다큐에 따르면 2007년 중국이 미사일을 발사해 위성을 파괴하는 실험을 하면서 이러한 사건이 실재했다고 설명했다. 또한 2009년에는 이리듐 위성이 다른 위성과 충돌하여 대량의 잔해를 만들어내어 우주개발은 더욱 위험해졌으며 위 두 사건으로 인해 다시 엄청난 우주쓰레기가 늘어난 셈이다.
게임 엔드리스 스페이스에서는 행성에 존재하는 이상현상 중 하나로 나온다. 나쁜 점만 존재하는 이상현상 중 하나로서, 산업 -1, 더스트 -2, 과학 -2를 행성에 부여한다.
게임 에이스 컴뱃 7 Skies Unknown에서 미션15를 클리어 하면 이벤트가 발생한다. 양측이 각각 실행한 인공위성 요격 작전 결과가 걷잡을 수 없이 악화되었다. 통신망이 붕괴하여 지휘 체계가 조각나자 에루지아 왕국은 단숨에 내전상태가 되었고 피아식별 시스템도 멈춰버리게 되어 타겟을 일일이 확인해야 하는 플레이 기믹이 이어진다.
게임 아머드 코어 4 시리즈에서 등장하는 어설트 셀은 케슬러 신드롬 그 자체에 해당하지는 않지만 케슬러 신드롬을 좀 더 비극적으로 다듬은 소재이다. 게임 내에서는 얼굴 한번 안 비치지만 내러티브적으로 아머드 코어 4 시리즈의 시작점이나 마찬가지이며 지구를 인류 스스로의 감옥으로 만든다는 결과도 케슬러 신드롬에서 예상하는 최악의 미래와 동일하다.
게임 배틀필드 2042의 배경 설정에서 언급된다. 2040년 원인을 알 수 없는 케슬러 신드롬으로 인해 지구 궤도의 위성 70%가 추락하고 전세계적인 정전이 발생해 통신망과 인터넷, 운항, 기상 예보, 국가간 상호 감시 체계 등이 마비되었으며 10만 명 이상이 직간접적 영향으로 사망한 것으로 나온다. 적성국의 감시가 불가능해져 국제관계에 불신이 조장되고, 강대국간 분쟁이 격화되어 2042년 전세계 곳곳이 전쟁에 휘말리는 것으로 묘사된다. 케슬러 신드롬만이 원인은 아니고, 이 세계에서는 대략 2021~31년 동안 세계가 경제 붕괴, 기상이변과 해수면 상승, 사막화, 기존 강대국들의 몰락으로 인한 국가간 질서의 대규모 개편과 그로 인해 국적 잃은 대규모 난민, 자원 부족 등 온갖 이유 때문에 막장으로 치닫고 있었다. 각국이 신기술을 동원해 대책을 마련하는 등 겨우겨우 사태가 수습되어가나 싶던 찰나에, 케슬러 효과가 결정타를 가하며 안정화 시도와 협력 관계가 몽땅 망해버리고 서로에 대한 불신이 폭발하게 되며, 남은 두 초강대국인 미국과 러시아의 전면 무력 충돌이 임박하게 된 것. 다만 배경설정으로 대한민국은 위성통신이 아닌 지상 통신에 집중했고 세계가 네트워크 붕괴로 망해가는판에 역으로 성장한 국가가 되었고 송도에서 한국의 통신망과 데이터 센터를 차지하기 위해 러시아와 미국이 난장판을 벌인다.
전략 시뮬레이션 게임중 하나인 테라 인빅타에선 외계인이 플레이어의 지구 저궤도 우주정거장과 함선을 다량 파괴하면 트리거되는 이벤트이다. 플레이어의 우주 관제역량이 감소하여 우주확장과 대외계인 활동에 지장이 생긴다

[1] 쿠르츠게작트의 영상. [2] 레이더로 추적이 가능한 10cm 이상 잔해만을 센 것으로 이보다 작은 잔해가 얼마나 생겼는지는 알 수 없다. [3] 자동차로 예를 들자면 고속도로에서 두 자동차가 서로 수 mm까지 접근한 셈이다! [4] 보이기나 하면 다행인데 실제로는 서로 충돌에 충돌을 반복한 끝에 육안은 물론이고 레이더에도 잡히지 않을 정도로 잘게 나눠진 좁쌀만한 파편으로 뒤덮히게 된다... 물론 이런 좁쌀만한 것들도 초속 수km로 충돌하기 때문에 우주선이나 인공위성들을 벌집으로 만들어버리는데에 부족함이 없다. [5] 약 초속7.5km 로 공전하는 저궤도 위성/쓰레기와 역행 방향으로 충돌할 경우 [6] 전차에서 대전차용으로 쓰는 날개안정분리철갑탄이 10 kg 정도에 포구속도 1.7 km/s 정도인데, 막대한 운동에너지로 수백 mm 이상의 장갑을 관통할 수 있다. 비록 우주 쓰레기가 질량은 작을지라도, 15 km/s는 커녕 이 정도 속도로 충돌만 해도 인공위성이라면 높은 확률로 파괴될 것이다. [7] 이런 이유로 궤도 엘리베이터의 개발도 똑같이 힘들다. [8] 그냥 인공위성 속의 추를 내려뜨려 대기권으로 추락시키는 것. [9] 크기가 작아서 피탄확률이 비약적으로 낮아지는건 덤. [10] 궤도수정을 위한 엔진/추진제를 넣을 공간이 없기 때문에 수명은 짧다. [11] 애초 이 우주선은 순 역추진만으로 착륙하고 이륙한다. 그것도 단 분리 없이 한번에! 그 정도의 기술력이면 우주선도 단단하게 만들 기술이 있을 것임은 불 보듯 뻔하다.