작은 기술,  큰 의미

작은 기술, 큰 의미

우주에 혁신을 일으키는 소형 위성

에리카 설리번/로스 알라모스 국립연구소

2017 년 2월 중순 어느 맑은 날 아침 인도 스리하리코타에서 큐브샛 101개 등 인공위성 104개를 탑재한 로켓이 발사되며 신기록을 수립했다.

큐브샛은 전혀 새로운 것이 아니다. 10cm 크기의 정육면체 유닛들로 구성된 이 소형 인공위성은 1990년대말 캘리포니아 폴리테크닉 주립대학교 및 스탠퍼드 대학교에서 항공우주공학과 학생들 교육을 위해 처음 개발됐다. (정의에 따르면 “스몰샛”은 500kg 미만의 위성이기 때문에 모든 큐브샛은 스몰샛이지만 스몰샛이 모두 큐브샛은 아니다.) 얼마 지나지 않아 정부는 큐브샛 등 소형 위성을 국가 안보 강화 목적으로 이용할 방법을 모색하기 시작했다.

기존 위성의 취약점을 인식하기 시작하면서 소형 냉장고보다 작은 이들 위성에 대한 관심이 증가한 것은 우연이 아니다. 2007년 중국은 자국 위성을 폐기하는 데 미사일을 사용하며 이를 증명했다. 그 후 사이버 공격 위험도 현실이 됐다. 2017년 5월 랜섬웨어 바이러스가 전 세계 컴퓨터 수십만 대를 감염시키고 병원과 기차역을 정지시키면서 해커들에 대한 경각심이 다시 고조됐다. 이러한 사이버 공격이 지상 시스템에 커다란 타격을 줄 수 있다면 우주 시스템을 타겟으로 한 조직적인 사이버 공격은 끔찍한 재앙으로 이어질 수 있다.

정도의 차이는 있으나 모든 군 임무는 위성에 의존하고 있다. 통신위성은 육해공군의 작전 지휘계통에 정확하고 완전한 정보를 적시에 제공함으로써 합동군의 지휘 및 통제를 가능케 하고 있다. 기상위성은 각 군의 야전 부대에 최신 날씨 정보를 제공하며 항행위성은 부대, 항공기, 함선을 위해 오차 범위 수 미터 이내의 정확한 위치 정보를 제공한다. 우주 감시 위성 시스템은 평화 시에는 조약 준수 여부 감시를, 분쟁 시에는 핵심 경고를 제공하고 있다.

한편 정부 내 비군사적 부문에게 있어 위성 이미지는 재해 계획 및 대응, 지도 작성, 도시 계획, 교통 상황 감시를 위해 필수적이다. 또한 위성 전화, 인터넷, 텔레비전, 항법 및 상품 추적, 자원 개발, 비행 또는 작물 재배를 위한 기상 예측 등의 상업적 용도도 있다.

이러한 위성 중 하나라도 공격을 받을 경우 안보와 경제에 막대한 피해가 미칠 수 있다.

기술적 장점

대형 위성 하나가 중요 국가 안보 기능을 제공하는 것이 아니라 소형 위성 100개가 동일한 역할을 하면 어떨까? 목표물이 작을 뿐만 아니라 분산되어 있어 사이버 범죄자들의 해킹이 매우 어려워진다.

소형 위성은 장점이 많다. 먼저 가장 중요한 것은 저렴하다는 것이다. 대형 위성의 경우 제작 및 발사 비용이 평균 미화 5억~10억 달러에 이른다. 이는 예산 규모에 관계없이 매우 높은 금액이다. 반면 소형 위성은 매우 저렴하다.

예를 들어 로스 알라모스 국립연구소는 그동안 큐브샛을 여러 대 제작하여 발사했는데 한 대당 제작 비용을 미화 약 15만 달러로 추정하고 있다. 또한 하드웨어 비용이 저렴하기 때문에 더 많은 기술을 확보하여 탑재할 수 있다. 즉 지구/파도 이동, 지진 및 화산 활동 감지, 대기 측정 등의 관찰 및 감지 임무를 보다 넓은 지리적 범위에서 수행할 수 있는 것이다.

더불어 우주 과학자들은 큐브샛, 스몰샛 같은 저렴한 플랫폼을 이용하여 우주에서 재구성 가능 컴퓨팅 등의 첨단 개념을 시험할 수 있다. 과거에는 위성이 일단 궤도에 진입하면 운영자가 변경할 수 있는 것이 별로 없었으며 위성이 수명을 다할 때까지 처음 프로그램된 기능을 계속 수행해야 했다. 큐브샛의 경우 이와는 달리 우주 과학자들이 프로그램을 변경하여 임무를 바꾸고 개선할 수 있다.

로스 알라모스 국립연구소는 여러 큐브샛을 제작하여 저지구 궤도로 쏘아 올렸다. 로스 알라모스 국립연구소

또한 우주 장비에 더욱 유연하게 접근할 수 있다. 각 임무의 범위가 제한되므로 신속하고 집중적인 개발이 가능하다. 대형 위성은 설계와 제작에 십 년이 걸릴 수 있지만 큐브샛은 1년 내에 가능하다. 또한 지상 시뮬레이션 환경이 아니라 실제 운영 환경에서 더 많이 시험할 수 있어 첨단 기술이 시장에 도입되자마자 바로 통합할 수 있다. 장치와 구성품 역시 대형 플랫폼에 장착하기에 앞서 우주에서 미리 시험할 수 있다. 이러한 시연 및 검증 임무는 위성 크기에 관계없이 장치 설계에 많은 정보를 제공한다.

엔지니어링 혁명

이러한 이유 때문에 소형 위성은 과학자들의 엔지니어링 우주 시스템 접근법에 혁신을 일으키고 있다. 전문가들은 앞으로 6년 동안 무려 2400개의 스몰샛과 큐브샛이 발사될 것으로 추산한다. 과거에는 산업, 정부, 학계가 동일한 비중으로 스몰샛을 사용했으나 곧 상업용 사용이 급증할 것으로 예상되며 향후 3년 사이 발사되는 소형 위성 중 70% 이상이 상업용일 것으로 보인다.

소형 위성은 완벽하지 않다. 대부분의 소형 위성, 특히 큐브샛은 저지구 궤도로 발사되며 이로 인한 마찰력 때문에 고고도 위성보다 빨리 대기권에 재진입하므로 수명이 짧다. 그러나 이러한 단점은 저지구 궤도 진입이 더 용이하고 저렴하며 방사능의 영향을 덜 받는다는 장점이 상쇄한다. 또한 저지구 궤도에서는 목표에 더 가까이 접근하여 이미지 해상도를 높일 수 있고 저출력 통신이 가능하며 통신 대기 시간도 줄일 수 있다.

한편 저지구 궤도 이상의 궤도에서 소형 위성을 활용할 방안을 찾는 정부, 산업, 학계가 늘고 있다. 예를 들어 로스 알라모스의 과학자와 엔지니어들은 소형 위성과 큐브샛을 심우주 및 행성간 탐험에 사용할 방법을 모색하고 있다. 기술적으로 까다로운 이들 임무에 작고 저렴한 위성을 사용할 수 있게 되면 시스템을 다중화하여 기술 위험을 분산시키고 더 많은 곳에서 데이터를 수집할 수 있기 때문이다.

발사의 걸림돌

발사 방법이 제한된다는 문제도 있다. 마치 우버 서비스로 차량을 공유하듯, 소형 위성은 종종 대형 화물과 함께 로켓을 공유해야만 발사할 수 있다. 즉 발사 비용 대부분을 지불한 대형 화물의 궤도 및 일정에 맞춰야 하는 것이다. 발사 지연과 소형 위성 발사 전용 로켓의 부족 때문에 시장 잠재력은 아직 제한된 상태이며 공유할 로켓을 기다리는 스몰샛은 계속 늘고 있다.

시스템 신뢰성도 문제다. 포괄적인 임무 현황 데이터베이스에 따르면 2000년 이후 발사된 큐브샛 중 40%가 목표를 달성하지 못했다. 이는 학생용 프로그램이나 실험용 상업 시스템에게는 허용되는 수치일지 모르나 국가 안보 목표에는 허용될 수 없다. 구성품 및 시험 비용을 소형 위성과 큐브샛 하드웨어의 비용 수준에 맞게 유지하는 동시에 우주 장치에 필요한 신뢰성을 갖추도록 시스템을 제작해야 하는데 이것은 쉬운 일이 아니다.

데이터 프로세스 제한과 규제도 또 다른 걸림돌이다. 보조 화물이 주 화물에 “피해를 주지 않는다”는 것을 증명하기 위해 수많은 서류 작업이 필요하다. 그 후에는 우주 쓰레기 문제와 궤도 외 폐기 요건이 기다리고 있다.

하지만 아마도 가장 큰 걸림돌은 바로 소형 위성만의 장점, 즉 상대적으로 저렴한 가격이다. 큐브샛과 스몰샛은 기술이 발전함에 따라 가격이 계속 떨어질 것으로 예상되는 만큼, 그동안 우주에 접근할 수 없었던 적들을 비롯하여 곧 누구나 우주에 진출할 수 있게 될 것이다.

소련이 스푸트니크를 발사한 후 수십 년 동안 우주는 미국과 소련/러시아 그리고 나중에 합류한 중국, 이 세 나라가 장악했다. 그러나 우주는 나날이 붐비고 있다. 현재 중국, 유럽우주기구, 프랑스, 인도, 이스라엘, 이란, 북한, 러시아, 영국, 우크라이나의 위성이 우주에서 활동 중이다. 소형 위성은 비용이 저렴하기 때문에 그 수가 급증할 것으로 예상된다. 이에 따라 앞으로 10년 뒤 우주에서 누가 무엇을 하고 있을까라는 질문이 제기된다. 불행히도 이에 대한 답은 긍정적이지만은 않다. 우방과 협력한 테러 조직이 정찰용 큐브샛을 제작하여 저지구 궤도에 진입시키는 것을 어렵지 않게 상상할 수 있다. 우주의 접근성이 확대되면서 동맹국과 파트너는 물론 적에게도 더 많은 기회가 열리고 있다.

위험 관리, 협력 강화

가장 큰 과제는 다른 나라보다 더 빠르고 스마트하게 개발해야 한다는 것이다. 미국, 동맹국, 파트너들은 이제 많은 나라들이 우주를 이용하고 있으며 우주 시스템에 복원력과 이중화를 도입하는 것이 군사적으로 우선 전략 과제가 됐다는 것을 인정해야 한다. 한마디로 국가들은 위험을 분산해야 한다. 다행히 분산 컴퓨팅과 머신 러닝의 발전으로 과학자들은 자동 복원 가능한 분산 네트워크를 만들 수 있게 되었다. 수백 개의 위성 중 하나가 손상되더라도 나머지 위성들이 그 역할을 대신할 수 있는 것이다.

또한 기술을 최적화해야 한다. 더 많은 소형 위성들이 그 어느 때보다 많은 데이터를 수집하게 된다면, 다음으로 데이터 처리 방법을 고민해야 한다. 또한 국가가 네트워크 보안을 확보하는 방법, 우주 기상(태양, 태양풍, 근지구 우주, 초고층 대기의 각종 상태 및 상황)에 영향을 받지 않는 위성을 만드는 방법 등 수많은 다른 문제도 해결해야 한다. 로스 알라모스의 경우 수십 년간 축적된 우주 장치 개발 경험, 극한의 우주 환경에 대한 이해, 슈퍼 컴퓨팅 능력을 바탕으로 이들 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다.

하지만 올바른 기술 개발로 충분한 것은 아니다. 미국, 동맹국, 파트너들은 국가뿐만 아니라 국제적인 차원에서 세심히 계획을 수립해야 한다. 국제 사회가 국제 해상 및 비행 경로를 마련했듯이 국제 사회는 우주를 규제하기 위한 협력 방안을 모색해야 한다.

앞으로 몇 십 년 동안 우주는 더욱 붐빌 것이며 우주를 어떻게 이용하느냐에 따라 세계가 바뀔 것이다. 이러한 변화는 빠르게 일어나고 있다. 지구 궤도가 이러한 변화를 더 이상 수용하지 못할 정도에 이르기 전에 국제 사회가 이에 대응할 수 있을 것인가? 그렇다고 답하려면 국가들은 지금부터 문제 해결을 위해 협력해야 한다.