3분도 채 안돼 116톤이나..온실가스, 로켓 쏠 때마다 쏟아낸다

뉴스페이스 시대 맞아 로켓 발사 횟수 급증추세
총량은 미약하지만 친환경 로켓 개발 수면 위로

스타링크 위성을 싣고 날아가는 스페이스엑스의 팰컨9 로켓. 스페이스엑스 제공

정부가 아닌 민간이 주도하는 새로운 우주산업 시대, 이른바 ‘뉴스페이스’ 시대의 대표적 특징 가운데 하나는 로켓 발사 횟수가 급증하고 있다는 점이다. 발사체와 위성 기술의 발전에 힘입어 비용 부담이 줄고 소형화가 가능해진 덕분이다. 

지난해 전 세계의 로켓 발사 횟수는 146차례였다. 이 가운데 135차례가 발사에 성공했다. 2000~2010년의 연간 평균 발사 횟수의 2배에 이른다. 준궤도 우주여행 사업을 펼치고 있는 블루오리진의 뉴셰퍼드의 6회 발사까지 합치면 150회나 된다. 나라로는 중국이 56차례로 미국을 제쳤고, 로켓업체로는 미국의 우주기업 스페이스엑스가 31차례로 압도적인 1위를 차지했다. 스페이스엑스는 특히 단 두 차례를 제외하고는 모두 재사용 로켓, 즉 중고로켓을 사용했다. 

로켓 발사는 올해 들어 더욱 활발하다. 스페이스엑스는 올해 벌써 27차례 로켓을 발사했다. 6.5일에 한 번꼴이다. 6월17~19일엔 36시간 사이에 로켓을 3차례나 쏘는 기록을 세웠다. 이 가운데 하나는 13번째 날아오른 로켓이었다. 이대로라면 연간 50차례 발사 목표는 무난히 달성할 것으로 보인다.

한국도 최근 누리호 발사 성공으로 이 대열에 당당히 합류할 수 있는 기반을 구축했다. 시티그룹은 우주산업 규모는 현재 2020년 3700억달러에서 2040년 1조달러로 커질 것으로 전망한다. 

연도별 로켓 발사 횟수. 출처=Seradata SpaceTrak Launch & Satellite Database

 로켓이 만드는 새로운 ‘탄소 불평등’

그러나 우주산업에는 기후변화 시대에 간과해서는 안 될 문제가 있다. 로켓을 한 번 쏠 때마다 엄청난 양의 온실가스가 배출된다는 점이다. 전에는 기후변화 현상이 심하지 않아 별다른 문제의식을 갖지 못했으나, 발사 횟수가 늘어나면서 무시할 수 없는 현안으로 떠올랐다.

미국의 우주프로그램 연구기관인 에어로스페이스 코퍼레이션(Aerospace Corporation)의 분석가 마틴 로스에 따르면, 보통 로켓을 한 번 발사할 때 쓰는 추진제는 비행기가 하루 종일 운항하면서 쓰는 연료의 양과 비슷하다. 스페이스엑스의 주력 로켓인 팰컨9의 경우 약 500톤의 추진제가 실린다. 최근 발사에 성공한 누리호엔 180톤의 추진제가 실렸다.

파리경제대학의 ‘2022 세계 불평등 보고서’는 우주여행을 한 번 하면 약 10억명이 평생 배출하는 양에 맞먹는 탄소를 배출하게 된다고 비판했다. 간접배출까지 포함하면 우주여행객 1명당 75톤의 탄소를 배출하는 반면 평생 배출량이 75톤도 안 되는 사람이 전 세계 10억명이나 된다는 것이다. 로켓이 탄소 불평등 세상의 또 다른 축으로 떠오르고 있는 셈이다.

현재 대부분의 로켓은 화석연료인 케로신(등유)을 연료로 사용한다. 이를 산화제(액체산소)로 연소시키면 우주로 날아가는 추력이 만들어진다.

그런데 등유를 태울 때 불완전 연소 과정에서 그을음, 즉 블랙카본이 배출된다. 탄소가 들어 있는 모든 연료에서 블랙카본이 생성되지만, 특히 등유에서 많이 발생한다. 로켓은 이 블랙카본을 성층권 하늘에 흩뿌린다. 스페이스엑스의 재사용 로켓 겉면은 이 그을음 입자들로 인해 거무튀튀하다. 

로스는 2018년 발표한 연구보고서에서 블랙카본 입자들은 3~5년 동안 성층권에 남아 태양열이 지구 밖으로 빠져나가지 못하도록 가둬놓고 오존층을 손상시킨다고 주장했다.

겉면이 검게 그을은 스페이스엑스의 재사용 로켓 팰컨9. 스페이스엑스 제공

 성층권에 쏟아내는 ‘블랙카본’의 위험성

과연 그 양은 얼마나 될까?

미 국립해양대기청(NOAA) 연구진이 모의시험을 통해 계산한 결과를 최근 국제학술지 ‘지구물리학저널 : 대기’에 발표했다. 이에 따르면 2040년 우주로켓 발사 횟수가 지금의 10배로 늘어날 경우 연간 대기에 축적되는 블랙카본 양은 현재의 1천톤에서 1만톤으로 늘어난다. 이 경우 성층권 온도는 최대 1.5도 상승하고, 제트기류의 속도는 최대 초당 5미터까지 줄어들 것으로 예측됐다. 연구진은 특히 대부분의 로켓 발사가 열대지역에서 이뤄지는 만큼 이 지역의 기상 시스템에도 영향을 미쳐 열대성 폭풍 경로가 바뀔 수 있다고 경고했다. 

영국 유니버시티칼리지런던(UCL)의 엘로이즈 마레 교수(물리지리학)는 과학전문지 ‘뉴사이언티스트’에 “블랙카본이 성층권에 미치는 영향은 상당히 크다”며 “그럴 듯한 시나리오”라고 논평했다.

마레 교수와 케임브리지대, 매사추세츠공대(MIT) 과학자들은 로켓에서 나오는 그을음은 지표면이나 항공기발 그을음보다 온실효과가 500배 강력하다는 시뮬레이션 결과를 25일 국제학술지 ‘지구의 미래’에 발표했다. 

그는 지난해 여름 제프 베이조스의 블루오리진과 리처드 브랜슨의 버진갤럭틱이 준궤도 우주여행 ‘최초’ 타이틀 경쟁을 벌일 당시에도 우주로켓 경쟁이 환경에 미칠 악영향을 우려하는 목소리를 낸 바 있다. 그는 일간 <가디언> 인터뷰에서 “로켓이 대기권 밖으로 나가려면 엄청난 양의 추진연료가 필요하고 이 연료들이 이산화탄소, 물, 염소 등 여러 화학물질을 대기 중에 배출한다'고 말했다. 그에 따르면 장거리 비행을 하는 항공기 1대의 경우 탑승객 1명이 1~3톤의 이산화탄소를 배출하지만 4명 승객을 태운 우주로켓 발사 한번으로 발생하는 이산화탄소는 200~300톤에 달한다.

유체 역학 시뮬레이션으로 묘사한 고도 30km 상공의 로켓 배기가스. 노란색이 밝을수록 온도가 높다. 가장 밝은 노란색의 온도는 2100도가 넘는다. 출처=키프로스 니코시아대(Ioannis Kokkinankis, Dimitris Drikakis)

 주변보다 26배 많은 이산화탄소 배출

키프로스 니코시아대 과학자들은 뉴스페이스를 주도하는 스페이스엑스의 팰컨9 로켓을 모델로 삼아 로켓이 배출하는 온실가스량을 계산한 결과를 지난 5월 국제학술지 ‘유체물리학’에 발표했다. 연구진은 2016년 5월 타이의 통신위성 타이콤8을 궤도에 올려놓은 팰컨9 발사 데이터를 분석의 자료로 삼았다. 팰컨9 역시 다른 대부분의 로켓과 마찬가지로 등유(RP-1)를 연료로, 액체산소를 산화제로 쓴다.  연구진은 열과 압력, 가스혼합 등의 요인을 고려해 최대 고도 67km에 이를 때까지 다양한 고도에서 로켓이 배출하는 온실가스 양을 계산했다.

그 결과 팰컨9은 발사 후 첫 165초 동안 약 116톤의 이산화탄소를 배출하는 것으로 추정했다. 연구진은 “이는 영국 기준으로 연간 69대의 자동차가 배출하는 온실가스 양과 같은 수준”이라고 밝혔다. 즉 자동차가 69년 동안 배출하는 양을 3분도 안되는 시간에 쏟아낸다는 얘기다.

주변 대기와 비교한 로켓 배기가스의 양. 고도가 높아질수록 로켓에서 배출되는 배가스 속의 이산화탄소가 주변 대기의 이산화탄소보다 급격히 많아진다.

로켓 배기가스의 대부분은 중간권 상층부에 집중됐다. 로켓이 1km 상승할 때마다 팰컨9은 중간권에 이미 존재하는 양의 26배에 해당하는 엄청난 양의 이산화탄소를 공기중으로 내뿜었다. 이와 동시에 비슷한 양의 일산화탄소와 수증기도 뿜어냈다. 

로켓이 배출하는 질소산화물도 문제다. 질소산화물은 호흡기 질환을 유발할 뿐 아니라 산성비를 만들어 생태계에 피해를 주는 물질이다. 계산 결과 첫 70초 동안 스페이스엑스 로켓은 1톤의 질소산화물을 배출했다. 이는 1400대의 자동차가 연간 배출하는 양과 맞먹는다. 질소산화물은 온도가 높을수록 잘 만들어진다. 따라서 대부분 고도 10km 미만의 낮은 고도에서 생성됐다.

스핀론치가 뉴멕시코주의 우주공항 ‘스페이스포트 아메리카’에 설치한 준궤도 가속기. 스핀론치 제공

 미래를 기약하는 친환경 로켓들

해결책은 자동차와 마찬가지로 연료를 친환경 물질로 바꾸는 것이다.

가장 유력한 후보는 수소다. 등유 대신 액체 수소를 사용하면 탄소를 배출하지 않는다. 수소는 폭발성이 높고 수소를 액체상태로 유지하려면 영하 250도의 극저온을 유지해줘야 하는 등 다루기가 매우 까다롭지만 과거 우주왕복선이나 새턴5 로켓 상단부 엔진의 연료로 사용한 적이 있는 만큼 실용화할 여지는 얼마든지 있다. 현재 제프 베이조스가 이끄는 블루오리진의 뉴셰퍼드가 액체 수소를 연료로 쓰고 있다. 일본의 주력 로켓인 H-2A도 액체수소 로켓이다.

스페이스엑스는 등유 대신 메탄을 쓰는 랩터 엔진을 개발하고 있다. 메탄을 연료로 쓰면 그을음이 거의 발생하지 않는다는 장점이 있다. 이 엔진은 차세대 우주선 스타십에 적용한다. 블루오리진도 후속 로켓 엔진 BE-4에 메탄을 연료로 쓸 계획이다. 일부 신생기업들은 바이오 연료를 쓰는 로켓 개발에 나섰다.

좀 더 과감한 접근 방식도 있다. 미국 캘리포니아의 스핀론치는 아예 엔진 대신 원심력을 이용해 우주로 날아가는 로켓 기술을 개발하고 있다. 이 회사는 이 가속장치로 지난해 말 고고도 시험비행에 성공했다. 그린론치란 회사는 수소를 연료로 쓰고 대포 방식으로 로켓을 쏘아올리는 기술을 개발 중이다.

세계기상기구와 유엔환경계획은 올해 하반기에 로켓에서 배출되는 물질이 오존층을 어떻게 고갈시키는지를 분석한 보고서를 발표할 예정이다. 민간우주기업의 우주여행 사업을 계기로 뜨거워지고 있는 우주산업에 대한 열기 속에서 발표될 이 보고서가 지속가능한 친환경 로켓 개발을 새로운 과제로 부각시키는 계기가 될 수 있을지 주목된다.

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr