스타링크 위성은 수명이 끝나면 어떻게 사라지나 — 배터리 폭발을 막는 패시베이션

기획 · 궤도 위의 전기 3/6 | 위성 & 궤도기술

스타링크 위성 추락은 사고인가, 계획된 재진입인가

스페이스X(SpaceX)의 설명대로라면 스타링크 위성의 퇴장은 대부분 계획된 절차다. 회사는 위성을 고도 600 km 아래에서 운용하며, 이 고도에서는 고장 난 위성도 대기 항력으로 5년 이내에 내려온다고 밝혔다. 조종 불능 위험이 커진 위성은 미리 골라 내려보낸다. 2024년 2월 문서에 따르면 초기형 위성 약 100기의 원궤도 통제 하강은 대부분 약 6개월이 걸리고, 그동안 기동과 충돌 회피 능력을 유지한다. 설계 수명과 대량 폐기·고도 하향 계획은 메가컨스텔레이션 위성의 수명은 왜 5년인가에서 다뤘다.

계획에서 벗어난 추락도 있었다. 2024년 7월 11일 팰컨 9(Falcon 9) 2단 엔진 이상으로 위성들이 근지점 135 km 궤도에 풀려 모두 재진입했다. 스페이스X는 그중 한 위성의 알루미늄 부품(2.5 kg)이 캐나다의 한 농장에서 발견됐다고 밝혔다. 미국 항공우주국(NASA, National Aeronautics and Space Administration)과 ESA의 해석 도구가 모두 완전 소멸을 예측했던 부품으로, 회사가 아는 한 유일하게 다 타지 않은 스타링크 파편이다.

스페이스X는 2025년 2월 문서에서, 먼 바다 위로 떨어뜨리는 표적 재진입(targeted reentry)을 하려면 고도 약 125 km까지 자세 제어를 유지해야 한다고 적었다. 초기형(V1) 위성은 이 과정에서 추력 대신 태양전지판을 조절해 항력을 바꾸고, V2 mini와 V3도 표적 재진입이 가능하게 설계됐다. V2 mini는 재진입 뒤 질량의 약 5%가 남을 수 있다고 예측됐다. 표적 재진입 위성은 거의 마지막까지 전기가 살아 있는 채 내려온다는 뜻이다.

위성 패시베이션이란 — 규정은 배터리에 무엇을 요구하나

패시베이션(passivation)은 임무를 마친 위성이나 로켓 상단에 남은 저장 에너지를 없애거나 안전하게 묶어 두는 작업이다. 국제표준화기구(ISO, International Organization for Standardization)의 ISO 24113:2023은 이를 “우발적 파편화를 일으킬 수 있는 모든 탑재 저장 에너지원을 영구히 고갈시키거나, 되돌릴 수 없게 비활성화하거나, 안전하게 만드는 행위”로 정의한다(ESA 문서 인용, 요지). 같은 원칙이 유엔 우주공간평화이용위원회, 국제우주잔해조정위원회(IADC, Inter-Agency Space Debris Coordination Committee), NASA·ESA, 미국 연방통신위원회(FCC, Federal Communications Commission) 문서에 각기 다른 문구로 담겨 있다(2026년 9월 기준).

유엔 지침과 FCC 규정은 ‘방전’이라는 결과를 말하고, IADC·NASA·ESA의 기술 문서는 ‘충전 경로 차단’과 ‘향후 충전 방지’라는 수단을 앞에 둔다. FCC가 말하는 ‘영구’ 방전도 다시 충전되지 않아야 성립한다. 한 번 비우는 일보다 다시 차지 않게 하는 일이 핵심이다.

제약도 있다. ESA 보고서는 패시베이션 여부를 현재 관측으로는 신뢰성 있게 판별할 수 없어 폐기 준수율 통계에서 뺀다. 충전 경로 차단은 궤도에 흔적을 남기지 않으니, 준수 여부는 운영자의 설계와 신고에 기댄다.

배터리는 왜 파편의 씨앗이 되나

ESA 보고서(2026년 9월 8일 판)는 2025년 말까지 확인된 궤도상 파편화를 661건으로 집계했다. 원인별 비중에서 전기 계통은 전체 기간 4.76%, 최근 10년 7.78%였고, 보고서는 이 범주의 대부분이 배터리 과충전과 뒤이은 폭발이라고 설명한다. 과충전(overcharge)·과열·단락(short circuit)·과방전(over-discharge)·구조 손상은 모두 열폭주(thermal runaway, 내부 발열이 스스로 가속되는 현상)를 거쳐 파열로 갈 수 있다. IADC 지침 해설서(지원 문서, 2026년 5월 6판)도 10건 넘는 우발적 위성 파편화가 배터리 파열에서 비롯됐다고 정리한다.

대표 사례가 미국 국방기상위성 프로그램(DMSP, Defense Meteorological Satellite Program)의 F13이다. 1995년 발사된 약 850 kg의 이 위성은 2015년 2월 3일 고도 약 840 km에서 산산조각 났다. NASA 궤도잔해 프로그램 사무국(ODPO, Orbital Debris Program Office)은 원격측정 예비 분석상 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 배터리 한 개의 폭발로 보인다고 적었다. 같은 해 7월 미 공군 제50우주비행단은 배터리 충전기 고장을 유력한 원인으로 꼽았다. 충전 조립체의 배선 묶음(하네스)이 오랜 압축으로 손상돼 단락이 생기고, 과충전 끝에 배터리가 파열됐을 가능성이 있다는 설명이다.

퇴역 뒤에 터진 사례도 있다. 미국 해양대기청(NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration)의 기상위성 NOAA-16은 2014년 6월 퇴역하고 약 1년 5개월 뒤인 2015년 11월 파편화했고, ODPO는 배터리 고장 가능성을 언급했다. DMSP-F13의 교훈은 단순하다. 과충전은 충전 전류가 들어와야 일어나고, 궤도에서 그 전류의 원천은 대개 태양전지판이다.

태양전지판은 끌 수 없는 발전기다

지상 현황부터 보자. 지상 장비는 차단기를 내리면 발전원과 배터리가 갈라지고, 비운 배터리는 충전기를 꽂기 전까지 빈 채로 남는다. 우주에서는 발전원의 위치가 바뀐다. 태양전지판은 위성 몸체에 붙어 있고, 빛을 받는 동안에는 명령과 상관없이 전류를 만든다. 저궤도에서는 대개 한 바퀴마다 해가 다시 뜨므로, 배터리를 비워도 충전 경로가 살아 있으면 다음 일조 구간에 다시 채워진다. 연결 원리는 하나다. 에너지를 0으로 만드는 일보다 발전원과 저장소 사이의 길을 끊는 일이 먼저다.

NASA-STD-8719.14C는 태양전지판을 배전계에서 분리하는 것을 전력계 패시베이션의 선호 방식으로, 배터리를 충전 회로에서 떼는 것을 차선책으로 둔다. 배터리에 연결된 부하가 고장 나면 충전 회로가 살아 있는 한 배터리가 다시 충전될 수 있다는 이유다. IADC 지원 문서는 충전 라인을 끄는 릴레이와 히터 같은 큰 부하로 배터리를 비우는 방식을 권하되, 너무 깊은 방전은 셀 특성이 고르지 않으면 일부 셀의 극성 역전(cell reversal)을 부를 수 있다고 경고한다. 목표는 ‘0까지 비우기’가 아니라 ‘안전한 수준에서 다시는 차지 않게’다.

이 기능은 퇴역하는 날 덧붙일 수 없다. IADC 지원 문서에 따르면 충전 라인 분리 기능은 프랑스 SPOT(Satellite Pour l’Observation de la Terre) 플랫폼에 들어가 SPOT 1 패시베이션에 쓰였지만, 통신위성과 많은 소형위성에는 대개 없다. 릴레이를 하나만 두면 잘못된 명령 한 번이 단일 고장점이 되므로 병렬 릴레이가 대안으로 제시된다. NASA 표준이 요구사항 4.4-2에서 패시베이션 능력을 ‘설계에’ 넣으라고 한 이유다.

전력·에너지 관점

Point. 위성의 마지막 임무는 전기로 궤도를 떠나는 일과 남은 에너지를 안전하게 묶는 일을 같은 전력계가 차례로 해내는 작업이다. 떠나려면 마지막까지 전력이 필요하고, 떠난 뒤에는 에너지가 다시 쌓이면 안 된다.

Reason. 하강에 쓰는 홀 추력기(Hall thruster, 전기로 가스를 이온화해 뿜는 추력기)는 추진제와 함께 전기를 먹는다. 자세 제어, 명령 수신, 추진제 배출 밸브도 전기로 움직인다. IADC 지원 문서가 로켓 상단의 추진제 배출에 밸브 작동을 유지할 충분한 전력을 권고한 것도 같은 맥락이다. 반면 패시베이션은 그 전력의 원천인 태양전지판과 배터리의 연결을 끊으라고 요구한다. 두 요구가 같은 하드웨어에 걸려 있으니 순서가 곧 설계다.

Example. 550 km 원궤도에서 200 km까지 내려가는 속도 변화(Δv)를 계산했다(가정, 경계 조건(BC, Boundary Condition) 주석 참조). 스페이스X가 밝힌 원형 하강처럼 원궤도를 유지하며 나선으로 내려오면 약 199 m/s로, 근지점만 한 번에 낮추는 단발 연소(약 99 m/s)의 두 배다. 추력이 작은 전기추진은 이 Δv를 적은 추진제로 얻는 대신 긴 시간과 전력으로 치른다. 보도된 회사 설명으로는 V2 mini의 아르곤 홀 추력기는 1세대 크립톤 추력기보다 추력이 2.4배, 추진제의 연비에 해당하는 비추력(Isp, specific impulse)이 1.5배다. 분사 전력은 추력과 배기 속도의 곱에 비례하므로, 효율이 같다고 가정하면 약 3.6배의 전력을 쓰는 셈이다. 절대값은 공개 자료에 없어 하강 전력량은 계산하지 않았다.

Point. 그래서 위성의 진짜 수명은 배터리가 죽는 날이 아니라, 떠날 만큼의 전력과 추진제, 스스로를 끌 능력이 함께 남은 마지막 날에 끝난다. FCC가 임무 종료를 ‘충돌 회피 기동이 더는 불가능해진 시점’으로 정의하고, 스페이스X가 조종 불능 위험이 커진 위성을 미리 내리는 것도 같은 날짜를 가리킨다.

반론과 제약. 낙관적으로 보면 저궤도는 스스로 청소된다. 최악은 하강 도중 명령 계통이 먼저 멈추는 경우다. 위성은 패시베이션도 표적 재진입도 못 한 채 충전 경로가 살아 있는 배터리를 안고, 스페이스X 설명 기준 최대 5년을 자연 하강한다. 2024년 2월 문서에서도 통제 하강을 시작한 406기 중 17기가 조종 불능 상태로 자연 하강 중이었다(이들의 명령 계통과 배터리 상태는 공개되지 않았다). 충전 경로가 살아 있다면 그 기간 내내 DMSP-F13 같은 과충전 위험이 남는다. ESA 요구사항 수준(성공 확률 0.90 이상)을 맞추려 하면 릴레이·명령선 이중화 → 전력계 질량 증가 → 같은 하강 Δv에 드는 추진제와 추력기 가동 시간 증가 → 태양전지판·배터리 여유 증가 → 질량 재증가 → 발사 비용 증가로 이어진다.

지상 시험과 우주 환경의 괴리. 지상 시험은 정해 둔 조건을 한정된 기간만 재현한다. 궤도에서 패시베이션을 마친 위성은 자세 제어 없이 굴러가며 햇빛과 그림자를 불규칙하게 오가고, 진공이라 열은 복사와 전도로만 빠진다. IADC 지원 문서는 무제어 자세의 열 순환이 내부 발열이나 열폭주를 부를 수 있고 장기 인증 자체가 어렵다고 적는다. 재진입도 같다. 스페이스X는 플라스마 챔버에서 회로기판 소멸 시험을 하지만, 2024년 파편 발견 뒤 기존 도구가 큰 구조물에 붙은 작은 부품의 가열률을 정확히 예측하지 못한다고 보고 해석을 보정했다. 지상 시험과 해석을 통과해도 궤도와 재진입의 거동은 확언할 수 없다.

정리하면 위성의 조용한 퇴장은 마지막까지 전기를 쓰는 능력과 마지막에 전기를 끊는 능력을 처음부터 함께 설계해야만 가능하다. 재진입 뒤 남을 수 있는 V2 mini 질량의 약 90%가 태양전지 실리콘이라는 스페이스X의 예측은, 끝까지 끌 수 없던 발전기의 재료가 가장 늦게까지 남는다는 뜻이다(스페이스X는 이 조각의 충돌 에너지가 1 J보다 훨씬 작다고 본다).