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케슬러 증후군

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목차

1. 개요

케슬러 증후군은 우주 파편의 밀도가 증가하여 연쇄적인 충돌을 유발, 더 많은 파편을 생성하는 현상을 말한다. 1970년대 NASA 과학자 도널드 케슬러가 처음 제시했으며, 인공위성 파괴 실험과 위성 간 충돌 등으로 인해 우주 파편이 증가하면서 현실적인 위협으로 부상했다. 이로 인해 지구 저궤도의 우주 활동이 불가능해질 수 있으며, 일부 학자들은 외계 생명체 탐색의 난관으로 제시하기도 한다. 현재는 파편 감소를 위한 가이드라인 제정 및 능동적인 제거 기술 개발이 진행 중이며, 대중문화에서도 이 현상을 소재로 다루고 있다.

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케슬러 증후군
개요
이름케슬러 증후군
다른 이름케슬러 효과, 연쇄 충돌
원인우주 쓰레기 간의 충돌
결과우주 공간 이용의 어려움
제안된 해결책우주 쓰레기 제거, 우주선의 설계 개선
상세 정보
설명지구 궤도를 도는 물체들의 밀도가 높아져 물체 간 충돌이 발생, 그 결과 더 많은 우주 쓰레기가 생성되어 추가적인 충돌 가능성을 높이는 연쇄 반응
영향인공위성 운영의 위험 증가
유인 우주 탐사의 위험 증가
지구 저궤도 접근의 어려움
역사
최초 제안도널드 J. 케슬러 (1978년)
해결 방안
능동적 제거 기술레이저를 이용한 우주 쓰레기 제거
그물 또는 로봇 팔을 이용한 포획
설계 개선수명이 다한 위성의 궤도 이탈 유도
추가 정보
위험성 평가우주 개발의 지속 가능성에 대한 심각한 위협으로 간주됨

2. 역사

우주 파편은 서로 또는 인공위성 등에 충돌하여 새로운 파편을 생성한다. 파편의 밀도가 일정 수준을 넘으면 연쇄 충돌로 이어져 파편이 기하급수적으로 증가하는 현상을 케슬러 증후군이라고 한다.

=== 초기 연구 (NORAD, Gabbard, Kessler) ===

1957년 스푸트니크 1호 발사 이후, 북미항공우주방위사령부(NORAD)는 궤도에 있는 모든 물체(위성, 보호막, 로켓 추진체 등)에 대한 데이터베이스(우주 물체 목록)를 구축했다.[5] 1970년대에 NORAD 데이터베이스가 공개되자, 미국 항공 우주국(NASA)의 도널드 J. 케슬러는 이를 분석하여 우주 파편 충돌 빈도를 연구했다.

1978년 케슬러와 버턴 코르-팔레는 논문을 통해 우주 파편 충돌이 연쇄 반응을 일으킬 수 있다는 "케슬러 증후군"을 처음 제시했다.[3] 그들은 2000년경에는 우주 파편이 우주선의 주요 위험 요소가 될 것이라고 예측했다.[7]

Debris graph of altitude and orbital period
2000년 3월 11일 중국 창정 4호 로켓 파편의 Gabbard 다이어그램


NORAD 직원 존 개바드는 궤도 내 폭발로 인한 파편을 추적하는 기술(개바드 다이어그램)을 개발했다.[6] 1978년 논문 발표 후 인터뷰에서 개바드는 파편 축적 현상을 "케슬러 증후군"이라고 명명했으며,[7] 이 용어는 1982년 ''인기 과학'' 기사를 통해 널리 알려졌다.[7]

Large camera, with a man standing next to it for scale
베이커-넌 카메라는 우주 쓰레기 연구에 널리 사용되었다.
[7]

=== 후속 연구 ===

초기 연구 결과, 발표된 우주 물체의 수는 실제보다 최소 50% 과소 평가되었다. 이는 NORAD 데이터베이스에 일부 물체(주로 미국 군사 우주선)가 누락되었거나, 20cm 미만의 작은 물체는 제대로 추적되지 않았기 때문이다.[7]

회수된 우주선을 조사한 결과, 미세 충돌로 인한 구멍이 발견되었다. 이를 통해 쓰레기 밀도가 예상보다 높고, 저궤도에서 이미 케슬러 증후군이 나타나고 있다는 사실이 밝혀졌다.[7]

1978년, 케슬러는 목록에 있는 쓰레기의 42%가 19건의 사건, 주로 사용된 로켓(특히 미국의 델타 로켓) 폭발로 인해 발생했음을 발견했다. 1979년, NASA는 궤도 잔해 프로그램을 설립했고, 1986년부터 국제 기관으로 확대했다.[8]

1980년대 미국 공군(USAF)의 실험을 통해 큰 덩어리의 파편이 생성되는 과정이 확인되었다.[7] 1991년 케슬러는 1kg 이상의 파편이 충돌 시 우주선을 파괴하고 더 많은 파편을 만들 수 있다고 경고했다. 미국 국립 과학 아카데미는 10km/s로 충돌하는 1kg 물체가 1,000kg의 우주선을 치명적으로 파괴할 수 있다고 설명했다.

케슬러는 이 문제를 세 가지 단계로 나누었다.

1. 밀도가 낮으면 충돌에 의한 파편 추가가 감소 속도보다 느려 문제 없음.

2. 임계 밀도에서는 추가 파편이 추가 충돌을 유발.

3. 임계 밀도 이상에서는 연쇄 반응 발생, 궤도 인구를 작은 물체로 줄이고 우주 활동 위험 증가.

이 연쇄 반응은 케슬러 증후군으로 알려져 있다.[7]

2009년 초, 케슬러는 적절한 안전 장치 없는 우주 활동은 충돌 간 시간을 단축시키고 미래 우주선에 위험을 초래할 수 있다고 경고했다.[7]

초기 파편 분포는 지속적으로 개선되고 있다.[53] 1999년 유엔 보고서에 따르면 궤도 물체 간 충돌 빈도는 다음과 같다.[42]

'''10m2의 단면적을 가진 위성의 평균 충돌 기간'''
궤도 고도0.1 – 1.0 cm1.0 – 10 cm> 10 cm
500 km10 – 100 년3,500 – 7,000 년150,000 년
1,000 km3 – 30 년700 – 1,400 년20,000 년
1,500 km7 – 70 년1,000 – 2,000 년30,000 년



궤도 수명은 궤도 물체가 대기권에 낙하해 소멸될 때까지 걸리는 시간으로, 대기 저항이 주요 요인이다. 태양 활동에 따라 궤도 수명은 변동한다.[40]

2004년까지 173회 이상의 궤도 물체 폭발이 있었으며, 로켓 및 위성 잔해와 함께 주요 파편 생성원이 되고 있다.[45]

2000년대 이후 연구 결과, 이미 존재하는 파편을 제거하지 않으면 케슬러 증후군을 피할 수 없다는 결론이 나왔다.

1980년대 후반부터 1990년대 초반까지 NASA는 충돌 실험을 실시했다.


  • 1985년 9월, 솔윈드 위성 파괴 실험.[58]
  • 1986년 9월, 델타 로켓 180의 2단 로켓과 인공위성 충돌 실험.[58]
  • 1990년대, SOCIT 지상 충돌 실험.[48],[49]


이러한 실험 결과를 바탕으로 NASA의 EVOLVE 폭산 모델[50]이 21세기 초 가장 신뢰받는 모델로 평가받고 있다.

=== 대(對)위성 무기 실험 ===

대위성 무기(ASAT) 실험은 우주 쓰레기 증가의 주요 원인 중 하나이다.

  • 1985년 미국은 ASM-135 ASAT 시험을 통해 인공위성을 파괴했다.[9]
  • 2007년 중국의 FY-1C 기상 위성 파괴 실험.[10]
  • 2021년 러시아의 코스모스 1408 위성 파괴.[11][12][13]


=== 중국 로켓 폭발 (2024) ===

2024년에는 중국의 창정 6A호 로켓 폭발로 수백 개의 우주 파편이 생성되어 케슬러 증후군에 대한 우려가 다시 제기되었다.[58]

2. 1. 초기 연구 (NORAD, Gabbard, Kessler)

1957년 스푸트니크 1호 발사 이후, 북미항공우주방위사령부(NORAD)는 궤도에 도달하는 모든 물체(위성, 보호막, 로켓 추진체 등)에 대한 데이터베이스(우주 물체 목록)를 구축하기 시작했다.[5] 1970년대에 NORAD 데이터베이스가 공개되자, 미국 항공 우주국(NASA) 과학자 도널드 J. 케슬러는 이 데이터를 분석하여 우주 파편의 충돌 빈도를 연구했다.

1978년 6월, 케슬러와 버턴 코르-팔레는 "인공 위성의 충돌 빈도: 파편 벨트의 생성"이라는 논문을 발표했다.[3] 이 논문에서 그들은 우주 파편 충돌이 연쇄 반응을 일으켜 더 많은 파편을 생성할 수 있다는 "케슬러 증후군"을 처음으로 제시했다. 그들은 2000년경에는 우주 파편이 궤도 우주선의 주요 위험 요소가 될 것이라고 예측했다.[7]

NORAD 직원 존 개바드는 궤도 내 폭발로 인한 파편을 추적하기 위해 별도의 데이터베이스를 유지했다. 그는 파편 궤적 예측 기술을 개발했으며, 이 기술은 현재 개바드 다이어그램(또는 도표)으로 널리 사용되고 있다.[6] 1978년 논문 발표 직후 인터뷰에서 개바드는 파편 축적 현상을 "케슬러 증후군"이라고 명명했으며,[7] 이 용어는 1982년 ''인기 과학'' 기사를 통해 널리 알려지게 되었다.[7]

2. 2. 후속 연구

[7] 우주 쓰레기에 대한 정확한 데이터가 부족했기 때문에 저궤도 환경을 더 잘 파악하기 위한 연구가 시작되었다. 1979년 10월, NASA는 케슬러에게 추가 연구 자금을 지원했다.[7]

이러한 연구에서는 광학 망원경, 단파 레이더 등을 사용하여 우주 물체의 수와 크기를 측정했다. 그 결과, 발표된 개체 수가 최소 50% 과소 평가되었다는 것이 밝혀졌다. 이전에는 NORAD 데이터베이스가 궤도에 있는 대형 물체의 대부분을 차지한다고 알려졌지만, 실제로는 일부 물체(주로 미국 군사 우주선)가 누락되거나 중요하지 않다고 간주되어 포함되지 않았다. 또한, 이 목록은 20cm 미만의 물체, 특히 폭발하는 로켓 단계나 1960년대의 여러 대 위성 미사일 시험에서 발생한 잔해를 설명하기 어려웠다.[7]

회수된 우주선은 미세 충돌에 대해 현미경으로 검사되었고, 스카이랩과 아폴로 사령/서비스 모듈에서 구멍이 발견되었다. 이러한 연구를 통해 쓰레기 밀도가 예상보다 높고, 쓰레기가 우주에서 미소 운석 및 궤도 잔해 충돌의 주요 원인임이 밝혀졌다. 이는 저궤도에서 이미 케슬러 증후군이 나타나고 있음을 시사한다.[7]

1978년, 케슬러는 목록에 있는 쓰레기의 42%가 19건의 사건, 주로 사용된 로켓 단계(특히 미국의 델타 로켓)의 폭발로 인해 발생했음을 발견했다. 1979년, NASA는 이 발견을 바탕으로 궤도 잔해 프로그램을 설립했다. 1986년부터는 NASA가 국제 기관을 포함하도록 프로그램을 확대했다.[8]

1980년대 미국 공군(USAF)은 우주 파편 충돌 실험을 통해 미세 운석 충돌과는 다른 과정으로 큰 덩어리의 파편이 생성됨을 확인했다.[7]

1991년 케슬러는 논문 "충돌 연쇄: 저궤도 인구 증가의 한계"를 발표, 1kg 이상의 파편이 충돌 시 우주선을 파괴하고 더 많은 파편을 만들 수 있다고 경고했다. 미국 국립 과학 아카데미는 10km/s로 충돌하는 1kg 물체가 1,000kg의 우주선을 치명적으로 파괴할 수 있다고 설명했다.

케슬러는 이 문제를 세 가지로 나누었다.

1. 밀도가 낮으면 충돌에 의한 파편 추가가 감소 속도보다 느려 문제 없음.

2. 임계 밀도에서는 추가 파편이 추가 충돌을 유발.

3. 임계 밀도 이상에서는 연쇄 반응 발생, 궤도 인구를 작은 물체로 줄이고 우주 활동 위험 증가.

이 연쇄 반응은 케슬러 증후군으로 알려져 있다.[7]

2009년 초, 케슬러는 적절한 안전 장치 없는 우주 활동은 충돌 간 시간을 단축시키고 미래 우주선에 위험을 초래할 수 있다고 요약했다.[7]

; 초기 파편 분포

초기 파편 분포는 단기 시뮬레이션에서 중요한 매개변수이며, 지속적으로 개선되고 있다.[53] 1998년 이탈리아 학술 회의 모델에서는 과거 140번의 폭발, 16개 원자로 위성의 냉각재 누출, 로켓 및 우주 활동으로 발생한 파편을 포함, 6천 5백만 개의 파편을 생성했다.[41]

초기 파편 분포가 결정되면 파편 유량과 충돌 빈도가 결정된다. 1999년 유엔 보고서는 궤도 물체 간 충돌 빈도 계산 예시를 다음과 같이 제시했다.[42]

'''10m2의 단면적을 가진 위성의 평균 충돌 기간'''
궤도 고도0.1 – 1.0 cm1.0 – 10 cm> 10 cm
500 km10 – 100 년3,500 – 7,000 년150,000 년
1,000 km3 – 30 년700 – 1,400 년20,000 년
1,500 km7 – 70 년1,000 – 2,000 년30,000 년



; 궤도 수명

궤도 수명은 궤도 물체가 대기권에 낙하해 소멸될 때까지 걸리는 시간이다. 주요 요인은 대기 저항이며, 태양 활동에 따라 궤도 수명은 변동한다.[40] 10cm x 10cm 크기의 300 g 파편의 경우, 고도 600 km에서는 수년, 800 km에서는 수십 년, 1,000 km에서는 수백 년 정도이다.[43]

; 평균 충돌 강도

파국적 충돌은 표적이 분쇄되는 충돌이다. NASA 실험을 통해 1g당 40 J이라는 경험적 값을 얻었다. 2000년 NASA의 P. 크리스코는 평균 충돌 강도를 30 J/g에서 60 J/g까지 변화시켜도 10 cm 이상 파편 수는 계산 오차 범위 내에서만 변화함을 확인했다.[44]

; 폭발 빈도와 로켓 발사 빈도

2004년까지 173회 이상의 궤도 물체 폭발이 있었으며, 로켓 및 위성 잔해와 함께 주요 파편 생성원이 되고 있다.[45] 1999년 이탈리아 학술 회의에서 L. 안셀모 등은 폭발을 멈추지 않으면 가속적인 파편 증가를 피할 수 없고, 새로운 궤도 물체를 전부 회수해야만 10 cm 이상 파편을 줄일 수 있다고 계산했다.[46]

; 궤도 이탈

2000년 NASA의 P. 크리스코는 향후 임무에서 25년 이상 궤도 물체를 남기지 않으면 파편 증가를 억제할 수 있다고 계산했다.[44] 그러나 2006년 NASA의 J.-C. 리우와 N. L. 존슨은 2004년 12월 로켓 발사를 중단하고 폭발이 없어도 2055년 이후 충돌로 인한 파편이 급증한다는 결과를 얻었다.[69] 이는 이미 존재하는 파편을 제거하지 않으면 케슬러 증후군을 피할 수 없음을 보여준다.

NASA는 1980년대 후반부터 1990년대 초반까지 충돌 실험을 실시했다.


  • 1985년 9월, 솔윈드 위성 파괴 실험.[58]
  • 1986년 9월, 델타 로켓 180의 2단 로켓과 인공위성 충돌 실험.[58]
  • 1990년대, SOCIT 지상 충돌 실험.[48],[49]


이러한 실험 결과를 바탕으로 NASA의 EVOLVE 폭산 모델[50]이 21세기 초 가장 신뢰받는 모델로 평가받고 있으며, 유사 모델이 LEGEND[73],[51], SDM/STAT[75],[41], GEODEEM[47] 등에서 채용되고 있다.

1995년 M.J. 메시슈네크는 케슬러 모델의 결점을 지적했지만,[52] 케슬러 증후군의 존재는 부정하지 않았다.

1997년 유럽 우주국의 R. 제인 등은 여러 파편 계산 모델을 비교, ORDEM96이 가장 좋은 성적을 거두었지만 초기 값 차이에 의한 것이 컸다고 밝혔다.[53]

2. 3. 대(對)위성 무기 실험

1985년, 미국은 ASM-135 ASAT 시험을 통해 최초로 대위성(ASAT) 미사일을 사용하여 인공위성을 파괴했다. 이 실험으로 고도 555km에서 Solwind P78-1 위성이 파괴되었고, 이로 인해 발생한 파편은 1990년대 후반까지 궤도에 남아 있을 것으로 예측되었다. NASA는 이 시험의 영향을 모델링하여 우주 정거장의 파편 방어 기능을 강화했다.[9]

2007년 1월 11일, 중국은 자국의 FY-1C 기상 위성을 대상으로 대위성 미사일 시험을 실시했다. 고도 865km에서 발생한 이 충돌로 인해 발생한 파편은 850km 이상의 평균 고도로 지구를 공전하며, 수십 년 또는 수 세기 동안 궤도에 남아 있을 가능성이 높다.[10]

2021년 11월 15일, 러시아는 ASAT 미사일로 코스모스 1408 위성을 파괴하여 대규모 파편 구름을 생성했다. 이로 인해 추적 가능한 파편 1500개와 수십만 개의 추적 불가능한 파편이 발생했다. 이 파편들은 300km 에서 1000km 사이의 고도에 퍼져 있어 국제 우주 정거장과 중국 우주 정거장(톈궁)을 포함한 모든 저궤도 위성과 충돌할 위험이 있다.[11][12][13]

이러한 일련의 대위성 무기 실험은 우주 쓰레기 증가를 야기하여 케슬러 증후군 발생 가능성을 높이는 주요 원인 중 하나로 지목되고 있다.

2. 4. 중국 로켓 폭발 (2024)

2024년 8월 9일, 중국의 창정 6A호 로켓이 저궤도에서 파편으로 분해되면서 수백 개의 우주 파편 구름이 생성되는 사건이 발생하여 케슬러 증후군에 대한 우려가 다시 제기되었다.[58] 미국 우주 사령부는 이 파편 분해를 확인했으며, 여러 우주 파편 추적 기관에서 추적해 왔다. 이 사건으로 최소 700개의 파편이 발생했으며, 900개 이상으로 늘어날 가능성이 있다. 이 파편들은 저궤도 위성군, 특히 800km 이하 궤도에 있는 위성들에게 심각한 위험을 초래하며, 충돌 가능성을 높이면서 수년간 궤도에 남아있을 수 있다.

3. 생성과 파괴

모든 인공위성, 우주탐사선, 유인 우주 비행은 잠재적으로 우주 쓰레기를 생성할 가능성이 있다. 궤도상의 인공위성의 수가 증가함에 따라 이론적인 연쇄 반응인 케슬러 증후군이 발생할 가능성이 높아진다.[15][16]

지구 저궤도는 공기 저항으로 인해 깨끗하게 정리될 수 있다. 이 고도 범위에서 일어나는 충돌 사건은 큰 문제가 되지는 않는다. 그러나 공기 저항이 유효하지 않은 고도에서는 궤도 감쇠가 훨씬 천천히 일어난다. 미약한 공기 저항, 달의 섭동, 태양풍 등이 우주쓰레기를 조금씩 낮은 고도로 이동시켜 파편이 대기 재돌입해 사라지게 만들겠지만, 매우 높은 고도에서 이 과정은 수천 년이 걸릴 것이다.[18]

4. 영향

케슬러 증후군은 종속고장(도미노 효과)과 피드백 폭주 때문에 특히 위험하다. 상당한 질량을 가진 물체 간의 충돌은 충격으로 우주쓰레기 파편을 만들고, 이 파편은 또 다른 물체를 가격하여 더 많은 우주쓰레기를 생성한다. 우주 정거장과 인공위성의 충돌, 우주 공간에서의 적대적 행위 등으로 대규모 우주쓰레기가 발생하면 지구 저궤도 사용이 불가능해질 수 있다.[80][81]

2009년 7월 현재 지구 궤도에서 파편을 추적하는 데 사용된 모델로 제작된 이미지


케슬러 증후군은 도미노 효과와 피드백 런어웨이로 인해 문제가 된다. 상당한 질량의 물체 간 충돌은 충돌의 힘으로 파편을 박리시킨다. 파편은 다른 물체에 부딪혀 더 많은 우주 쓰레기를 생성할 수 있다. 우주 정거장과 작동 중단된 위성 간의 충돌이나 우주에서의 적대 행위로 인한 대규모 충돌이나 폭발은 파편 연쇄를 일으켜 지구 저궤도에서 위성의 장기적인 생존 가능성을 극도로 낮출 수 있다.[19][20]

일부 천문학자들은 페르미의 역설에 대한 가능한 해결책으로 케슬러 증후군을 제시한다. 우주 진출 문명은 케슬러 증후군으로 안전한 궤도를 소멸시켜 스스로를 모성 행성에 가둘 수 있다.[21] 행성 내 악의적인 단독 행위자가 케슬러 증후군 시나리오를 유발할 수 있으므로, 강력한 우주 오염 통제에도 불구하고 이러한 결과가 발생할 수 있다.[22] 인류 또한 지구에 스스로를 가두는 유사한 운명에 처해질 수 있다.[23]

우주 파편이 서로 또는 인공위성 등에 충돌하면 새로운 파편이 생성된다. 파편의 공간 밀도가 임계값을 넘으면, 충돌로 생성된 파편이 연쇄적으로 다음 충돌을 일으켜 파편이 자기 증식하는 상태가 될 수 있다.

1991년 케슬러는 충돌에 의한 폭산을 생성 요인, 대기 저항을 소멸 요인으로 고려하여 임계 밀도를 계산했다.[63] 그 결과, 약 10년에 한 번 정도 저궤도(고도 약 1400 km 이하)에서 인공위성과 파편이 충돌할 정도의 밀도에서 파편 생성 속도가 소멸 속도를 초과함을 보였다. 고도 1000km 근방과 1500km 근방에서는 새로운 파편의 생성 속도가 이미 파편의 자연적인 소멸 속도를 넘어서고 있다는 계산 결과도 얻었다.

소행성대는 목성 근방에서 성장하던 미행성들이 충돌로 파쇄되어 형성되었다는 모델이 있다.[39] 케슬러는 충돌로 인한 파편의 급격한 증가를 소행성대 형성에 비유하며, 이대로라면 "파편대"가 생겨날 것이라고 경고했다.[59] 소행성대 형성은 수천만 년에서 수억 년이 걸렸지만, 케슬러 신드롬에서는 수십 년에서 수백 년 만에 파편의 수밀도가 급격히 상승한다.

1980년대 후반, 국제 우주 정거장 계획에서 우주 파편이 큰 위협이 될 수 있다는 점이 밝혀지면서 파편에 관한 연구가 크게 진전되었다.[40] 많은 파편 환경 예측 시뮬레이션 결과, 많은 연구자들이 고도 1,000km 부근에서 이미 케슬러 신드롬이 시작되고 있다는 결과를 얻었다. 이는 관측에 적합한 태양 동기 궤도의 고도에 해당하고, 인공위성 밀도가 높으며, 궤도 수명도 수백 년으로 길기 때문이다.

1976년 NASA의 도널드 케슬러는 2000년까지 기하급수적인 우주 파편(데브리) 수의 증가가 시작될 것이라고 경고했다.[58]

1978년 NASA의 도널드 케슬러와 브루턴 크루파레는 파편으로 인한 위협이 곧 우주 먼지의 영향을 넘어서게 될 것이며, 궤도 물체 간의 충돌이 미래의 파편의 주요 생성 요인이 되어 지수적 증가를 할 것이라고 처음으로 논문에서 지적했다.[59]

5. 대처

케슬러 증후군에 대처하기 위한 방법은 초기 파편 분포, 궤도 수명, 평균 충돌 강도, 폭발 빈도 및 로켓 발사 빈도, 궤도 이탈 등을 고려하여 연구되고 있다.

초기 파편 분포는 시뮬레이션 결과에 큰 영향을 미치는 중요한 요소이다. 1998년 이탈리아 학술 회의 모델에서는 과거 발생한 폭발, 원자로 위성 냉각재 누출, 로켓 잔해 등 다양한 요인을 고려하여 6천 5백만 개의 파편을 생성했다.[41] 초기 파편 분포가 결정되면 파편 유량과 충돌 빈도가 결정된다. 1999년 유엔 보고서에서는 궤도 고도별 위성 평균 충돌 기간을 다음과 같이 제시했다.[42]

10 m2의 단면적을 가진 위성의 평균 충돌 기간
궤도 고도0.1 – 1.0 cm1.0 – 10 cm> 10 cm
500 km10 – 100년3500 – 7000년150000년
1,000 km3 – 30년700 – 1400년20000년
1,500 km7 – 70년1000 – 2000년30000년



궤도 수명은 궤도 물체가 대기권에 낙하하여 소멸될 때까지 걸리는 시간으로, 대기 저항이 주요 요인이다. 태양 활동에 따라 궤도 수명이 변동될 수 있다.[40] 300g의 파편을 예로 들면, 고도 600km에서는 수년, 800km에서는 수십 년, 1000km에서는 수백 년 정도의 궤도 수명을 가진다.[43]

평균 충돌 강도는 파국적 충돌에 필요한 에너지로, NASA 실험 결과 1g당 40J이라는 값을 얻었다. 2000년 NASA의 P. 크리스코는 평균 충돌 강도 변화에 따른 미래 파편 예측값 변화를 조사했지만, 큰 차이는 없었다.[44]

폭발 빈도와 로켓 발사 빈도는 장기 시뮬레이션에서 중요한 변수이다. 2004년까지 173회 이상의 궤도 물체 폭발이 있었으며, 이 중 약 40%는 고의적인 폭파였다.[45] 1999년 이탈리아 학술 회의에서는 폭발 및 로켓 발사 빈도에 따른 시나리오를 계산한 결과, 폭발을 멈추더라도 가속적인 파편 증가는 피할 수 없으며, 새로운 궤도 물체를 전부 회수해야만 파편을 줄일 수 있다는 결론을 내렸다.[46]

많은 계산에서 앞으로 폭발을 일으키지 않더라도 금세기 안에 케슬러 증후군에 돌입할 것으로 예측되었다. 따라서 새로운 파편 발생을 막기 위해 수명이 다한 위성을 궤도 이탈시키는 방법이 연구되고 있다. 2000년 NASA는 향후 임무에서 25년 이상 궤도 물체를 남기지 않으면 파편 증가를 억제할 수 있다는 결과를 얻었다.[44] 그러나 2006년 NASA는 2004년 이후 로켓 발사를 중단하고 폭발이 없더라도 2055년 이후 충돌로 인한 파편이 급증한다는 결과를 발표했다.[69] 이는 이미 존재하는 파편을 인위적으로 제거해야 케슬러 증후군을 피할 수 있음을 시사한다.

5. 1. 회피 및 저감

최근 개발되는 신형 우주선 또는 인공위성은 수명이 다한 후 안전하게 처리될 수 있도록 설계해야 한다.[82] 이를 위해 원격으로 대기권 재진입을 시키거나 공동묘지 궤도로 보내는 방법 등이 사용된다.[83]

레이저 빗자루는 1 cm ~ 10 cm 크기의 파편을 처리하기 위한 기술로, 지상에 설치된 멀티메가와트급 레이저를 이용하여 파편을 궤도에서 밀어낸다. 레이저가 파편 측면에 닿으면 삭마 현상이 발생하고, 이로 인해 파편의 궤도 이심률이 변화하여 안전하게 재진입할 수 있게 된다.[84]

새로운 우주선 또는 위성 설계자는 국제 전기 통신 연합(ITU)에 수명이 다한 후 제어된 대기권 재진입 시스템이나 묘지 궤도로 이동하는 등의 안전한 처리 방법을 증명해야 한다.[25][26] 연방 통신 위원회(FCC)는 미국에서 통신 서비스를 제공하기 위한 면허 취득 조건으로, 2002년 3월 18일 이후 발사된 모든 정지 궤도 위성이 수명이 다하면 묘지 궤도로 이동하도록 요구하고 있다.[26] 미국 정부는 임무 종료 후 위성 처리 계획(대기권 재진입, 보관 궤도 이동, 직접 회수)을 요구한다.[27]

중간 지구 궤도에서 우주선을 제거 궤도하는 효율적인 방법으로, 태양 또는 달과의 불안정한 궤도 공명 궤도로 이동하여 궤도 감쇠를 가속화하는 방법이 제안되었다.[28][29]

1cm에서 10cm 크기의 파편 처리에 사용될 수 있는 레이저 빗자루는 지상 레이저로 파편에 레이저를 쏘아 절제를 통해 추력을 생성하고 궤도 이심률을 변경하여 안전하게 재진입 및 파괴한다.[30]

유럽 우주국(ESA)와 스위스 스타트업 클리어스페이스-1(ClearSpace)은 PROBA-1 위성을 궤도에서 제거하는 임무를 계획하고 있다.[34]

1990년대 후반부터 NASA 등 여러 기관에서 저궤도 케슬러 증후군을 현실적인 위협으로 인식하여 파편 감소 가이드라인을 제정했다.[43] 2002년 국제 기관 간 우주 파편 조정 위원회(IADC)는 운용 중 파편 감소, 궤도상 폭발 확률 최소화, 임무 종료 후 위성 폐기, 궤도상 충돌 방지 등을 포함하는 가이드라인을 제정했다.[55] 이 가이드라인은 임무 종료 후 정지 궤도에서는 묘지 궤도로 이동하고, 저궤도에서는 25년 이내에 궤도에서 제거할 것을 권장한다.

21세기 초 시뮬레이션 결과, 파편 감소 대책을 철저히 시행해도 파편 총량이 줄지 않을 것으로 예측되어,[69] 능동적인 파편 제거 방법 개발이 진행 중이다. 지상 레이저 조사,[56] 전도성 테더를 이용한 궤도 수명 단축[57] 등이 제안되었으나, 비용 및 기술 문제로 실용화된 방법은 아직 없다.[69]

5. 2. 제거

Active debris removal영어 기술 개발이 진행되고 있다. 여기에는 레이저 빗자루, 우주 그물, 로봇 팔 등 다양한 방법이 포함된다.[84] 레이저 빗자루는 지상에 설치된 멀티메가와트 수준의 레이저를 사용하여 파편을 궤도에서 밀어내는 기술이다. 레이저가 파편 측면에 닿으면 삭마 현상이 발생하여 파편의 궤도 이심률을 변화시켜 안전하게 재진입하도록 유도한다.[30]

유럽 우주국(ESA)과 스위스 스타트업 클리어스페이스-1(ClearSpace)는 PROBA-1 위성을 궤도에서 제거하는 임무를 계획하고 있다.[34]

6. 잠재적 촉발 인자

엔비사트는 2002년에 발사된 대형 인공위성으로, 현재 작동하지 않는다. 질량은 8211kg이며 궤도 고도는 785km인데, 이 궤도는 우주쓰레기 밀도가 가장 높은 구역이다. 매년 엔비사트에서 불과 200m 떨어진 곳을 두 개의 등록된 대형 우주쓰레기가 스치고 지나가며,[85] 이 수는 점점 늘어날 것으로 보인다. 돈 케슬러는 2012년에 엔비사트가 향후 150년 동안 궤도에 남아있는 동안 충돌이 일어난다면, 우주쓰레기의 주요 발생원이 될 것이라고 예측했다.[31][85]

스페이스X의 스타링크 프로그램은 지구 저궤도(LEO)에 배치하려는 위성의 수가 많아 케슬러 증후군의 가능성을 심각하게 악화시킬 수 있다는 우려를 낳고 있다. 이 프로그램의 목표는 현재 LEO에 있는 위성 수를 두 배 이상으로 늘리는 것이다.[34][32] 이러한 우려에 대해 스페이스X는 스타링크 위성의 상당 부분을 낮은 지연 시간을 달성하기 위해 550km의 낮은 고도에서 발사한다고 밝혔다(원래 계획은 1km). 따라서 추진력이 없더라도 공기 저항으로 인해 고장난 위성이나 파편은 5년 이내에 궤도를 이탈할 것으로 예상된다.[33]

7. 현재 상황 (2024)

2024년 현재, 과학계는 케슬러 증후군이 이미 시작되었는지, 아니면 언제 얼마나 심각해질지에 대해 아직 합의에 도달하지 못했다.[34] 그러나 우주쓰레기 문제가 심각하며, 적극적인 대응이 필요하다는 데에는 의견이 일치한다.[34]

우주 파편이 인공위성 등에 충돌하면 새로운 파편이 생성된다. 파편의 밀도가 일정 수준을 넘으면 연쇄 충돌이 발생하여 파편이 기하급수적으로 증가할 수 있다. 이러한 현상은 1970년대부터 케슬러에 의해 제기되었지만,[58] 당시에는 "collisional cascading"[63], "runaway"[68], "a self sustained chain reaction"[62] 등으로 불렸고, '케슬러 증후군'이라는 용어는 사용되지 않았다. '케슬러 증후군'이라는 용어는 1997년 야사카 테츠오의 저서[40], 2001년 유럽 데브리 회의[37] 등에서 사용된 사례가 있다.

1980년대 후반 국제 우주 정거장 계획에서 우주 파편이 큰 위협이 될 수 있다는 것이 밝혀지면서,[40] 파편 연구가 크게 진전되었다. 많은 연구자들이 고도 1,000km 부근에서 이미 케슬러 증후군이 시작되고 있다는 결과를 얻었다.[40] 이 고도는 태양 동기 궤도와 일치하고, 인공위성 밀도가 높으며, 궤도 수명이 수백 년으로 길기 때문이다.

초기 파편 분포는 시뮬레이션 결과에 큰 영향을 미치는 중요한 요소이며, 지속적으로 개선되고 있다.[53] 1998년 이탈리아 학술 회의 모델에서는 과거 발생한 140번의 폭발, 16개 원자로 위성의 냉각재 누출, 로켓 잔해 등을 포함하여 6천 5백만 개의 파편을 생성했다.[41]

1999년 유엔 보고서에서는 궤도 물체 간 충돌 빈도 계산 예시를 다음과 같이 제시했다.[42]

'''10 m2의 단면적을 가진 위성의 평균 충돌 기간'''
궤도 고도0.1 – 1.0 cm1.0 – 10 cm> 10 cm
500 km10y – 100y3500y – 7000y150000y
1,000 km3y – 30y700y – 1400y20000y
1,500 km7y – 70y1000y – 2000y30000y



궤도 수명은 궤도 물체가 대기권에 낙하하여 소멸될 때까지 걸리는 시간이다. 대기 저항이 주요 요인이며, 태양 활동에 따라 변동한다.[40] 300 g의 파편의 경우, 궤도 수명은 고도 600km에서 수년, 800km에서 수십 년, 1,000km에서 수백 년 정도이다.[43]

궤도 물체 간 충돌 시, 표적이 분쇄되는 충돌을 '파국적 충돌'이라고 한다. NASA는 파국적 충돌에 필요한 에너지를 1g당 40 J로 추정했다. 2000년 NASA의 연구에 따르면, 이 값을 변화시켜도 10cm 이상 파편 수는 큰 차이가 없었다.[44]

폭발 빈도와 로켓 발사 빈도는 장기 시뮬레이션에서 중요하지만 불확실한 요소이다. 2004년까지 173회 이상의 궤도 물체 폭발이 있었으며,[45] 이 중 약 40%는 고의적인 폭파였다. 1999년 이탈리아 학술 회의의 연구에 따르면,[46] 폭발을 멈추더라도 가속적인 파편 증가는 피할 수 없으며, 새로운 궤도 물체를 전부 회수해야만 10cm 이상 파편을 줄일 수 있다.

많은 계산에서 앞으로 폭발을 일으키지 않더라도 금세기 안에 케슬러 증후군에 돌입한다고 예측한다. 따라서 새로운 파편 발생을 막기 위해 수명이 다한 위성을 궤도 이탈시키는 등의 노력이 필요하다. 2000년 NASA의 연구에서는 25년 이상 궤도에 물체를 남기지 않으면 파편 증가를 억제할 수 있다고 예측했다.[44]

그러나 2006년 NASA의 연구에서는 2004년 이후 로켓 발사를 중단하고 폭발이 없더라도 2055년 이후 충돌로 인한 파편이 급증한다고 예측했다.[69] 이는 이미 존재하는 파편을 제거하지 않으면 케슬러 증후군을 피할 수 없음을 의미한다.

현재 파편 환경은 시뮬레이션으로 계산되며, 파편 관측은 시뮬레이션 검증에 활용된다. 1995년 보고서에서는 케슬러 모델의 결점을 지적했지만,[52] 장기적인 거동은 적절하다고 평가하여 케슬러 증후군의 존재를 부정하지 않았다. 1997년 유럽 우주국의 연구에서는 여러 파편 계산 모델을 비교한 결과,[53] 초기 값의 차이가 프로그램 차이보다 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

8. 대중문화에서의 묘사

켄 맥클라우드의 미래역사 소설 《스카이 로드》에서는 케슬러 증후군이 핵심 소재로 등장한다.

일본 만화 《플라네테스》는 2075년의 세계를 배경으로 우주쓰레기 수집팀의 이야기를 다루고 있다. 이 만화에서는 '우주방위전선' 테러리스트들이 우주정거장에 인공위성을 들이받아 케슬러 증후군을 일으킴으로써 우주의 자원을 통해 굴러가는 세계 경제를 마비시키려는 시도가 나타난다.

2013년에 개봉한 스릴러 영화 《그래비티》에서는 영화 내내 케슬러 현상이 벌어진다.[86] 같은 해에 개봉한 영화 ''그래비티''는 러시아가 낡은 위성을 격추하면서 케슬러 증후군 재앙을 이야기의 발단으로 다루는데,[35] 이 영화는 "물리학을 거스르는 케슬러 증후군"으로 묘사되기도 했다.[34]

닐 스티븐슨의 2015년 소설 ''세븐 이브스''는 달이 일곱 조각으로 설명할 수 없이 폭발하면서 시작되며, 이후 케슬러 증후군 충돌로 인한 우주 파편 구름이 생성되고, 결국 달 운석이 지구 표면에 쏟아지는 내용을 담고 있다.[36]

다음은 케슬러 증후군을 소재로 다룬 작품들이다.


  • 플라네테스(만화·애니메이션) - 주인공은 우주 쓰레기 제거 작업에 종사하며, 과격파가 케슬러 증후군을 일으키려 하는 에피소드가 등장한다.
  • 애플시드(만화·애니메이션) - 세계 대전으로 인해 케슬러 증후군이 발생한다.
  • 그래비티 (영화) - 우주 비행사 주인공이 우주 쓰레기와의 충돌 사고로 우주에 내던져진다.
  • 데빌즈 서드(컴퓨터 게임) - 테러리스트 집단이 케슬러 증후군을 일으킨 세계가 배경이다.
  • 에이스 컴뱃 7: 스카이즈 언노운 - 오시아 연방과 엘지아 왕국 사이에서 발발한 제2차 대륙 전쟁 말기에 양 진영이 거의 동시에 서로의 군사 위성에 대위성 미사일 공격을 가한 결과, 케슬러 증후군으로 인해 표적 외 위성까지 파괴되어 대륙 규모로 통신 인프라가 마비된다.

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