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[IT뉴스][과학을읽다] 위성은 왜 떨어지는가…'공기와 싸우는 우주', 초저궤도 전쟁

온카뱅크관리자

2026-03-29 06:37:31

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> "더 낮을수록 더 강해진다…공기저항 버티는 전기추진, 판 바꾼다" "초저궤도 위성 경쟁, 국가 안보·미래 경제 좌우하는 새로운 패권 전장" 
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 위성은 우주에 떠 있지만, 사실 공기 속을 날고 있다. 그리고 그 공기는 위성을 떨어뜨린다.
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 지구 상공 수백㎞, 인간이 활용하는 궤도는 완전한 진공이 아니다. 희박하지만 분명히 존재하는 대기(공기층)가 위성과 충돌하며 속도를 빼앗고, 결국 궤도를 무너뜨린다. 우리가 막연히 '우주'라고 부르는 공간의 상당 부분이 사실은 대기와 완전히 분리되지 않은 영역이라는 뜻이다.
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 그런데도 위성은 더 낮아지고 있다. 더 선명하게 보고, 더 빠르게 연결하기 위해서다. 이 모순을 버티게 만드는 기술이 전기추진, 그중에서도 이온엔진이다. 우주 개발의 방향이 '더 높이'에서 '더 오래 버티기'로 바뀌고 있다.
 더 낮아질수록 강해진다…초저궤도가 만드는 새로운 전장
 위성은 오랫동안 더 높은 궤도를 향해 올라갔다. 고도가 높을수록 안정적으로 오래 머물 수 있기 때문이다.
 하지만 최근 흐름은 정반대다. 위성은 점점 더 낮아지고 있다. 500~1000㎞ 저궤도에 머물던 위성들이 이제는 300㎞ 이하, 일부는 200㎞ 안팎까지 내려온다.
 이유는 분명하다. 지구와 가까울수록 더 선명하게 보고, 더 빠르게 연결할 수 있기 때문이다. 같은 광학 장비로도 더 높은 해상도의 영상을 얻을 수 있고, 군사 정찰에서는 수십 ㎝ 차이가 전략적 우위를 좌우한다.
 통신에서도 마찬가지다. 위성이 낮아질수록 신호 이동 거리가 줄어 지연(latency)이 감소한다. 저지연 통신은 자율주행, 실시간 드론 운용, 위성 인터넷 서비스의 핵심 조건이다.
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 여기에 인공지능(AI)이 결합하면서 '더 자주, 더 빠르게' 데이터를 수집하는 능력이 중요해졌다. 위성이 지구를 도는 주기가 짧아질수록 데이터 갱신 속도는 비약적으로 빨라진다.
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 양정호 한국항공우주연구원(KARI) 정책연구부 연구전략팀장은 "초저궤도 위성 경쟁은 단순한 기술 개발을 넘어, 우주를 국가 안보와 미래 경제를 위한 전략 공간으로 선점하려는 패권 경쟁의 연장선"이라며 "먼저 확보한 국가가 군사·경제적 우위를 점할 수 있다"고 강조했다.
 송성찬 한화시스템 우주사업부장은 "초저궤도 위성은 지상과의 거리가 짧아 해상도와 통신 감도가 크게 향상되고, 군사 통신에서는 초저지연 특성을 확보할 수 있다는 점에서 기존 저궤도 위성과 차별화된다"고 말했다.
 결국 초저궤도는 단순한 궤도 선택이 아니라, 정찰·통신·AI 데이터 경쟁이 맞물린 새로운 전장이다.
 보이지 않는 적, '공기'…위성을 끌어 내리는 가장 현실적인 힘
 초저궤도는 완전한 진공이 아니다. 이 고도에는 매우 희박하지만, 분명히 존재하는 대기(공기층)가 있다. 이 공기 분자들은 초속 7~8㎞로 비행하는 위성과 충돌하며 항력을 만들어낸다.
 이 힘은 작지만 지속적이다. 위성은 조금씩 속도를 잃고 궤도가 낮아지며 결국 대기권으로 재진입한다.
 고도가 낮을수록 이 현상은 급격히 커진다. 일반 저궤도 위성이 5~10년의 수명을 갖는다면, 초저궤도에서는 수개월에서 수년으로 줄어들 수 있다.
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 위성의 성능은 올라가지만, 생존 시간은 짧아진다. 초저궤도는 이 상반된 조건이 정면으로 충돌하는 영역이다. 결국 이 경쟁은 '공기와의 싸움'으로 귀결된다.
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 떨어지는 만큼 밀어낸다…이온엔진이 만든 새로운 균형
 이 문제를 해결하는 방식은 단순하다. 떨어지는 만큼 계속 밀어주면 된다.
 이온엔진은 전기를 이용해 기체를 이온화한 뒤, 전기장으로 가속해 뒤쪽으로 분사하는 방식의 추진 장치다. 쉽게 말해 연료를 한 번에 강하게 태워 큰 힘을 내는 화학로켓과 달리, 아주 작은 힘을 길고 꾸준하게 내는 엔진이다. 순간 추력은 약하지만 연료 효율이 높아, 긴 시간 동안 조금씩 위성을 밀어주는 데 적합하다.
 이를 이해하려면 자동차보다 전동 킥보드를 떠올리는 것이 쉽다. 자동차가 한 번에 강하게 가속하는 방식이라면, 전동 킥보드는 약한 힘으로 계속 밀어주며 속도를 유지하는데, 이온엔진도 이런 방식에 가깝다.
 임현수 항우연 우주탐사연구센터 임무설계팀장은 "초저궤도에서는 공기 저항으로 위성이 지속적으로 속도를 잃기 때문에 이를 상시적으로 보상할 수 있는 전기추진 기술이 필수적"이라며 "현재는 전기추진이 없으면 장기 운용이 어려운 궤도"라고 설명했다.
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 이 지속적인 미세 추력이 핵심이다. 위성이 잃는 속도만큼 계속 밀어주면 궤도를 유지할 수 있다. 다시 말해 이온엔진은 위성을 더 높이 올려 보내는 엔진이라기보다, 떨어지지 않도록 붙잡아 두는 엔진에 가깝다.
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 <img alt="유럽우주국(ESA)의 지구중력장 탐사 위성 'GOCE'. 낮은 궤도에서 이온엔진을 이용해 공기 저항을 극복하며 장기간 임무를 수행했다. ESA/AOES Medialab 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202603/29/akn/20260329063131448kkpo.jpg" data-org-width="745" dmcf-mid="xSzJWfGhTL" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202603/29/akn/20260329063131448kkpo.jpg" width="658">
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 유럽우주국(ESA)의 지구중력장 탐사 위성 'GOCE'. 낮은 궤도에서 이온엔진을 이용해 공기 저항을 극복하며 장기간 임무를 수행했다. ESA/AOES Medialab 제공
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 유럽우주국(ESA)의 지구중력장 탐사 위성 'GOCE'가 낮은 고도에서 전기추진 엔진을 상시 가동하며 4년 이상 임무를 수행한 것도 이런 원리를 보여주는 대표 사례다.
 이온엔진은 이제 선택이 아니라, 초저궤도 시대를 가능하게 하는 전제 조건이 되고 있다.
 저항을 피할 것인가, 견딜 것인가…기술의 두 가지 해법
 초저궤도에서 위성이 공기와 싸우는 방식은 바닷속 무기와도 닮았다.
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 초공동어뢰는 물속에서 어뢰 주위에 거대한 기포층을 만들어 몸체가 물과 직접 맞닿는 면적을 크게 줄이는 방식으로 움직인다. 물은 공기보다 훨씬 밀도가 높아 저항이 큰데, 이 기포층이 일종의 '빈 공간'을 만들어 마찰을 급격히 낮춰주는 것이다. 쉽게 말해 물을 가르며 나아가는 대신, 거품 속 빈 통로를 만들고 그 안을 질주하는 셈이다.
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 반면 초저궤도 위성은 정반대 조건에 놓여 있다. 공기를 걷어낼 수도, 피할 수도 없기 때문에 이온엔진으로 계속해서 미세한 추력을 가해 저항으로 잃는 속도를 보충해야 한다.
 즉, 초공동어뢰가 저항을 회피하는 기술이라면, 초저궤도 위성은 저항을 견디며 균형을 유지하는 기술이다.
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 결국 두 기술은 같은 문제를 푼다. 저항 속에서도 속도를 잃지 않는 것이다.
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 이미 시작된 전쟁…그리고 바뀌는 우주의 규칙
 초저궤도 경쟁은 이미 현실이다. 미국의 스페이스X는 스타링크 위성에 전기추진기를 적용해 궤도 유지와 위치 제어를 수행하고 있으며, 중국과 유럽 역시 관련 기술 확보에 속도를 내고 있다. 이 경쟁의 핵심은 결국 '버티는 능력'이다.
 송성찬 부장은 "초저궤도 환경에서는 높은 대기 밀도로 인해 위성 고도가 자연적으로 감소하기 때문에 이를 보상할 수 있는 고성능 추력기가 핵심 구성 요소"라며 "향후 위성 경쟁력은 이러한 추진 기술 확보 여부에 따라 크게 달라질 것"이라고 했다.
 그러면서 그는 "초저궤도 기술이 상용화되면 초저지연 통신과 초고해상도 관측 위성이 대규모로 운용되면서, 전 세계 실시간 연결과 정밀 관측 등 새로운 서비스가 등장할 것"이라고 전망했다.
 신상우 항우연 정책연구부 우주항공정책팀장은 "국내 위성 기술은 세계 4~5위 수준이지만 초저궤도 특화 기술은 아직 개발 단계"라며 "정부 수요 기반 기술 내재화와 민간 주도 생태계 육성이 병행돼야 한다"고 강조했다.
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 초저궤도는 더 이상 개념이 아니라, 각국이 주도권을 놓고 경쟁하는 현실의 무대다.
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 <img alt="기사의 이해를 돕기 위한 자료 사진. 픽사베이 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202603/29/akn/20260329063135270vvbu.jpg" data-org-width="745" dmcf-mid="YrtQhBSrSJ" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202603/29/akn/20260329063135270vvbu.jpg" width="658">
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 기사의 이해를 돕기 위한 자료 사진. 픽사베이 제공
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 우주 개발은 오랫동안 '더 멀리, 더 높이' 나아가는 경쟁이었다. 하지만 지금 벌어지는 경쟁은 정반대다. 더 낮게, 더 가까이, 더 빠르게. 그리고 그 중심에는 눈에 보이지 않는 공기와, 이를 이겨내기 위한 미세한 추진 기술이 있다.
 영국의 유력 경제지 파이낸셜타임스(FT)는 초저궤도를 '위성이 끊임없이 공기와 싸워야 하는 영역'으로 묘사한다. 우주는 더 이상 비어 있는 공간이 아니라, 저항이 존재하는 물리적 환경이라는 의미다.
 초저궤도는 더 이상 '비어 있는 우주'가 아니라, 끊임없이 밀어내야 하는 물리적 환경이 됐다.
 우주 개발은 오랫동안 '더 멀리, 더 높이' 나아가는 경쟁이었다. 하지만 지금 벌어지는 경쟁은 정반대다. 더 낮게, 더 가까이, 더 빠르게. 그리고 그 중심에는 눈에 보이지 않는 공기와, 이를 이겨내기 위한 미세한 추진 기술이 있다.
 우주는 비어 있지 않다. 위성은 궤도를 도는 것이 아니라, 끊임없이 떨어짐을 밀어내며 버티고 있다. 
 김종화 기자 justin@asiae.co.kr
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