인공위성 이야기

오늘 TJB 생방송 투데이에서는 인공위성에 대한 이야기를 나눠보겠습니다.

밤하늘을 올려다보니 반짝이는 아름다운 별들을 바라볼 수 있습니다.그런데 밤하늘에 반짝이는 물체는 다 별 거죠?그렇지 않습니다.가장 많이 보는 것은 야간 비행 중인 비행기에서 드물지만 인공 위성도 볼 수 있습니다.단지 인공 위성에서 매우 낮은 저 궤도에 있으면서, 크기가 큰 인공 위성만 볼 수 있습니다.대표적인 것이 국제 우주 정거장입니다.무게가 454톤에 달하는, 크기가 축구장 2배나 되는 국제 우주 정거장은 지상 약 400킬로 상공에서 초속 7.7킬로미터의 속도로 90여분 만에 지구를 일주하는 인공 위성입니다.인공 위성 자체는 빛을 내놓지 않기 때문에 거대한 태양 전지 패널로 태양빛을 반사할 때만 관측할 수 있습니다.

특히 해질 무렵과 새벽에 수평선에 가까운 낮은 고도를 지날 때 햇빛을 가장 많이 반사하기 때문에 육안으로 관찰할 수 있습니다. 최근에는 스타링크의 군집위성이 기차처럼 줄지어 지나가는 모습이 관측되어 화제가 되고 있습니다. 역시 해가 질 무렵과 새벽녘에 관찰되며 위도 45도에서 55도 지역의 여름에는 육안으로도 여러 대 관측할 수 있을 정도로 밝다는 것입니다. 스타링크는 크기는 작은 대신 여러 대가 동시에 태양빛을 반사하기 때문에 관찰할 수 있습니다.

그럼 위성은 정확히 무엇을 의미합니까?위성은 큰 질량을 가진 행성의 주위를 도는 작은 질량의 물체의 일입니다.지구의 주위를 돌고 있는 달이 지구의 위성이란 것입니다.위성은 행성의 강한 인력으로 행성 주위를 선회합니다.좀 더 가까워질 것도 멀어지는 것도 없이 일정 거리를 유지합니다.위성의 이러한 특징은 짝사랑을 표현한 가사에 잘 써집니다.그럼 인공 위성이란 무엇인가요?인공적으로 발사, 지구 주변을 일정 거리를 두고 돌게 한 물체입니다.인공 위성이 우주에 멀리 가지 않고 지구 주위를 돌게 된 이유는 지구의 중력과 위성의 원심력 때문입니다.원운동을 하는 모든 물체는 엔화의 밖으로 뛰어나가며 힘이 작용합니다.이를 원심력이라고 합니다.원심력은 물체의 크기가 클수록 속도가 빠를 수록 커집니다.한 물체가 엔화의 운동을 하러는 원심력과 같은 힘으로 중앙에서 당기는 힘이 없으면 안 됩니다이를 구심력이라고 합니다.원심력이 구심력보다 크다고 물체는 밖으로 나오자 원심력이 구심력보다 작다고 원운동이 못하고 떨어지게 됩니다.인공 위성의 경우 구심력은 지구의 중력입니다.중력은 고도가 높아질수록 약해지고 무게가 많이 나갈수록 커집니다.그래서 인공 위성을 높이면서 안착시키려는 고도로 중력과 원심력이 같도록 정확한 속도로 올리지 않으면 안 됩니다.고도와 속도가 정확하지 않으면, 위성은 만유 인력에 의해서 지구에 떨어지거나 원심력에 의해서 먼 우주에 사라지죠.지구의 중력이 이 원심력과 평형을 이루게 되면 인공 위성은 지구에 떨어지는 것도 아니고, 밖으로 나설 것도 없이 궤도상에서 원운동을 하게 됩니다.인공 위성의 궤도가 높아질수록 지구의 인력이 약해지므로 도는데 필요한 속도는 늦게 되어야 합니다.그 대신 인공 지능이 인공 위성이 지구를 일주하는 데 필요한 시간은 더 길어집니다.저궤도 위성의 경우 지구 한바퀴를 도는 공전 주기는 약 2시간입니다.2시간으로 지구를 일주한다는 것입니다.이 공전 주기는 위성 궤도의 높이가 높아질수록 점점 늘어나는 인공 위성의 높이가 3만 6천 km에 이르는 것으로 주기가 24시간이 되고 지구의 자전 주기와 같게 됩니다.그러자 마치 위성이 우리 머리 위에서 정지한 것처럼 느끼겠지요.그래서 이 궤도를 정지 궤도라고 합니다.이보다 낮은 궤도는 높이에 의해서 2천 km까지 저궤도 2천 km에서 정지 궤도의 3만 6천 km까지 중 궤도로 합니다.저궤도는 주로 지상 관측이나 과학 관측 위성이 위치합니다만.한국에서 발사된 우리별 아리랑, 그리고 차세대 과학 위성 등이 저궤도에 존재하고 있습니다.얼마 전 누리호에서 발사한 고도 550킬로로 발사한 차세대 과학 위성 역시 저궤도 위성입니다.정지 궤도 위성은 24시간 한국과 통신이 가능하므로 방송 통신 위성으로 활용됩니다.무궁화 위성과 천리안 위성이 정지 궤도에 위치하고 있습니다.지구를 돌고 있는 인공 위성은 위성마다 역할이 다릅니다.우리가 일상에서 가장 많이 활용하고 있는 분야가, 텔레비전, 라디오, 전화 같은 방송 통신 분야입니다.지상 통신 기지국에서 전파를 쏘면 인공 위성이 전파를 수신한 뒤 그 신호를 증폭시킵니다.그 뒤 지상에 다시 전파를 보내면 수신 기지국이 그 전파를 받아 송출하게 됩니다.이론상, 정지 궤도 위에 위성 3대가 있으면 지구의 대부분의 영역에서 위성 통신이 가능하다고 합니다.그러나 인공 위성이 처리할 수 있는 데이터에 한계가 있으므로 보다 빠른 통신을 위해서는 인공 위성이 많을수록 좋아요.그래서 이 론 마스크의 스타 링크에서는 2030년까지 4만개 이상의 위성을 발사 전 지구적인 인터넷 서비스 망을 구축할 계획을 갖고 있기도 합니다.인공 위성의 또1개의 역할은 날씨 정보를 제공하고 지구를 관측하는 것입니다.한국 상공에 구름은 어떻게 위치하고 있는지 구름의 이동으로 바람은 어떻게 부는지 관측하면 이들 자료는 기상 예보에 활용할 수 있습니다.이에 의한 태풍, 홍수, 쓰나미 산불, PM2.5등을 예보하고 탐지하는 데 사용됩니다.또 해수면의 온도와 해류 상태, 대기 성분 등을 관측하고 자원 탐사, 측량, 지도 제작 등에 활용되기도 합니다.

아시겠지만 내비게이션도 인공위성을 활용한 서비스입니다. 4개 이상의 위성의 정확한 시간과 변위를 측정한 후 삼각점의 위치를 구하는 삼변측량 기법으로 위치를 파악합니다. 이때도 활용되는 위성의 수가 많을수록 더 정확한 위치를 알 수 있습니다. 우리가 잘 알고 있는 GPS는 미국의 위성항법 시스템입니다. 미국의 상용 GPS는 오차 범위가 10미터 정도이고, 많게는 37미터까지 발생할 수도 있습니다. 도심과 산악지형이 많은 한국의 지형에서는 신호의 품질이 떨어지기도 합니다.

만일의 경우 우리가 미국의 GPS를 활용할 수 없게 되면 내비게이션은 무용지물이 되지 않을 수 없습니다.그래서 한국에서는 GPS의 국산화 버전인 KPS를 한국 항공 우주 연구원에서 개발하거나 합니다.그 때문에 고도 3만 6천 km의 정지 궤도에 항법 위성 8개를 발사 계획을 가지고 있습니다.KPS와 GPS를 동시에 활용하면 오차 범위를 10cm까지 낮출 수 있답니다.정밀 작동이 필요한 드론이나 자동 운전 차 시장 확대에 필수적인 인프라가 만들어지는 것입니다.그 밖에도 인공 위성은 천체 관측, 행성 탐사 과학 기술 실험 등에도 사용되고 정찰 등 군사 목적으로 활용되기도 합니다.많은 역할을 하고 있는 인공 위성은 얼마나 오래 쓰나요?위성은 발사 중량에 한계가 있어 중량과 용량을 무한정 늘릴 수 없습니다.그 때문에 전력을 얼마나 공급하느냐가 인공 위성의 수명을 결정짓는 중요한 요소로 작용합니다.사실 인공 위성은 지구의 주위를 돌기 위한 전력은 거의 쓰지 않아요.마치 달이 지구 주위를 돌때 에너지가 필요 없는 것과 마찬가지로 원심력과 구심력으로 에너지 없이 지구 주위를 돌고 있습니다.그러나 지구 이외의 천체의 인력과 태양풍, 지구 대기와의 마찰력 등으로 이 궤도에서 벗어나기도 합니다.이처럼 궤도에서 벗어나면 제자리에 돌아가기 위해서 연료가 필요합니다.또 우주에서 관측한 정보를 지구로 보내기 위해서도 에너지가 필요합니다.이 에너지를 만들어 낼 수 없게 되자 정보도 보내지 않을 뿐 아니라 궤도를 유지하지 못하고 벗어나고 수명이 다합니다.현재 대부분의 인공 위성은 태양 전지를 원료로 사용하고 있습니다태양 전지의 집광판의 수명이 영구가 아니고, 언젠가는 수명이 줄어들게 됩니다.다양한 요소에 의해서 위성의 수명이 결정되지만 보통의 소형 위성의 경우 수명이 1년이 안 된 경우도 있습니다.중대형 위성은 10년 이상 사용할 수도 있습니다.스마트 폰도 2~3년을 사용하면 바꿔야 하는데, 수리가 어려운 위성을 10년 이상 사용한다는 것을 보면 기술력이 정말 대단하다는 생각이 들기도 합니다.수명을 다한 인공 위성은 25년 이내에 궤도를 이탈시킬 국제적인 약속이라고 합니다.그래야 새로운 위성을 그 궤도에 진입시킬 수 있으니까요.주로 저궤도 위성의 경우는 대기권에 재진입시키고 완전히 타버리도록 하고, 이보다 높이 있는 정지 궤도 위성의 경우는 수백킬로미터 높은 폐기 궤도에 오르도록 하겠습니다.이 폐기 궤도는 수명이 다한 위성이 가는 곳이라 무덤 궤도라고 불리는 일도 있습니다.1957년에 소련의 스푸트니크 1호 위성이 발사된 이후 무려 1만 5천개의 인공 위성이 발사되고 현재 임무를 수행 중인 인공 위성은 7천개 정도이라고 합니다.나머지는 모두 우주 쓰레기라고 하는 것입니다.그래서 영화”승리호”처럼 이런 우주 쓰레기를 처리하는 기술도 연구되고 있습니다.인공 위성은 우리에게 더 먼 세계와 소통할 수 있도록 하고 더 넓은 세상을 보게, 더 많은 것을 알리고 있죠.그리고, 그 후에는 새로운 세계를 개척하려는 과학자들의 끊임 없는 노력이 있었다는 것을 반드시 기억했으면 좋겠어요.