우주 쓰레기 제거 위성의 원리

 

비접촉 방식(Contactless Methods)

비접촉 방식(Contactless Methods) 비접촉 방식은 우주 쓰레기 제거 위성이 목표 우주 쓰레기에 접촉 없이 우주 쓰레기를 제거하는 방식으로 위성 간 충돌위험이 없기에 추가적인 우주 쓰레기가 발생하지 않으나, 접촉방식에 비해 상대적으로 우주 쓰레기 제거에 소요되는 기간이 길다. 비접촉 방식에는 인공 대기영향(artificial atmospheric influence), 레이저 기반(laser-based), 이온 빔(ion beam shepherd), 정전기 트랙터(electrostatic tractor) 방식이 있다. 인공 대기영(artificial atmospheric influence)은 목표 위성 고도의 궤도에 인공 가솔린(gasoline)을 방사하여 항력을 증가시켜 목표 쓰레기의 궤도 속도를 늦추어 대기로 추락시키는 원리이다. 이 방식은 다수의 우주 쓰레기가 모여 있을 경우 제거에 용이하다. 레이저 기반(laser-based) 방식은 크기가 1–10 cm인 우주 쓰레기에 대해 레이저를 조사하여 목표 우주 쓰레기의 궤도 속도를 늦추어 대기에서 소멸시키는 방식으로 지상 기반과 우주 기반 방식이 있다. 이온 빔(ion beam shepherd)은 목표 위성에 근접(10–20 m)하여 이온 빔을 조사하여 목표 우주 쓰레기의 궤도 속도를 늦추어 대기에서 소멸시키는 방식이다.

정전기 트랙터(electrostatic tractor) 방식은 정지궤도 상의 폐위성이나 로켓 등의 우주 쓰레기 제거에 유용하며, 콜롱의 법칙(Coulomb’s law: 두 전하 사이의 힘은 전하의 크기의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다.)을 적용해 양전자의 견인기가 전자빔을 목표 우주 쓰레기에 방사하여 양전하로 바뀌게 하고, 견인기와 우주 쓰레기의 전하를 같게 만들어 서로 밀어내게 하여, 우주 쓰레기를 무덤 궤도(graveyard orbit)로 보내는 방식으로 2–4개월이 소요된다.

 

테더(끈) 기반 방식(Tether-Based Methods)

테더(끈) 기반 방식(Tether-Based Methods) 테더(끈) 기반 방식은 우주 쓰레기 제거 위성이 다양한 테더(끈) 형태의 방법으로 목표 우주 쓰레기를 끌어서 제거하는 방식으로 전도성 끈(electrodynamic tether), 그물 포획(net capturing), 작살(harpoon) 방식이 있다. 전도성 끈(electro-dynamic tether, EDT) 방식은 우주 쓰레기에 전도성 끈을 달아 로렌츠 힘(Lorentz force)에 의해 발생한 항력을 발생하게 하여 우주 쓰레기 궤도 속도를 늦추어 궤도를 이탈(de-orbit)시키는 방식이다. 로렌츠 힘(Lorentz force)은 자기장에 의해 전류가 흐르는 도선 또는 전하를 가지고 운동하는 입자에 작용하는 힘으로 움직이는 속도 방향과 자기장의 방향에 모두 수직인 방향으로 힘을 받는다. 그물포획 방식은 간단하고 융통성이 있으며, 저궤도 및 정지궤도에서 우주 쓰레기를 제거하기에 가성비가 좋다. 또한, 우주 쓰레기의 부피나 관성 등 물리적 변수를 적게 고려하여 상대적으로 쉽게 우주 쓰레기 제거가 가능하다. 작살 방식은 우주 쓰레기 제거 위성을 작살로 목표 우주 쓰레기를 맞추어 제거하는 방식으로 작살을 이용해 우주 쓰레기를 수거하고 대기권에서 태우는 방식이다.

 

접촉 제거방식(Contact Removal Methods)

접촉 제거방식은 우주 쓰레기 제거 위성이 목표 우주 쓰레기에 접촉해 우주 쓰레기를 제거하는 방식으로 새총(slingshot), 접착제(adhesive), 촉수포획(tentacle capturing), 단일 로봇팔(single robotic arm), 다중 로봇팔(multiple robotic arms) 방식이 있다. 새총방식은 한번 발사에 여러 개의 우주 쓰레기를 제거할 수 있는 방식으로 우주 쓰레기 제거 위성은 우주 쓰레기를 포획하여 지상으로 날려(spin-up & ejection) 보낸다. 그리고 다음 우주 쓰레기를 포획한다. 접착제 방식은 우주 쓰레기 제거 위성이 추진체가 있는 쓰레기 제거 키트(kit) 여러 개를 탑재해 여러 개의 우주 쓰레기에 각각 접착제 방식의 쓰레기 제거 키트를 발사하여 목표 우주 쓰레기에 부착시켜 대기권으로 유도하여 소멸시키는 방식이다. 촉수(집게 팔) 포획은 우주 쓰레기를 촉수와 같이 생긴 로봇팔이 우주 쓰레기를 잡고 대기권으로 유도하여 소멸시키는 방식이다. 단일 로봇팔 포획과 다중 로봇팔 포획은 좀 더 정밀하게 우주 쓰레기를 포획하여 대기권으로 유도하여 소멸시키는 방식으로 미세 중력 및 우주 방사선 환경에서 동작이 가능하게 기술 개발이 필요하다.