24시간 햇빛은 1년에 98일 끊긴다 — 새벽-황혼 궤도로 몰리는 궤도 데이터센터의 계절 전력

ISSUE 2026 · W31 | 위성 & 궤도기술

천문학자들이 본 인공 고리

Space.com이 7월 20일 보도한 기사에서 천문학자들은 새벽-황혼 궤도에 몰려드는 신청들을 짚었다. 스페이스X의 궤도 데이터센터 구상은 최대 100만 기, 블루 오리진의 프로젝트 선라이즈(Project Sunrise)는 5,400기 규모로 FCC에 신청됐고, 카우보이 스페이스(Cowboy Space)의 스탬피드(Stampede) 역시 같은 궤도를 택했다. 여기에 7월 10일 FCC 승인을 받은 리플렉트 오비탈(Reflect Orbital)의 반사경 위성처럼, 햇빛을 반사해 지상에 보내는 사업도 같은 궤도를 쓴다. 기사에 인용된 유럽남방천문대(ESO, European Southern Observatory) 분석은 반사경 5만 기가 밤하늘 밝기를 최대 300%까지 높일 수 있다고 봤다. 기사는 스타클라우드, 중국의 궤도 데이터센터 계획 등도 함께 언급했다.

버밍엄대의 휴 루이스(Hugh Lewis) 교수는 “궤도 데이터센터와 반사경 사업은 모두 우주에서의 24시간 햇빛에 기대는데, 그러려면 새벽-황혼선을 따라가는 특정 궤도에 있어야 한다”고 설명했다. 그는 이 위성들이 “모두 하나의 궤도면에, 아주 가깝게, 같은 방향으로” 늘어서 밤하늘에 “재앙적” 영향을 줄 것이라고 경고했다. 리자이나대의 서맨사 롤러(Samantha Lawler)는 이 띠가 저녁 6~8시와 새벽 직전에 보이며, 겨울에 영향이 더 크다고 짚었다.

이 글은 밤하늘 문제 자체보다 그 원인에 주목한다. 수많은 사업자가 같은 궤도를 고르는 이유는 궤도역학이 아니라 전력과 열이다. 그리고 그 전력 논리를 궤도역학으로 다시 따져 보면, “24시간 햇빛”이라는 전제에는 계절이라는 단서가 붙는다.

왜 모두 경계선 위를 원하는가

태양동기궤도(SSO, Sun-Synchronous Orbit)는 지구 편평도(J2)가 만드는 궤도면 세차를 이용해, 궤도면이 1년에 한 바퀴 태양을 따라 돌도록 경사각을 맞춘 궤도다. 이 중 승교점 지방시(LTAN, Local Time of Ascending Node)를 06시나 18시로 둔 것이 새벽-황혼 궤도다. 궤도면이 늘 태양 방향과 거의 수직으로 서 있으므로, 위성은 대부분의 기간 지구 그림자에 들어가지 않는다.

전력·열 설계자에게 이것은 거의 이상적인 조건이다. 태양전지판을 궤도면 법선 방향으로 고정하면 회전 구동기 없이도 햇빛을 받고, 반대쪽 면은 늘 태양을 등지므로 복사판을 상시 차가운 쪽에 둘 수 있다. 식이 없으면 배터리는 야간 부하가 아니라 순간 피크만 맡으면 된다. 수십 kW~MW급 연산 부하를 쉬지 않고 돌려야 하는 궤도 데이터센터가 이 궤도를 원하는 것은 당연하다.

“24시간 햇빛”의 계절 단서

문제는 지구 자전축이 공전면에 대해 23.44° 기울어 있다는 점이다. 궤도면 법선과 태양 방향 사이의 각, 곧 β각은 계절에 따라 흔들린다. 고도 550 km 새벽-황혼 SSO(경사각 약 97.6°)를 계산하면, 가장 불리한 지(至) 무렵 β각은 약 59°까지 내려간다. 그런데 이 고도에서 식을 완전히 피하려면 β각이 약 67° 이상이어야 한다. 결과적으로 1년 중 약 98일 동안 식이 생기고, 가장 긴 날에는 95.6분 궤도 중 약 21.7분이 그림자다. LTAN 18시 궤도는 6월 하지 전후, 06시 궤도는 12월 동지 전후가 그 계절이다.

표가 보여 주는 것은, 새벽-황혼 궤도의 “무식” 조건이 고도에 강하게 의존한다는 점이다. 고도를 올릴수록 식은 짧아지지만, 약 1,400 km 이상에서야 연중 무식에 가까워진다. 대규모 성좌가 쓰는 500~600 km대에서는 1년의 약 4분의 1 동안 궤도마다 20분 남짓 어둠이 찾아온다.

지상 데이터센터에서 궤도 데이터센터로

지상 현황. 지상 데이터센터는 전력망과 무정전 전원장치(UPS, Uninterruptible Power Supply), 비상 발전기로 연속 전력을 확보한다. 정전은 예외 상황이고, 냉각은 공기와 물이 맡는다.

우주 적용 시 변화. 궤도에서는 전력망이 없고, 발전원은 태양 하나다. 식은 예외가 아니라 궤도역학이 정해 주는 정기 일정이다. 20분의 식을 연산 부하를 유지한 채 넘기려면 부하 전력 × 20분만큼의 배터리가 필요하고, 그 배터리는 해당 계절 동안 하루 약 15회씩 충방전된다. 반대로 부하를 줄이면 연산 가동률이 계절마다 떨어진다. 냉각도 복사뿐이어서, 식 진입·탈출 때마다 복사판 온도가 흔들린다.

연결 원리. 지상의 UPS가 “드문 정전”에 대비한 보험이라면, 새벽-황혼 궤도의 배터리는 “연 약 100일의 정기 정전”을 위한 필수 설비다. 궤도를 고르는 순간 정전 일정표가 함께 정해진다.

전력·에너지 관점

Point. 새벽-황혼 궤도의 인공 고리는 천문학 문제이기 이전에 전력 최적화가 궤도 공간을 한 줄로 수렴시킨 결과다. 그리고 그 최적화의 전제인 “24시간 햇빛”은 저고도에서 계절 한정이다.

Reason. 각 사업자에게 새벽-황혼 궤도는 개별적으로 합리적인 선택이다. 고정식 태양전지, 상시 그늘진 복사판, 최소 배터리라는 세 가지 이득이 한꺼번에 온다. 그러나 모두가 같은 답을 고르면 궤도 자원은 LTAN 06시·18시라는 좁은 띠로 몰린다. 게다가 이 궤도를 유지하는 것 자체가 전력을 요구한다. 대기 항력으로 고도가 내려가면 J2 세차율이 바뀌어 LTAN이 조금씩 어긋나고, 어긋날수록 β각이 줄어 식이 길어진다. 고도와 경사각을 지키는 추진, 특히 전기추진은 결국 태양전지 출력에서 나온다.

Example. 550 km 새벽-황혼 궤도에 연산 부하 100 kW를 싣는 위성을 가정해 보자. 식 21.7분을 부하 유지로 넘기려면 약 36 kWh의 가용 배터리 에너지가 필요하다. 방전심도(DoD, Depth of Discharge)를 저궤도 관행에 가까운 30%로 잡으면 공칭 용량은 약 120 kWh로 늘어난다. 셀 수준 비에너지를 200 Wh/kg로 가정해도 셀만 약 600 kg이다. 게다가 태양전지는 햇빛 구간 약 74분 동안 부하와 재충전을 함께 감당해야 하므로 그만큼 커진다. 반대로 식 계절에 부하를 끄기로 하면 배터리는 줄지만, 연 약 98일 동안 궤도마다 약 23%의 연산 시간을 잃는다. “배터리 질량 증가 → 발사 질량 증가”와 “가동률 저하 → 더 많은 위성”이라는 두 순환 중 하나를 골라야 한다.

Point. 그러므로 새벽-황혼 궤도의 진짜 설계 변수는 “식이 없다”가 아니라 “식 계절을 무엇으로 넘기느냐”다. 그리고 모두가 같은 띠를 쓰는 한, 그 답은 궤도 혼잡이라는 비용과 함께 청구된다.

반론과 제약. 고도를 1,400 km 이상으로 올리면 식 문제는 거의 사라진다. 그러나 그 고도대는 내부 밴앨런대 영향이 커져 태양전지 방사선 열화와 전자장비 단일사건효과 위험이 커지고, 수명 종료 후 자연 재진입에는 매우 긴 시간이 걸린다. Worst-case로 보면, 좁은 LTAN 띠 안에서 파편화 사건이 한 번 생길 경우 파편은 처음에 모체와 비슷한 궤도면에 머물러 같은 띠의 다른 위성들을 위협하고, 회피 기동이 늘수록 추진 전력과 가동 중단 시간이 함께 늘어난다. 이 파급의 정량 평가는 공개 자료에서 확인되지 않았다.

지상 시험과 우주 환경의 괴리. 지상 태양 모사기 시험은 고정 입사각에서 태양전지 출력을 검증하지만, 계절 따라 β각이 59°~90° 사이를 오가는 궤도의 입사각 변화와 식 진입·탈출의 열충격 반복을 한 번에 재현하지 못한다. 궤도 데이터센터의 계절별 가동률은 실제 비행 데이터가 나오기 전까지 설계 추정치로 읽어야 한다.

정리하면 새벽-황혼 궤도는 햇빛을 사는 대신 궤도 공간을 한 줄로 쓰는 선택이며, 그 햇빛조차 1년의 4분의 1은 조건부다.