피할 수 없는 5 cm — 정지궤도의 미등록 파편이 태양전지 마진을 다시 계산하게 만든다

ISSUE 2026 · W28 | 위성 & 궤도기술

DebrisWatch II는 무엇을 찾았나

워릭대 보도자료에 따르면 연구 제목은 “DebrisWatch II: Digging Deeper for Geosynchronous Debris”이며, 학술지 The Journal of the Astronautical Sciences에 2026년 6월 24일 게재됐다. 제1저자는 워릭대의 제임스 블레이크(James Blake)이고, 같은 대학의 벤 쿡(Ben Cooke), 영국 국방과학기술연구소(Dstl, Defence Science and Technology Laboratory)의 윌 펠라인(Will Feline), SJE Space의 스튜어트 이브스(Stuart Eves)가 참여했으며 호주국립대와 일본 우주항공연구개발기구(JAXA, Japan Aerospace Exploration Agency) 연구자들이 협력했다. 연구비는 영국 과학기술시설위원회(STFC, Science and Technology Facilities Council)가 지원했다.

연구진은 스페인 카나리아 제도 라팔마의 2.54 m 아이작 뉴턴 망원경(INT, Isaac Newton Telescope) 보관 자료를 다시 분석했다. 사용한 기법은 “블라인드 스태킹”이다. 대상의 궤적을 미리 알지 못한 상태에서 가능한 여러 이동 경로를 가정하고, 각 경로를 따라 연속 영상을 겹쳐 더한다. 실제로 그 경로를 따라 움직이는 천체가 있다면 신호가 누적돼 잡음 위로 떠오른다. 그 결과 원래 분석에서 놓쳤던 25개의 검출을 새로 찾았고, 크기 5 cm 수준까지 내려가는 파편을 확인했다. 연구진은 어두운 천체의 거의 80%가 공개 목록에 기록돼 있지 않았고, 상당수가 텀블링(회전)하고 있다고 밝혔다.

블레이크는 파편끼리의 상대 속도가 “초속 수 km”에 이를 수 있다고 설명했고, 보도자료는 정지궤도 파편을 “잠재적 지뢰밭”으로 표현했다. 핵심은 숫자의 크기가 아니라 성격이다. 25개라는 검출 수는 정지궤도 전체 파편 개수를 뜻하지 않는다. 한 망원경의 제한된 시야와 관측 시간에서 찾은 표본이며, 보이지 않던 층이 존재한다는 증거다.

목록에 없는 파편은 피할 수 없다

충돌 회피 기동은 목록을 전제로 한다. 추적망이 파편의 궤도를 알고 있어야 근접 접근을 예측하고, 위성은 추진제를 써서 비켜 간다. 저궤도에서는 이 방식이 대규모로 운용되고 있다. 그러나 목록에 없는 물체와의 접근은 경보 자체가 발생하지 않는다. 이때 위성이 가진 방어 수단은 두 가지뿐이다. 구조가 맞고도 기능을 유지하는 것, 그리고 기능 일부를 잃어도 나머지로 버티는 것이다.

정지궤도 위성에서 가장 넓은 면적을 차지하는 부품은 태양전지 날개다. 날개폭이 30 m를 넘는 대형 방송·통신위성이 흔하고, 날개는 태양을 따라 하루 한 바퀴 회전하므로 모든 방향에 대해 단면적을 드러낸다. 따라서 미등록 소형 파편의 위험은 대부분 전력계로 흘러간다. 셀 몇 장의 파손은 스트링 하나의 출력 손실로, 하네스나 태양전지 구동기구(SADM, Solar Array Drive Mechanism)의 손상은 날개 한 쪽 전체의 손실로 이어질 수 있다.

표가 보여 주는 대비는 분명하다. 저궤도의 파편 문제는 시간이 일부를 해결하지만 정지궤도에서는 해결 주체가 위성 자신밖에 없다. 그리고 GEO 처분은 수명 말에 추진기와 전력계가 모두 살아 있어야 가능하므로, 파편 충돌로 전력을 잃은 위성은 스스로 무덤궤도로 올라가지 못하고 새로운 파편 공급원이 된다.

지상 관측에서 궤도 설계로

지상 현황. 지상 천문학에서 영상 스태킹은 어두운 은하를 찾는 익숙한 기법이다. 대상이 하늘에 고정돼 있으므로 영상을 그대로 겹치면 된다. 이번 연구는 그 기법을 “움직이는 미지의 대상”으로 확장했고, 새 관측 없이 보관 자료만으로 결과를 냈다.

우주 적용 시 변화. 그러나 지상에서 보인다는 것과 궤도에서 피할 수 있다는 것은 다른 문제다. 텀블링하는 5 cm 파편은 반사 밝기가 계속 바뀌어 연속 추적과 궤도 결정이 어렵고, 궤도 결정 정밀도가 낮으면 회피 기동 판단에 쓸 수 없다. 설계자에게 이 결과는 “앞으로 목록이 좋아질 것”이 아니라 “당분간은 목록 밖 위험을 전제로 설계하라”는 신호로 읽힌다.

연결 원리. 검출 능력이 향상되면 위험의 존재는 확인되지만 회피 가능성은 목록화와 궤도 결정이 뒤따라야 생긴다. 그 간극 동안의 위험은 설계 마진, 특히 전력 마진이 흡수한다.

전력·에너지 관점

Point. 정지궤도에서 미등록 소형 파편의 위험은 추진제 예산이 아니라 태양전지 전력 마진으로만 흡수된다. 그리고 그 마진은 출력이 큰 위성일수록 더 비싸다.

Reason. 회피할 수 없는 충돌은 확률적 손실로 설계에 들어간다. 어레이는 이미 방사선·자외선·열순환에 따른 수명 말 열화를 감안해 크게 만들어지는데, 여기에 스트링 손실 여유를 추가로 얹어야 한다. 셀 효율이 같다면 출력은 면적에 비례하고 충돌 노출도 면적에 비례한다. 즉 “출력 증가 → 어레이 면적 증가 → 표적 면적 증가 → 스트링 손실 여유 증가 → 어레이 면적 추가 증가 → 질량과 발사 부담 증가”의 순환이 생긴다.

Example. 출력 20 kW급 GEO 위성의 어레이 면적을 약 60~70 m²로 가정하면 1 kW당 약 3 m²의 표적 면적이 붙는다. 어레이가 200개 스트링으로 구성된다고 가정하면 스트링 하나의 손실은 약 100 W, 전체의 0.5%다. 셀 파손은 이렇게 점진적 손실로 끝나지만, 전력 하네스나 SADM 부근에 맞으면 날개 한 쪽, 곧 출력의 절반이 사라질 수 있다. 에너지 측면에서도 작은 파편이 결코 작지 않다. 지름 5 cm 알루미늄 구(약 177 g)를 가정하면 0.8 km/s에서 약 57 kJ, 3 km/s에서 약 0.8 MJ다. 얇은 판 조각(약 6.8 g)이라도 3 km/s에서는 약 30 kJ로 셀과 기판을 관통하기에 충분하다.

Point. 그래서 DebrisWatch II의 의미는 “파편이 더 있다”는 발견을 넘어, GEO 전력 설계에서 스트링 여유와 전력 경로 이중화의 기준을 다시 보게 만든다는 데 있다. 이는 수명 말 무덤궤도 처분에 필요한 전력을 지키는 일과도 직결된다.

반론과 제약. 25개 검출은 제한된 시야의 표본이므로 GEO 전체의 공간 밀도로 확대하면 과대평가가 될 수 있다는 반론이 가능하다. 실제로 이 글은 충돌 확률을 계산하지 않았다. 그러나 Worst-case 관점에서 보면 기준은 달라진다. 2024년 10월 인텔샛 33e 분해처럼 GEO 인근에서 대형 분해 사건이 한 번 일어나면 소형 파편의 개체수는 관측 보고보다 먼저 늘어난다. 정지궤도는 IADC(Inter-Agency Space Debris Coordination Committee) 가이드라인과 ISO 24113(ECSS-U-AS-10C로 채택)이 보호영역으로 정한 궤도다. 보호영역 안의 위험이 가장 늦게 보이고 가장 오래 남는다는 점에서 설계는 표본보다 보수적이어야 한다.

지상 시험과 우주 환경의 괴리. 태양전지 쿠폰의 초고속 충돌 시험은 지상 경가스총으로 수 km/s까지 재현할 수 있지만, 시험은 대개 상온·단일 각도·정지 표적 조건이다. 궤도에서는 셀이 약 100 K 이상의 온도 스윙을 겪고 10^-6 Torr 이하 진공에서 전압이 걸린 채 맞는다. 충돌로 생긴 플라스마가 인접 셀 사이 전위차를 따라 지속 방전으로 번지는 현상은 전압이 걸린 상태에서만 나타나므로, 무전압 쿠폰 시험 결과를 궤도상 스트링 손실률로 확언할 수 없다.

정리하면 보이지 않던 5 cm가 보이기 시작한 순간, 정지궤도 위성의 전력 마진은 방사선 열화에 더해 충돌 손실까지 떠안아야 하는 예산이 됐다.