Kilometre-scale orbital data centres may clear debris by avoiding rocket bodies and defunct satellites

우리 머리 위의 하늘이 점점 혼잡해지고 있습니다. 수십 년 동안 인간의 활동은 수명을 다한 로켓 단계, 고장 난 위성, 그리고 무수히 많은 금속과 페인트 파편이라는 혼란스러운 우주 쓰레기 층을 남겨두었습니다. 이 잔해들은 소총 탄환보다 약 10배 더 빠른 초고속으로 이동합니다. 이러한 속도에서는 아주 작은 입자조차 우주선에 구멍을 뚫을 수 있으며, 더 큰 조각은 위성을 수천 개의 새로운 파편으로 산산조각 낼 수 있습니다. 이는 충돌이 더 많은 잔해를 생성하고, 이것이 다시 더 많은 충돌로 이어지는 위험한 순환을 만듭니다. 과학자들은 이를 '충돌 연쇄(collisional cascade)'라고 부르며, 이는 결국 특정 궤도를 수 세기 동안 사용할 수 없게 만들 수 있는 폭주 과정입니다.

이제, 이 바로 그 환경에 거대한 데이터 센터를 배치하려는 새로운 세대의 제안들이 등장하고 있습니다. 기업들은 저궤도에 수 제곱킬로미터에 달하는 구조물을 건설할 계획을 세우고 있는데, 이는 본질적으로 지속적인 태양광을 동력으로 사용하는 떠다니는 서버 농장입니다. 이러한 시설은 인공지능에 필요한 엄청난 컴퓨팅 능력을 처리할 수 있도록 설계된, 수 킬로미터에 달하는 태양광 배열을 갖춘 거대한 구조물이 될 것입니다. 이 프로젝트들의 핵심 질문은 항상 우주 쓰레기가 구조물에 어떤 영향을 미칠 것인가였습니다. 길 잃은 잔해 조각이 섬세한 태양광 패널에 구멍을 낼 것인가? 새로운 연구는 이 질문을 완전히 뒤집습니다. 잔해가 구조물에 무엇을 하는지를 묻는 대신, 구조물이 잔해에 무엇을 하는지를 묻습니다. 그 답은 놀라운 가능성을 보여줍니다. 이 거대한 궤도 플랫폼은 관리 방식에 따라 역사상 최악의 오염원이 될 수도, 혹은 우주에서 가장 효과적인 청소기가 될 수도 있다는 것입니다.

연구자 자이웨이 징(Jiawei Jing)이 이끄는 이 연구는 킬로미터 규모의 구조물이 보이는 행동을 15년 동안 시뮬레이션합니다. 모델은 데이터 센터의 경로를 가로지르는 두 가지 뚜렷한 유형의 물체를 추적합니다. 첫 번째 그룹은 작고 치명적인 물체들로, 지상 레이더로는 추적할 수 없을 만큼 작지만 위성에 부딪힐 경우 위성을 파괴할 만큼 무겁습니다. 두 번째 그룹은 이미 잘 알려져 있고 추적되고 있는, 수명이 다한 위성이나 로켓 본체와 같은 크고 온전한 물체들을 포함합니다. 연구 결과, 얇은 태양광 배열은 이 두 그룹에 대해 매우 다르게 반응한다는 것을 발견했습니다. 작고 빠르게 움직이는 파편이 가벼운 시트에 부딪히면, 충격이 파편의 속도를 크게 늦춥니다. 시트에 구멍이 뚫리면서 발생하는 운동량 교환은 파편의 궤도를 떨어뜨려 짧은 시간 내에 대기권에서 타서 없어지게 하기에 충분합니다. 이런 방식으로, 구조물은 자연스럽게 추적 불가능하고 임무를 끝내버리는 잔해들을 하늘에서 쓸어냅니다.

하지만 크고 온전한 물체와의 상호작용은 다른 이야기를 들려줍니다. 거대한 로켓 본체나 죽은 위성이 얇은 배열을 가로지를 때, 시트는 그것을 멈추지 못합니다. 대신, 충격은 마치 벽에 고속 투사체가 부딪히는 것과 같은 작용을 합니다. 전달되는 에너지가 너무 강렬하여 큰 물체의 표면 일부를 깎아내거나, 최악의 경우 전체를 산산조각 내어 새로운 파편 구름을 만들 수 있습니다. 연구에 따르면, 만약 큰 물체의 질량이 아주 적은 부분(1% 미만)이라도 깎여 나가거나 물체가 완전히 부서진다면, 구조물은 새로운 우주 쓰레기의 근원이 됩니다. 구조물이 이러한 큰 물체들을 피하기 위해 아무것도 하지 않는 시뮬레이션에서는, 해당 궤도 층의 치명적이고 추적 불가능한 파편 수가 현재보다 3배에서 15배까지 더 많아질 수 있습니다. 구조물이 효과적으로 새로운 위험을 뿌리는 셈이며, 작은 잔해를 정화하는 자연스러운 과정을 되돌리는 것입니다.

해결책은 특정한 유형의 회피 기동에 있습니다. 연구는 데이터 센터가 몇 백 개의 큰 추적 대상들(로켓 본체 및 수명이 다한 위성)만을 피하도록 프로그래밍된다면, 순수하게 잔해를 제거하는 역할을 할 수 있음을 보여줍니다. 이러한 거대한 목표물들을 피해 경로를 틀면, 구조물은 작은, 추적 불가능한 파편들이 통과하여 태양광 배열에 의해 속도가 줄어들게 하면서도, 새로운 쓰레기 구름을 만드는 파괴적인 충돌은 피할 수 있습니다. 이러한 선택적 회피는 놀라울 정도로 효율적입니다. 연구는 만약 구조물이 고도에 따라 93%에서 99.6% 사이의 큰 물체들을 성공적으로 걸러낼 수 있다면, 오염을 일으키는 것보다 더 빠르게 궤도를 정화할 것이라고 제안합니다. 이는 구조물이 정화해야 할 작은 파편들을 포함하여 모든 추적 가능한 잔해를 모두 피하려고 할 때 필요한 거의 완벽한 회피 수준보다 훨씬 낮은 문턱값입니다.

이 선택적 정화의 비용은 관리 가능한 수준이지만, 이는 우리가 큰 물체들의 위치를 얼마나 잘 알고 있느냐에 달려 있습니다. 로켓 본체를 피하기 위해 구조물은 거대한 프레임을 교차 지점을 피할 수 있을 만큼만 충분히 움직여야 합니다. 만약 로켓 본체의 위치가 수백 미터 이내의 높은 정밀도로 알려져 있다면, 이러한 기동에 필요한 연료는 상대적으로 적습니다. 그러나 위치가 수 킬로미터 정도 불확실하다면, 안전한 회피를 보장하기 위해 필요한 연료는 급격히 증가하여 매년 구조물 질량의 상당 부분을 소비하게 될 수 있습니다. 또한 연구는 중요한 취약점을 강조합니다. 구조물 내부의 밀집된 컴퓨터 모듈은 매우 취약한 대상입니다. 얇은 태양광 패널과 달리, 이 무거운 모듈들은 깨지기 쉬운 표적입니다. 만약 큰 물체가 컴퓨터 모듈에 부딪히면 모듈을 산산조각 내어 거대한 새로운 파편 구름을 만들 가능성이 높습니다. 따라서 컴퓨터 모듈은 자신을 파괴할 수 있는 모든 추적된 물체를 피하도록 보호되어야 하며, 이는 태양광 배열을 위한 요구사항보다 훨씬 엄격한 조건입니다.

이러한 발견은 우주 기관과 기업들이 위험을 평가하는 현재의 방식을 뒤흔듭니다. 표준적인 안전 규칙은 충돌이 우주선에 손상을 줄 확률에 집중합니다. 하지만 이 거대한 구조물들에게 그 접근 방식은 불충분합니다. 연구는 규제 기관과 운영자들이 충돌 자체의 결과에 주목해야 한다고 주장합니다. 만약 큰 물체가 배열을 가로질러 지나가며 부서진다면, 설령 구조물 자체가 살아남더라도 그 구조물은 환경적 의무를 다하지 못한 것입니다. 연구는 이러한 미래형 데이터 센터의 설계가 구조 자체의 보호보다 궤도 환경의 보호를 우선시해야 한다고 제사합니다. 작은 잔해들이 통과하여 정화되도록 허용하면서, 동시에 큰 추적 가능한 쓰레기들은 적극적으로 피함으로써, 이 킬로미터 규모의 플랫폼들은 인류가 만든 물체 중 처음으로 우주 잔해의 수를 실제로 줄이는 존재가 될 수 있습니다.

이 결과는 보장된 것이 아닙니다. 이는 아직 실제 궤도 환경에서 측정되지 않은 두 가지 요소에 달려 있습니다. 즉, 거대한 물체가 궤도 속도로 얇은 시트를 스치고 지나갈 때 정확히 얼마만큼의 질량을 잃는지, 그리고 그 잃어버린 질량이 얼마나 많은 새로운 파편을 만들어내는지입니다. 이러한 물리적 상호작용이 테스트되기 전까지, 데이터 센터가 순수하게 잔해를 제거하는 역할을 할 수 있는 정확한 효율성은 시뮬레이션 단계에 머물러 있습니다. 그럼에도 불구하고, 이 연구는 명확한 방향을 제시합니다. 거대 우주 인프라 시대의 저궤도의 운명은 하나의 '설계 선택'임을 보여줍니다. 만약 이 구조물들이 큰 추적 대상들을 피하도록 설계되어 작은 잔해들이 통과하게 한다면, 그들은 하늘을 청소하는 데 도움을 줄 것입니다. 하지만 만약 이들이 모든 추적 가능한 물체를 피하도록 설계되거나, 더 나아가 큰 물체들을 무시하도록 설계된다면, 그들은 우주 쓰레기를 폭발적으로 증가시켜 그들이 작동하는 데 필요한 궤도를 아예 사용할 수 없게 만들 것입니다. 하늘을 청소하는 엘리베이터와 하늘을 쓰레기로 채우는 엘리베이터의 차이는, 단지 그 엘리베이터가 어떤 물체를 피해야 하는지를 알고 있느냐에 달려 있습니다.