⚡ electrical engineering

Emissions Assessment of Low Earth Orbit (LEO) Broadband Megaconstellations; Starlink, OneWeb and Kuiper

본 논문은 스타링크, 원웹, 쿠피어와 같은 저궤도 광대역 메가컨스텔레이션의 환경적 영향을 분석하여, 이러한 시스템이 농촌 인터넷 접근성을 크게 개선하지만 지상 4G 네트워크보다 가입자당 CO2 배출량이 6~8 배 더 많다는 사실을 발견함으로써 연결성 목표와 우주 부문의 증가하는 탄소 발자국 사이의 균형을 고려한 신중한 정책적 검토가 필요함을 시사한다.

원저자: Ogutu B. Osoro, Edward J. Oughton, Andrew R. Wilson, Akhil Rao

게시일 2026-04-15

📖 4 분 읽기☕ 가벼운 읽기

CC BY 4.0

원저자: Ogutu B. Osoro, Edward J. Oughton, Andrew R. Wilson, Akhil Rao

원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

이 논문은 간단한 언어와 창의적인 비유를 사용하여 설명합니다.

큰 그림: 높은 하늘로 향하는 경주, 하지만 무거운 가격표

인터넷을 거대한 배송 서비스라고 상상해 보세요. 수십 년 동안 우리는 가정으로 인터넷을 배송하기 위해 '지상 트럭'(광케이블과 기지국) 에 의존해 왔습니다. 하지만 깊은 숲, 사막, 섬과 같은 외진 곳에서는 이러한 트럭을 위한 도로를 만드는 것이 너무 비싸고 느립니다.

이를 해결하기 위해 스페이스X, 아마존, 원웹이라는 세 거대 기업이 하늘에 '비행 창고'를 건설하고 있습니다. 이들은 저궤도 (LEO) 메가컨스텔레이션으로, 지구 가까이에서 수천 개의 소형 위성을 궤도 운행시켜 어디서나 누구에게나 인터넷을 전송합니다.

이 논문은 간단하지만 중요한 질문을 던집니다: 이러한 비행 창고를 쏘아 올리는 환경적 비용이 그들이 제공하는 인터넷의 혜택과 맞먹을까요?

주요 등장인물: 세 가지 위성 군집

이 연구는 세 가지 주요 위성 그룹의 '1 단계' 계획을 살펴봅니다:

스타링크 (SpaceX): 약 4,425 개의 위성을 보유한 가장 큰 함대입니다. 이미 가동 중입니다.
쿠iper (아마존): 현재 건설 중인 3,236 개의 위성으로 구성된 거대한 함대입니다.
원웹: 648 개의 위성으로 구성된 더 작은 함대로, 대부분이 이미 배치되었습니다.

연구진은 이를 GEO 운영자(전통적인 위성 시스템) 와 비교했습니다. GEO 위성은 적도 상공에 주차된 거대하고 느리게 움직이는 단일 트럭이라고 생각하면 됩니다. 이는 넓은 지역을 커버하지만 이동 속도가 느리고 용량이 적습니다.

문제: '로켓 세금'

이 위성들을 하늘로 보내려면 로켓으로 발사해야 합니다. 이 논문은 수천 개의 위성을 발사하는 것은 소수의 택배를 전달하기 위해 막대한 양의 연료를 태우는 것과 같다고 주장합니다.

비유: 이웃에게 편지를 전달해야 한다고 가정해 보세요. 당신은 걸을 수 있습니다 (지상 인터넷), 아니면 개인 제트기를 고용해 집 위로 날아 편지를 떨어뜨린 후 기체를 추락시킬 수도 있습니다. 제트기는 일을 해내지만, 걷는 것에 비해 훨씬 더 많은 연료를 태우고 엄청난 혼란을 초래합니다.
결과: 이 연구는 이러한 LEO 위성을 통한 인터넷 접속이 지상의 표준 4G 모바일 네트워크를 사용하는 것보다 사용자당 탄소 배출량이 6~8 배 더 많음을 발견했습니다.
- LEO 위성: 사용자당 연간 약 250kg 의 CO2 배출량.
- 지상 4G: 사용자당 연간 약 33~40kg 의 CO2 배출량.
- 전통적 GEO 위성: 사용자당 연간 약 21~55kg 의 CO2 배출량.

'영수증': 우리는 무엇을 대가로 치르고 있는가?

연구진은 탄소만 보지 않고 생애 주기 평가 (LCA) 라는 방법을 사용하여 전체적인 '환경 영수증'을 확인했습니다. 이는 금속 채굴부터 연료 소모까지, 식품 포장지의 성분표를 확인하여 제조에 들어간 모든 것을 파악하는 것과 같습니다.

그들은 이러한 위성 군집을 발사하는 것이 다음 다섯 가지 주요 영역에서 피해를 준다는 사실을 발견했습니다:

기후 변화: 가장 큰 영향입니다. 로켓 연료 연소는 하층 대기를 가열하고 상층 대기를 냉각시켜 기상 패턴을 교란시킵니다.
오존층 파괴: 로켓은 지구의 보호막인 오존층을 갉아먹는 화학 물질을 방출합니다.
자원 고갈: 로켓과 위성 제작에 필요한 금속과 광물을 채굴하는 것은 지구의 유한한 자원을 고갈시킵니다.
수질 독성: 로켓 연료에 사용된 화학 물질은 담수 생태계를 독살할 수 있습니다.
인간 독성: 배출물은 인간 건강에 해를 끼칠 수 있습니다.

'우주 vs 지상' 비교:

스타링크는 위성이 가장 많아 배출량이 가장 많습니다.
쿠iper는 그 다음으로 근접합니다.
원웹은 위성이 적어 더 좋지만, 여전히 지상 인터넷보다 훨씬 나쁩니다.
전통적 GEO 위성은 환경적으로 가장 '가벼운' 옵션이지만, 속도가 느리고 품질이 낮은 인터넷을 제공합니다.

'1 인당' 비용

이 논문은 1 인당 비용을 계산합니다.

스타링크를 사용하면, 당신의 로켓 오염 분담금은 매년 런던에서 밀라노로 가는 편도 이코노미 항공편을 타는 것과 거의 동일합니다.
지상 4G를 사용하면, 당신의 분담금은 피렌체에서 볼로냐로 차를 운전하는 것과 같습니다 (훨씬 짧은 거리).

절충안: 속도 vs 지속 가능성

이 논문은 정책 입안자들에게 어려운 선택을 인정합니다:

좋음: 이러한 위성들은 이전에는 인터넷을 전혀 경험하지 못한 사람들 (시골 지역, 외진 섬) 에게 고속 인터넷을 제공합니다. 이는 교육 및 개발에 대한 글로벌 목표 달성에 도움이 됩니다.
나쁨: 이 속도를 얻기 위해 우리는 대기 중 오염을 급격히 증가시키고 있습니다.

저자들은 만약 이러한 기업들이 '2 단계'(수만 개의 추가 위성 발사 계획) 로 이동할 경우, 환경 피해가 급증할 것이라고 경고합니다.

이 논문이 말하지 않는 것

이 논문은 위성 건설을 중단해야 한다고 말하지 않습니다. 대신 비용에 대해 인식해야 한다고 말합니다.
이 논문은 '친환경 연료'와 같은 구체적인 새로운 기술로 로켓을 고칠 것을 제안하지 않습니다. 왜냐하면 이 논문은 새로운 기술로 해결하는 것이 아니라 현재의 영향을 측정하는 데 초점을 맞추기 때문입니다.
이 논문은 위성이 지구로 재진입할 때 발생하는 오염을 포함하지 않습니다. 왜냐하면 그 과학은 아직 새롭고 그들이 계산을 할 때 완전히 이해되지 않았기 때문입니다.

결론

이 논문은 '현실 점검'입니다. 위성 인터넷은 연결되지 않은 사람들을 연결하는 데 기적이지만, 우리가 이미 지상에 가지고 있는 인터넷보다 약 6~8 배 더 무거운 환경적 가격표를 지니고 있다고 알려줍니다.

저자들은 다음 거대한 위성 파도를 발사하기 전에, 더 빠른 인터넷의 혜택과 지구를 가열하고 대기를 손상시키는 비용 사이를 신중하게 저울질해야 한다고 제안합니다. 그들은 규제 기관들이 재정적 비용과 마찬가지로 이 '환경 세금'에 대해 생각하기를 원합니다.

1. 연구 배경 및 문제 제기 (Problem)

저궤도 (LEO) 초거대 위성 군집 (Megaconstellations) 의 급격한 성장은 전 세계적 광대역 인터넷 접근성을 향상시켜 지속가능발전목표 (SDGs) 달성에 기여하고 있습니다. 그러나 이러한 성장은 로켓 발사 횟수의 폭발적 증가를 동반하며, 이로 인한 환경적 외부효과가 심각한 우려를 낳고 있습니다.

핵심 문제: 로켓 연료 연소로 인한 온실가스 (GHG) 배출, 성층권 오존층 파괴, 대기 밀도 감소 (우주 쓰레기 제거 효율 저하) 등의 환경적 영향이 기존 지상 통신망에 비해 얼마나 심각한지 정량화된 데이터가 부족합니다.
연구 목적: Amazon Kuiper, OneWeb, SpaceX Starlink 의 1 단계 계획 (Phase 1) 에 대한 지속 가능성 분석을 수행하여, 위성 인터넷 제공의 사회적 이익과 환경적 비용 간의 트레이드오프를 평가하고 정책적 시사점을 도출하는 것입니다.

2. 연구 방법론 (Methodology)

저자들은 **Saleos (Sustainability Analytics for Low Earth Orbit Satellites)**라는 오픈소스 모델링 프레임워크를 개발하여 통합 분석을 수행했습니다.

생명주기 평가 (LCA, Life Cycle Assessment):
- 범위: 로켓 제조, 운송, 테스트, 발사 (위성 탑재) 까지 전 과정을 포함. (위성 자체 생산 및 재진입 배출은 데이터 부재로 제외).
- 데이터 소스: Strathclyde Space Systems Database (SSSD) 를 기반으로 Falcon-9, Ariane, Soyuz-FG 등 주요 발사체의 환경 영향 데이터를 활용.
- 평가 지표: IPCC 기준 100 년 기준 온난화 잠재력 (GWP, $CO_2eq$ ), 오존층 파괴 잠재력 (ODP, $CFC-11eq$), 자원 고갈, 수생 생태계 독성, 인간 독성 등 5 가지 범주로 평가.
용량 및 수요 모델링:
- Friis 전송 방정식을 기반으로 위성별 채널 용량 (Mbps) 을 산출.
- 저 (Low), 기준 (Baseline), 고 (High) 세 가지 가입자 수용 시나리오를 설정하여 1 인당 평균 데이터 속도 및 월간 트래픽을 추정.
비용 분석:
- 총 소유 비용 (TCO) 을 산출하기 위해 자본 지출 (Capex: 위성 제조, 발사, 지상국 등) 과 운영 지출 (Opex: 에너지, 인건비, 유지보수 등) 을 할인율 7% 로 적용하여 계산.
- 사회적 비용 (SCC, Social Cost of Carbon) 을 적용하여 배출량에 따른 경제적 손실을 환산.

3. 주요 기여 (Key Contributions)

최초의 통합 비교 분석: LEO 3 대 군집 (Starlink, OneWeb, Kuiper) 과 대표 GEO(정지궤도) 운영자를 대상으로 환경, 용량, 비용, 사회적 비용을 종합적으로 비교한 최초의 연구 중 하나입니다.
1 인당 배출량 지표 제시: 전체 시스템의 총 배출량뿐만 아니라, **가입자 1 인당 연간 배출량 ( $kg CO_2eq/subscriber/year$ )**을 핵심 지표로 제시하여 통신 서비스의 환경 효율성을 정량화했습니다.
정책적 프레임워크 제안: 우주 산업의 환경적 외부효과를 내부화하기 위한 규제 방안 (예: 탄소세, 국경 탄소 조정) 에 대한 근거를 마련했습니다.

4. 주요 결과 (Key Results)

A. 환경 영향 (배출량)

LEO vs 지상망 (4G): LEO 위성 인터넷은 지상 4G 모바일 네트워크보다 약 6~8 배 더 많은 탄소 배출을 발생시킵니다.
- LEO 평균: 약 250 $kg CO_2eq$ /가입자/년 (Starlink 172, OneWeb 274, Kuiper 303).
- 지상 4G (시골/원격): 32.8 ~ 39.5 $kg CO_2eq$ /가입자/년.
LEO vs GEO: LEO 군집은 대표 GEO 운영자보다 약 9~12 배 더 배출량이 많습니다.
- GEO: 약 21~55 $kg CO_2eq$ /가입자/년.
총 배출량: Phase 1 기준 총 $CO_2eq$ 배출량은 Kuiper(2.71 Mt), Starlink(2.84 Mt), OneWeb(0.9 Mt) 로 추정되며, 이는 수만 대의 자동차 연간 배출량과 맞먹습니다.
지역별 편차: 인구 밀도가 낮은 사막, 극지방, 열대우림 지역에서는 1 인당 배출량이 매우 높게 나타나는 반면 (120 $kg CO_2eq$ 이상), 아시아나 유럽 등 인구 밀집 지역에서는 상대적으로 낮습니다.

B. 용량 및 서비스 품질

용량 우위: LEO는 GEO 대비 평균 4 배 높은 피크 데이터 속도를 제공합니다.
- LEO: 약 39 Mbps/가입자 (동시 접속 시).
- GEO: 약 11 Mbps/가입자.
월간 트래픽: LEO 가입자는 월간 약 540~752 GB 의 데이터를 다운로드할 수 있는 잠재 용량을 가집니다.

C. 경제적 비용 및 사회적 비용 (SCC)

TCO (총 소유 비용): Starlink 는 가장 많은 가입자를 대상으로 하여 1 인당 비용이 가장 낮습니다 (약 $1,202). 반면 GEO 는 1 인당 비용이 가장 높습니다 (약 $2,486).
사회적 비용 (SCC): 탄소 배출로 인한 사회적 피해 비용을 환산할 때, Kuiper 는 약 6 억 2 천만 달러, Starlink 는 5 억 2 천만 달러, OneWeb 은 1 억 7 천 9 백만 달러의 SCC 가 발생합니다. GEO 는 1 억 2 천 7 백만 달러로 상대적으로 낮습니다.

5. 의의 및 시사점 (Significance)

환경적 지속가능성의 딜레마: LEO 위성은 디지털 격차 해소와 SDGs 달성에 필수적이지만, 그 환경 비용 (특히 탄소 배출) 은 지상망 대비 매우 높습니다. 특히 향후 Phase 2 로 위성이 10 배 이상 증가할 경우 환경적 영향은 기하급수적으로 커질 것입니다.
정책적 권고:
- 정책 입안자들은 인터넷 접근성 향상과 환경 보호 사이의 균형을 신중하게 고려해야 합니다.
- 로켓 발사 시 환경 규제를 강화하거나, 서비스 제공 시점에 탄소 가격을 부과하는 등의 정책 (예: 국경 탄소 조정) 이 필요할 수 있습니다.
- 로켓 연료 (수소 vs 탄화수소) 와 재사용 기술의 발전이 환경 영향을 줄이는 핵심 변수임을 강조합니다.
향후 연구 방향: 위성 재진입 (Re-entry) 시 발생하는 대기 오염, 위성 제조 과정의 LCA 데이터 확보, 그리고 더 정교한 배출 인자 정립이 시급합니다.

결론적으로, 이 연구는 LEO 초거대 위성 군집이 제공하는 막대한 통신 혜택이 상당한 환경적 비용을 수반함을 입증하며, 우주 산업의 무분별한 성장이 아닌 지속 가능한 발전 모델을 위한 긴급한 정책적 개입과 기술적 혁신이 필요함을 강력히 주장합니다.