능동적 잔해 제거(Active Debris Removal, ADR)는 궤도에서 기존 잔해를 제거하는 것을 의미합니다. 완화 조치는 새로운 잔해 생성을 방지하는 반면, ADR은 이미 존재하는 물체를 대상으로 합니다. 장기 모델링 연구는 완화만으로는 충분하지 않다는 것을 보여주었습니다 - 개체수를 안정화하고 잠재적으로 감소시키려면 연간 5-10개의 대형 물체를 능동적으로 제거해야 합니다.
ADR 개념은 1990년대부터 연구되어 왔지만, 기술적, 법적, 경제적 과제로 인해 구현이 지연되었습니다. 그러나 메가 콘스텔레이션 시대와 케슬러 증후군 위험 증가로 인해 ADR이 점점 더 긴급해지고 있습니다. 여러 임무가 현재 개발 중이거나 실행되었으며, 첫 번째 상업 ADR 서비스가 2020년대 중반에 시작될 것으로 예상됩니다.
능동적 잔해 제거는 고유한 과제를 제시합니다:
이러한 과제에도 불구하고, 여러 유망한 기술이 개발되었습니다. ADR 접근 방식은 일반적으로 두 단계를 포함합니다: 포획(표적 잔해를 확보함) 및 궤도 이탈(표적을 재진입 궤도로 이동함).
| 포획 기술 | 메커니즘 | 장점 | 단점 | 적용 대상 |
|---|---|---|---|---|
| 로봇 팔 | 기계적 그립퍼 | 정밀; 다용도 | 대상과 근접 필요; 복잡 | 위성 서비스; 단일 대형 물체 |
| 네트 | 회전 또는 비회전 대상을 포획 | 다양한 대상; 비접촉 | 얽힘 위험; 제한된 제어 | 중형 물체; 다양한 모양 |
| 작살 | 발사체가 대상을 관통 | 긴 거리; 빠른 포획 | 파편 생성 위험; 영구적 | 로켓 본체; 대형 구조 |
| 전자기 | 자기 또는 정전기 힘 | 비접촉; 부드러운 포획 | 전도성 대상 필요; 제한된 힘 | 금속 물체; 가까운 거리 |
| 레이저 | 절제; 궤도 변경 | 장거리; 비접촉 | 높은 전력; 정밀 추적 | 소형 잔해; 궤도 수정 |
여러 ADR 기술이 궤도 임무에서 시연되었거나 활발히 개발 중입니다. 이러한 선구적인 프로젝트는 능동적 잔해 제거의 타당성을 입증하고 미래 상업 서비스를 위한 길을 열고 있습니다.
RemoveDEBRIS는 영국 Surrey Space Centre가 주도하고 ESA가 지원하는 실험 임무였습니다. 2018년 ISS에서 배치되어 여러 ADR 기술을 시연했습니다:
RemoveDEBRIS는 네트와 작살이 회전하는 비협조 대상을 포획할 수 있음을 입증했습니다. 임무는 ADR 기술의 중요한 검증을 제공했습니다.
ClearSpace-1은 ESA의 첫 번째 전용 ADR 임무입니다. 스위스 스타트업 ClearSpace가 주도하며, 임무는 2013년 Vega 발사기에서 폐기된 상단 단계인 Vespa를 제거하는 것을 목표로 합니다. Vespa는 약 100 kg 무게이며 약 800 km 고도에서 궤도를 돌고 있습니다.
ClearSpace-1 우주선은 다음을 사용할 것입니다:
ClearSpace-1의 성공은 상업 ADR 서비스의 타당성을 입증하고 미래 제거 임무의 선례를 설정할 것입니다.
End-of-Life Services by Astroscale demonstration (ELSA-d)는 일본 회사 Astroscale의 궤도 임무입니다. 2021년 3월에 발사된 ELSA-d는 자기 도킹 메커니즘을 시연했습니다:
ELSA-d는 자기 포획이 제어되지 않고 회전하는 물체에 대해 작동할 수 있음을 보여주었습니다. Astroscale은 위성에 ADR을 위한 도킹 플레이트를 설계 단계에서 포함시키는 것을 목표로 합니다.
| 임무 | 기관/회사 | 출시 | 기술 | 상태 |
|---|---|---|---|---|
| RemoveDEBRIS | Surrey/ESA | 2018 | 네트, 작살, 항력 돛 | 완료 (성공) |
| ClearSpace-1 | ClearSpace/ESA | 2026 | 로봇 팔, 랑데부 | 개발 중 |
| ELSA-d | Astroscale | 2021 | 자기 도킹 | 운영 중 (성공) |
| TechDemoSat-1 | Surrey | 2014 | 항력 돛 | 완료 (성공) |
| ADRAS-J | Astroscale | 2024 | 랑데부, 검사 | 운영 중 |
잔해를 포획한 후, 재진입 궤도로 이동해야 합니다. 여러 궤도 이탈 방법이 제안되었으며, 각각 고유한 장점과 과제를 가지고 있습니다.
전통적인 추진 시스템(화학 또는 전기)을 사용하여 잔해의 페리지를 낮추고 재진입을 일으킵니다:
추진 기반 궤도 이탈은 대형 물체와 제어된 재진입이 필요한 경우(지상 위험 최소화)에 가장 적합합니다. 그러나 추진제 요구사항은 단일 서비서 우주선이 제거할 수 있는 물체 수를 제한합니다.
긴 전도성 케이블이 배포되어 지구 자기장과 상호 작용하여 전기역학적 항력을 생성합니다:
전자기 테더는 여러 임무에서 시연되었지만(TSS-1R, YES2, TEPCE), 배치 신뢰성과 긴 케이블 관리가 여전히 도전 과제입니다.
지상 또는 우주 기반 레이저가 잔해 표면을 가열하여 재료를 증발시키고 작은 추력을 생성합니다:
레이저 절제는 수 cm 크기의 소형 잔해에 가장 유망합니다. 연구는 지상 레이저가 시간이 지남에 따라 작은 물체의 궤도를 점진적으로 변경할 수 있음을 보여주었습니다.
ADR의 가장 큰 과제 중 하나는 경제성입니다. 단일 잔해 제거는 비용이 수천만에서 수억 달러로 추정됩니다. 연간 5-10개의 물체를 제거하려면 연간 수억 달러의 투자가 필요합니다.
여러 비즈니스 모델이 제안되었습니다:
상업 ADR은 초기 단계에 있지만, Astroscale, ClearSpace 및 D-Orbit와 같은 회사들이 실행 가능한 비즈니스를 구축하기 위해 노력하고 있습니다.
"널리 인간을 이롭게 하라"는 원칙은 능동적 잔해 제거가 단일 국가나 회사의 책임이 아니라 전 세계적 노력이어야 함을 제안합니다. 궤도 잔해는 모든 우주 활동을 위협하는 공유된 문제입니다. 역사적 우주 강국들이 지난 수십 년 동안 대부분의 잔해를 생성했지만, 해결책은 국제 협력을 필요로 합니다. 신흥 우주 국가들이 깨끗한 궤도 환경의 혜택을 받을 수 있도록 ADR 비용을 공평하게 분배하는 메커니즘이 개발되어야 합니다. 이는 공동 투자 기금, 기술 이전 및 능력 구축을 포함할 수 있습니다.