대기권을 뚫고 우주로 가기 위해서는 비행기와는 또 다른 시스템인 로켓이 필요합니다. 인류를 달에 보내는 데 성공한 아폴로프로젝트 기억하시죠? 아폴로프로젝트를 위해 NASA는 '새턴(Saturn)' 로켓을 개발합니다. 새턴Ⅴ는 지름 10m, 높이는 111m에 달해요. 새턴Ⅴ에 실을 수 있는 중량은 140t이나 됩니다.

대형 위성의 무게를 약 1t으로 잡아도 140개의 위성을 우주로 보낼 수 있는 능력을 갖고 있어요. 이제까지 인류가 만든 가장 거대한 로켓이에요. 이 로켓을 1960년대에 만들었다는 사실이 믿겨지시나요.

안전하고 신뢰받는 연료 케로신

로켓의 연료를 살펴볼게요. 새턴Ⅴ는 3단으로 구성되어 있는데요, 1단 로켓은 '케로신'이라는 연료를 사용합니다. 로켓의 1단은 대기권을 통과하는데 가장 중요한 역할을 해요.

케로신은 원유에서 정제한 '등유'를 뜻해요. 석유제품 중 가장 오래 전부터 사용됐던 연료입니다('국민학교' 때 사용했던 난로에 들어가는 연료가 등유에요😃). 상온에서 액체로 존재해 관리가 쉽고 가격도 저렴해요. 따라서 과거 로켓 연료는 대부분 케로신을 사용했습니다. 정확히 얘기하면 케로신을 사용하는 '엔진'을 만든거죠. 새턴V 뿐 아니라 지금까지 인류가 만든 로켓 중 가장 안전하다고 평가받는(성공률 98%) 러시아의 소유즈 로켓 역시 케로신 기반의 엔진을 사용합니다.

재사용 로켓으로 발사 비용을 줄인 일론 머스크의 스페이스X도 케로신을 선택했어요. 유명한 재사용 로켓 ‘팰컨9’은 1~2단 엔진 모두 케로신을 연료로 사용합니다. 기술도 많이 축적돼 있고, 경제적이며 안전하기 때문이죠.

다만 케로신은 문제가 하나 있어요. 한번 연소하고 나면 엔진 곳곳에 검게 탄 '탄소찌꺼기'가 생겼거든요. 한 번 쏘고 버리는 로켓이라면 상관이 없는데, 스페이스X나 블루오리진처럼 재사용 로켓을 개발하고 있는 기업에게 탄소찌꺼기는 골칫거리였어요. 찌꺼기가 엔진에 쌓이면 성능이 저하돼 재사용이 어려워집니다. 일반적으로 케로신 기반의 로켓은 10~15회 사용하면 재사용이 어려운 것으로 알려져 있어요. 그래도 스페이스X는 케로신을 선택합니다. 이유는 간단해요. 처음에는 10~15번 쓰고 버린다고 해도 충분히 경제성이 있다는 판단을 했기 때문입니다.

액체수소 선택한 블루오리진

스페이스X의 경쟁사 '블루오리진'도 비슷한 길을 선택합니다. 블루오리진의 시험용 엔진 ‘BE-2’는 케로신을 연료로 사용합니다.

그런데 '뉴세퍼드' 로켓에 탑재한 ‘BE-3’는 액체수소를 연료로 쓰는 엔진이었어요. 수소는 케로신과 비교했을 때 적은 양으로 큰 힘을 낼 수 있습니다. 이는 로켓의  무게를 줄여 더 많은 위성을, 더 높은 궤도에 내려놓을 수 있어 장점으로 작용합니다. 연소 이후에 엔진에 찌꺼기가 남지 않아 잘만 만든다면 100번이고 200번이고 재사용이 가능합니다.

하지만 문제가 있었죠. 수소를 많이 실으려면 수소를 액체로 만들어야 하는데, 아시다시피 수소의 끓는점은 영하 253도에요. 즉 발사 내내 액체수소가 담긴 로켓의 연료통이 영하 253도를 유지해야 합니다. 소재부터 단열까지 모든 기술의 난이도가 상당히 높아요. 연료 가격도 케로신과 비교해 약 30배 정도 비쌉니다.  블루오리진은 액체 수소 기반의 로켓을 만들어 준궤도(고도 50~100km) 비행과 재사용에 성공합니다.

 

팰컨9은 물론 팰컨 헤비 등을 케로신 기반의 엔진으로 만들어 재사용 로켓을 개발한 스페이스X, 그리고 액체 수소 기반의 BE-3 엔진을 제작한 블루오리진. 재사용 로켓 엔진의 연료는 케로신과 액체수소 두 갈래로 나뉘는 듯 보였습니다.

재사용 로켓을 개발하려는 국가나 기업들은 스페이스X와 블루오리진의 경쟁을 눈여겨봤어요. 앞서있는 두 기업 중 어떤 로켓이 더 경제적이고 안정적인지 확인한 뒤 그대로 따라가면 시행착오에 따른 비용을 줄일 수 있거든요.

그런데 이때부터 '우주'에 큰 변화가 일어나기 시작합니다. 1kg의 물체를 우주로 보내는데 필요한 비용은 2010년 이전까지 6000~1만2000달러 수준이었어요. NASA, 유럽우주국(ESA), 일본, 러시아 정부가 개발한 로켓의 발사 비용입니다. 그런데 스페이스X가 2010년 팰컨9의 발사 비용을 kg당 3000달러 아래로 떨어트리는데 성공해요.

단순 계산으로 과거에는 1t짜리 위성을 쏘는데 600만 달러, 약 79억 원이 필요했는데(최저가 기준) 스페이스X가 이를 30억 원대로 떨어 트린거죠(물론 실제 발사비용은 이보다 더 비쌉니다. 기존 로켓의 경우 발사 비용만 수백~수천억원에 달한다고 해요). 이를 본 많은 국가, 기업들은 “로켓 가격이 저렴해지는구나"라고 생각하며 위성 시장 진출을 고려하게 됩니다.

 

뉴스페이스 시대의 도래 

2010년 유로컨설턴트, 미국우주재단 등은 스페이스X의 출현으로 향후 위성 시장이 빠르게 성장할 것이라는 전망을 쏟아냅니다. 이때부터 민간기업들이 우주개발에 참여하고 사업영역을 확장하기 시작해요. 우주가 돈이 되는 시대, '뉴스페이스' 시대가 도래합니다(뉴스페이스란 정부가 주도하던 우주개발이 민간으로 넘어가는 새로운 흐름을 이야기합니다). 

이러자 스페이스X의 생각이 바뀌게 돼요. 케로신 기반의 로켓은 15번 쏘면 폐기해야 하는데, 100번 또는 200번을 쏴도 될 만큼 수요가 늘어날 것으로 보였으니까요. 15번 쏘고 버리기 아까운 상황이 된 거죠. 또한 1단만 재사용하던 팰컨9 발사체를, 2단까지 완전히 재사용이 가능한 형태로 개발해야겠다는 생각을 하게 됩니다. 

블루오리진도 마음을 바꿉니다. 액체 수소는 재사용 횟수를 수십~수백 번 이상 늘릴 수 있지만 추진체 가격이 비싸고 기술과 운용 측면의 난이도가 만만치 않았어요. 결국 스페이스X와 블루오리진은 고민 끝에 다른 연료를 찾게 됩니다. 바로 ‘메탄’입니다.

메탄은 이미 1990년대부터 미국, 러시아 등 우주강국의 관심을 받았던 연료에요. 가정은 물론 공장에서 사용하는 LNG가 바로 메탄입니다. 메탄은 케로신 보다 저렴하고 산소와 잘 조합시켜주면 찌꺼기가 남지 않고 연소가 잘 됐습니다. 

무엇보다 메탄은 만들기가 쉬었어요. 만약 인류가 달이나 화성에 우주정거장을 짓고 그곳에서 로켓을 발사한다면 현지에서 만든 연료를 넣어줘야 해요. 그게 경제적이니까요. 탄소와 수소만 있으면 쉽게 메탄을 만들 수 있어 외계행성에서 쓸 수 있는 로켓의 연료로 메탄만큼 매력적인 게 없었죠. 스페이스X와 블루오리진은2010년 들어서면서 차세대 재사용 로켓의 연료로 메탄을 채택하고 연구개발을 하기 시작합니다. 

스페이스X는 2009년 '랩터엔진(최근 발사된 스타십 로켓에 탑재된 엔진이에요)'을 설계할 때만 해도 액체 수소를 연료로 사용하려 했어요. 말씀드렸듯이 잘만 만들면 수십~수백 번을 쏠 수 있으니까요. 하지만 액체 수소 엔진의 경제성과 운용 등을 고려하다 도저히 답이 나오지 않았는지 2012년 갑자기 메탄 엔진으로 설계를 변경합니다.

블루오리진 역시 2012년, 대형 로켓 엔진 BE-4를 설계하면서 연료로 메탄을 선택해요. 액체수소로 대형 엔진을 설계하기가 쉽지 않았던 겁니다. 앙숙이던 두 회사가 동시에 메탄을 선택하게 된 것을 보면 참 재미있습니다. 케로신과 액체수소로 해 볼 만큼 해 본 상황에서 두 기업 모두 어쩔 수 없다는 결론을 내린 것 같아요.

"저들을 따르자!"

스페이스X와 블루오리진의 메탄 엔진은 2020년대 들어서면서 시험 발사에 성공합니다. 케로신보다 저렴한데 수백번 재사용이 가능하고(물론 아직 수백번을 재사용한 로켓은 없습니다😊) 액체수소보다 다루기 쉬운, 말 그대로 재사용 로켓 기업들이 원했던 연료를 찾아낸거죠. 

그러자 기다렸다는 듯, 다른 우주 강국들도 메탄 엔진 기반의 재사용 로켓 개발을에 나섭니다. 앞선 두 기업이 시행착오를 거쳐 메탄 엔진을 선택했으니, 따라가기로 한거죠. 전문가들의 예측이 맞아 떨어졌습니다.

러시아는 2020년 10월, 소유즈를 대체하는 재사용 로켓 '아무르(Amur)'를 2026년까지 개발하겠다고 선언해요(기사). 재사용 로켓인 아무르의 연료는 메탄이에요. 유럽도 나섭니다. 유럽을 대표하는 로켓은 ESA가 만든 '아리안' 시리즈인데요, 아리안 로켓은 기존 위성 발사 시장의 50%를 점유하고 있을 정도로 경쟁력 있는 로켓입니다. 연료로 액체수소를 사용해요. 하지만 스페이스X가 위성 발사 시장 점유율을 높여나가자 첫 발사를 앞두고 있는 아리안6 로켓의 비행시험을 하기도 전에 ‘아리안 NEXT’ 개발에 나섭니다(기사). 재사용이 가능한 차세대 로켓 아리안 NEXT의 연료는 역시 메탄입니다.

중국도 2033년 첫 발사를 목표로 재사용 로켓 ‘창정9’를 개발하고 있습니다.1단 엔진은 당연히 메탄을 사용합니다(기사). 인도 역시 메탄 연료 기반의 로켓 엔진 개발을 시작합니다(기사). 재사용 로켓 개발을 위해서는 메탄 연료 엔진을 확보하는 게 대세가 됐습니다. 아니, 대세라는 말도 부족해요. 공식이 된 듯 합니다.

 

로켓 가격이 낮아지면 위성 시장은 확대됩니다. 세계 통신 위성 시장규모는 2022년 82억2000만달러에서 2030년 197억1000만달러로 성장할 것으로 예상되고 있어요. ESA를 비롯한 우주강국들이 메탄을 연료로 사용하는 재사용 로켓을 경쟁적으로 출시하려고 하는 만큼 발사 비용은 더 낮아질 겁니다. 

위성으로 지구를 뒤덮어 인터넷 서비스를 제공하겠다는 스페이스X의 스타링크 프로젝트를 영국의 원웹, 중국의 베이징 톈빙기술 등도 추진하고 있어요. 비싼 가격 때문에 위성을 갖지 못했던 국가들도 위성을 가지려 할 거에요. 러시아와 우크라이나의 전쟁을 경험한 만큼 군사적 목적의 위성 수요도 늘어날 겁니다. 위성 시장은 팽창될 일만 남았어요.

다시 누리호를 떠올려볼게요. 누리호에는 한국천문연구원이 개발한 ‘도요샛’ 위성 4기가 탑재됐습니다. 원래 러시아의 소유즈 로켓에 실려 우주로 갔어야 했는데, 우크라이나와의 전쟁으로 발사 시기가 미뤄지면서 누리호에 탑재 한 거죠.

저는 이 상황이 누리호를 발사하고, 우주분야 기술 개발을 해야 하는 이유를 알 수 있는 상징적인 장면이라고 생각했습니다. 로켓을 소유한 우주 선진국에게 의존할 수밖에 없었던 위성 발사 기회가 한국으로 확대 된 거에요. 로켓이 없는 많은 국가들이 "한국도 대안이 될 수 있겠구나"라는 생각을 하지 않았을까요.

물론 아직 한국의 로켓 발사 비용은 비쌉니다. 재사용 로켓 기술을 확보하지 못한 만큼 '개발 비용=발사비용'이기 때문이에요. 우주 선진국들이 메탄엔진 기반의 재사용 로켓 개발에 매진하고 있는 후발주자인 우리도 하루빨리 움직이는 게 좋지 않을까요. 다행히 한국도 재사용 기반의 로켓 개발에 나선다고 하니 기다려 봐도 좋을 듯해요. 많은 전문가들은 지속적으로 연구한다면 재사용 로켓 기술 확보도 어렵지 않을 것이라 이야기합니다. 한국은 뭐든 빠르게 습득하는 나라니까요.