MIT 항공우주 엔지니어들은 온실 가스 배출로 인해 지구 근처 우주의 환경이 시간이 지남에 따라 지속 가능하게 운영할 수 있는 위성의 수가 감소하는 방식으로 변화하고 있다는 것을 발견했습니다.

오늘  Nature Sustainability 에 게재된 연구 에서  연구자들은 이산화탄소와 기타 온실 가스가 상층 대기를 수축시킬 수 있다고 보고했습니다. 특별히 관심을 끄는 대기층은 열권으로, 국제 우주 정거장과 대부분의 위성이 오늘날 궤도를 돌고 있습니다. 열권이 수축하면 밀도가 감소하여 대기 저항이 감소합니다. 이 힘은 오래된 위성과 기타 파편을 공기 분자와 마주치고 타버릴 고도로 끌어내립니다.

따라서 항력이 감소하면 우주 쓰레기의 수명이 늘어나고, 이는 수십 년 동안 인기 있는 지역에 흩어져 궤도에서 충돌할 가능성이 커집니다.

연구팀은 저궤도의 "위성 운반 용량"을 추정하기 위해 탄소 배출이 상층 대기와 궤도 역학에 어떤 영향을 미치는지에 대한 시뮬레이션을 수행했습니다. 이러한 시뮬레이션은 2100년까지 온실 가스의 영향으로 가장 인기 있는 지역의 운반 용량이 50-66% 감소할 수 있다고 예측합니다.

MIT 항공우주학과(AeroAstro)의 준교수이자 연구 저자인 리처드 리나레스는 "지난 100년 동안 지구에서 우리가 온실 가스에 대해 보인 행동은 앞으로 100년 동안 우리가 위성을 운영하는 방식에 영향을 미치고 있습니다."라고 말했습니다.

AeroAstro의 대학원생이자 주저자인 윌리엄 파커는 "기후 변화가 현상 유지를 방해하면서 상층 대기는 취약한 상태에 있습니다."라고 덧붙였습니다. "동시에, 특히 우주에서 광대역 인터넷을 제공하기 위해 발사된 위성의 수가 엄청나게 증가했습니다. 우리가 이 활동을 신중하게 관리하고 배출량을 줄이기 위해 노력하지 않는다면, 우주가 너무 혼잡해져 충돌과 파편이 더 많아질 수 있습니다."

이 연구에는 버밍엄 대학의 매튜 브라운이 공동 저자로 참여했습니다.

하늘이 떨어진다

열권은 태양의 규칙적인 활동 주기에 대응하여 11년마다 자연스럽게 수축하고 확장합니다. 태양의 활동이 낮을 때 지구는 복사선을 덜 받고, 가장 바깥쪽 대기는 일시적으로 식고 수축한 후 태양 극대기 동안 다시 확장됩니다.

1990년대에 과학자들은 열권이 온실 가스에 어떤 반응을 보일지 궁금해했습니다. 그들의 예비 모델링은 가스가 지구 온난화와 날씨를 경험하는 하층 대기에 열을 가두는 반면, 동일한 가스가 훨씬 더 높은 고도에서 열을 방출하여 열권을 효과적으로 냉각한다는 것을 보여주었습니다. 이러한 냉각으로 연구자들은 열권이 수축되어 높은 고도의 대기 밀도가 감소할 것이라고 예측했습니다.

지난 10년 동안 과학자들은 위성의 항력 변화를 측정할 수 있었는데, 이를 통해 열권이 태양의 자연스러운 11년 주기보다 더 큰 요인에 반응하여 수축하고 있다는 증거를 얻을 수 있었습니다.

"하늘이 말 그대로 무너지고 있습니다. 수십 년의 규모로 말입니다." 파커가 말했다. "그리고 우리는 위성의 저항이 어떻게 변하는지를 통해 이를 볼 수 있습니다."

MIT 팀은 그러한 대응이 지구 궤도에서 안전하게 작동할 수 있는 위성의 수에 어떤 영향을 미칠지 궁금했습니다. 오늘날 지구 표면에서 최대 1,200마일(2,000km) 떨어진 우주 영역을 설명하는 저궤도를 표류하는 위성은 10,000개가 넘습니다. 이러한 위성은 인터넷, 통신, 내비게이션, 기상 예보, 뱅킹을 포함한 필수 서비스를 제공합니다. 최근 몇 년 동안 위성 수가 급증하여 운영자는 안전을 유지하기 위해 정기적으로 충돌을 피하는 기동을 수행해야 했습니다. 충돌이 발생하면 수십 년 또는 수백 년 동안 궤도에 남아 있는 파편이 생성되어 오래된 위성과 새로운 위성 모두와 후속 충돌할 가능성이 높아집니다.

파커는 "지난 5년 동안 발사된 위성의 수는 지난 60년을 합친 것보다 많습니다."라고 말합니다. "우리가 이해하려고 하는 핵심 사항 중 하나는 오늘날 우리가 가고 있는 길이 지속 가능한지 여부입니다."

혼잡한 조개

연구자들은 새로운 연구에서 대기 밀도와 항력에 미치는 영향을 조사하기 위해 다음 세기에 걸쳐 다양한 온실 가스 배출 시나리오를 시뮬레이션했습니다. 그런 다음 관심 있는 고도 범위인 각 "쉘"에 대해 쉘 내의 개체 수에 따라 궤도 역학과 위성 충돌 위험을 모델링했습니다. 그들은 이 접근 방식을 사용하여 각 쉘의 "수용 능력"을 식별했습니다. 이는 일반적으로 생태계가 부양할 수 있는 개체 수를 설명하는 데 생태학 연구에서 사용되는 용어입니다.

파커는 "우리는 그 운반 능력 아이디어를 우주의 지속 가능성 문제로 해석하여 저궤도가 얼마나 많은 위성을 유지할 수 있는지 파악하고 있습니다."라고 설명했습니다.

연구팀은 여러 시나리오를 비교했습니다. 하나는 온실 가스 농도가 2000년 수준을 유지하는 시나리오이고 다른 하나는 기후 변화에 관한 정부 간 패널(IPCC) 공유 사회경제적 경로(SSP)에 따라 배출량이 변화하는 시나리오입니다. 그들은 배출량이 지속적으로 증가하는 시나리오가 저궤도 전체에서 운반 능력이 상당히 감소하는 결과를 초래한다는 것을 발견했습니다.

특히, 연구팀은 이 세기 말까지 200km와 1,000km 고도에 안전하게 수용되는 위성의 수가 배출량이 2000년 수준으로 유지되는 시나리오와 비교했을 때 50~66% 감소할 수 있다고 추정합니다. 위성 용량이 초과되면, 지역 지역에서도 마찬가지인데, 연구자들은 그 지역이 "폭주 불안정성"을 겪거나 충돌의 연쇄로 인해 너무 많은 파편이 생겨 위성이 더 이상 안전하게 작동할 수 없을 것이라고 예측합니다.

그들의 예측은 2100년까지 예상되지만, 연구팀은 오늘날 대기 중의 특정 껍질이 이미 위성으로 가득 차고 있다고 말한다. 특히 SpaceX의 Starlink와 같이 수천 개의 작은 인터넷 위성 함대로 구성된 최신 "메가콘스텔레이션"의 위성이 그렇다.

"메가콘스텔레이션은 새로운 트렌드이고, 우리는 기후 변화로 인해 궤도 용량이 감소할 것임을 보여주고 있습니다." 리나레스가 말했습니다. "그리고 지역적으로는 오늘날 이 용량 값에 가까워지고 있습니다."

"우리는 잔해를 청소하기 위해 대기에 의존합니다. 대기가 변하면 잔해 환경도 변할 것입니다." 파커가 덧붙여 말했습니다. "우리는 궤도 잔해에 대한 장기적 전망이 온실 가스 배출을 억제하는 데 크게 달려 있음을 보여줍니다."

이 연구는 미국 국가과학재단, 미국 공군, 영국 자연환경연구위원회의 지원을 받아 진행되었습니다.