재사용 로켓과 극초음속 여행: 우주 혁신의 다음 시대

재사용 혁명

Since the first satellites were put into orbit with Sputnik in 1957, to the 1969 Moon landing, the 1971 first space station, and the 2001 first space tourist, all access to space was done with one-use rockets.

출처: Daily Sabah

1957년 스푸트니크로 첫 위성이 궤도에 올려진 이후, 1969년 달 착륙, 1971년 최초의 우주 정거장, 그리고 2001년 최초의 우주 관광객까지, 우주에 접근하는 모든 방법은 일회용 로켓으로 이루어졌습니다.

궤도에 도달하기 위해 재료에 가해지는 스트레스, 재진입 시 극한의 열로 인한 손상 방지의 어려움, 착륙과 관련된 위험 등 일회용 로켓에는 충분히 타당한 기술적 이유가 있었습니다. 그러나 경제적 관점에서는 이것이 다소 비합리적이었습니다.

만약 파리에서 뉴욕으로 가는 여객기나 화물기가 이륙할 때마다 전체 비행기가 폐기물로 전락한다면 상상해 보세요. 이는 항공 여행을 감당하기 어려울 정도로 비싸게 만들고, 극히 드문 상황에만 제한될 것입니다. 우주 비행도 마찬가지로 고가의 상업 및 군사 위성, 비싼 과학 프로그램, 그리고 국가적 자부심으로만 정당화되는 프로젝트에만 활용될 수 있었습니다.

엘론 머스크의 SpaceX가 불가능하다고 여겨졌던, 신뢰할 수 있는 재사용 로켓을 실현하면서 모든 것이 바뀌었습니다.

로켓의 일부 부품만을 재정비하면, 궤도 로켓 발사체의 비용을 수십 번의 발사에 걸쳐 상각시켜 총 비용을 사상 최저 수준으로 낮출 수 있습니다.

출처: ARK Research

이는 다른 많은 기업들이 SpaceX의 성공을 모방하도록 길을 열었으며, 각자 SpaceX의 공식을 약간씩 변형했습니다. 또한 중국과 러시아가 미국 및 그 혁신 기업들과 맞서는 새로운 우주 경쟁을 다시 불러일으켰습니다.

궁극적으로 이는 인류가 달 기지, 화성 식민지화, 그리고 무한한 궤도 태양광 발전과 같은 약속을 바탕으로 진정한 우주 기반 글로벌 경제로 나아가는 길을 열어줄 것입니다.

재사용 로켓은 어떻게 작동하는가

로켓을 재사용하도록 만드는 이유는 자명합니다. 로켓을 여러 번 재사용하면 발사당 및 킬로당 궤도 비용이 크게 낮아집니다. 로켓을 더 저렴하거나 제작하기 쉽게 만드는 다른 모든 요소도 물론 환영받습니다.

그 방법은 더 복잡한 질문이며, 현재 기술로는 제대로 답하기 어려운 것으로 오랫동안 여겨졌습니다. 다른 기업들이 자체 방식을 제시할 수도 있지만, SpaceX의 방법은 재사용 로켓을 현실화한 몇 가지 핵심 아이디어에 의존해 실제 구현 방법을 명확히 제시했습니다.

수직 통합

SpaceX가 내린 첫 번째 중요한 결정은 로켓 설계에 있어 사실상 외부에 의존하지 않겠다는 것이었습니다. 따라서 로켓, 연료 탱크, 전자 장비 등 각 분야에 특화된 여러 기업의 기술을 조합하는 일반적인 방식 대신, SpaceX는 기성 부품을 구매해 자체 설계에 맞게 조립하거나, 심지어 처음부터 자체 제작하기로 했습니다.

비록 복잡하지만, 이를 통해 최종 설계에 대한 훨씬 높은 수준의 제어와 개선점 및 잠재적 문제에 대한 깊은 이해를 얻을 수 있었습니다.

또한 이는 경제 구조에서 많은 중간 상인을 배제해 마진을 높였습니다.

“우주 등급” 재고

오랫동안 우주 기업들은 로켓에 ‘우주 등급’ 부품만을 사용해 왔습니다. 이는 종종 소량만 생산되는 맞춤 설계 부품을 의미하며, 설계나 생산에서 규모의 경제를 활용할 수 없었습니다.

그 결과 전통적인 로켓의 모든 부품이 크게 과다 가격이 책정되었습니다. 좋은 예로 SpaceX가 자체 라디오 시스템을 구축해 비용을 10~20배 절감한 사례가 있습니다.

“엔진, 로켓 본체, 캡슐을 자체 제작하는 것 외에도, SpaceX는 자체 마더보드와 회로, 진동 감지 센서, 비행 컴퓨터, 그리고 태양 전지를 설계합니다.

자체 제작 라디오의 비용 절감 효과는 극적이며, 항공우주 기업이 사용하는 산업용 장비의 $50,000~$100,000 수준에서 SpaceX의 장치인 $5,000으로 감소합니다.

Ashlee Vance의 엘론 머스크 신전기

빠르게 실패하고 더 빠르게 혁신

또 다른 변화는 실패에 대한 매우 드문 태도였습니다. 전통적인 우주 기업들은 필수 자금과 평판을 위협하지 않기 위해 위험을 감수하지 않는 보수적인 입장이었습니다.

잃을 것이 없던 SpaceX는 때때로 대규모 실패 위험을 감수하면서도 매우 빠른 테스트 및 발사 일정을 고수했습니다.

이러한 실리콘밸리식 기업 문화는 팀 내 혁신과 창의성을 촉진했으며, 관료주의를 최소화하고 낮은 급여에도 더 많은 일을 하고자 하는 최고 인재들을 끌어들이는 데 도움이 되었습니다.

위험을 감수하려는 이러한 자세는 발사 후 로켓 재정비 시간을 크게 단축시켰으며, 현재 주요 SpaceX 로켓인 Falcon 9의 평균 재사용 주기가 2024년에는 50일 이하로 줄어들고 가장 빠른 경우는 기록적인 14일을 기록했습니다.

출처: ARK Research

새로운 기술 수용

실패에 대한 관용은 새로운 개념과 기술의 통합으로 이어졌습니다. 예를 들어, SpaceX는 3D 프린팅을 일찍 도입했으며, 기존의 대형 우주 기업이라면 수년간의 테스트와 논의가 필요했을 것입니다.

출처: Elon Musk

다양한 연료도 선택되었는데, 예를 들어 Starship에 사용되는 메탄 연소 로켓 엔진은 달이나 화성의 현지 자원을 이용한 미래 연료 보급에 완벽한 선택이 될 것입니다.

기본으로 돌아가기

위험한 신기술 대신, 경우에 따라 기본으로 돌아가는 것이 올바른 선택이었습니다. 예를 들어, Starship 본체는 우주 기업들이 흔히 선택하는 더 ‘화려한’ 합금이나 탄소 섬유 대신 완전히 스테인리스 스틸로 제작되었습니다.

이는 스테인리스 스틸의 제조, 납땜, 수리 및 유지보수가 잘 알려진 기술이기 때문에 최종 제품의 신뢰성을 높일 수 있다는 판단에서 선택되었습니다.

비슷하게, ‘많을수록 좋다’는 단순한 사실도 SpaceX가 받아들였습니다. 지금까지 가장 큰 로켓인 Starship은 그 거대한 규모 덕분에 더 많은 탑재량을 저렴한 가격에 궤도에 올릴 수 있습니다. 그리고 이를 비행시키는 최선의 방법은 더 복잡하고 강력한 엔진을 설계하려 하기보다 한 번에 최소 33개의 엔진을 사용하는 것입니다.

출처: Space.com

자신만의 수요 창출

우주 여행이 매우 비쌌기 때문에 대규모 연속 발사와 대형 궤도 탑재량에 대한 수요가 없었습니다. 이는 규모의 경제가 충분한 수요가 있을 때만 작동하기 때문에 SpaceX에게 심각한 문제가 될 수 있었습니다.

해결책은 자체 수요를 창출하는 것이었으며, 저궤도(LEO) 통신 위성 군집인 Starlink를 구축했습니다. Starlink는 가장 외딴 지역에도 고속 인터넷을 제공합니다.

발사 비용 감소와 Starlink 위성의 연속 대량 생산, 그리고 더 저렴하고 가벼운 부품(안테나, 반도체, 태양 전지판) 덕분에 위성 대역폭 비용은 기하급수적으로 감소하고 있습니다.

출처: ARK Research

하지만 궁극적으로 42,000개의 위성 군집이라는 최종 목표를 관리하려면 더 무겁고 큰 Starship이 필요합니다. 위성 궤도가 감소함에 따라 지속적인 재발사가 필요하며, 각 위성은 5년의 수명을 가집니다.

평균적으로는 2.3일마다 한 번씩 Starship을 발사해야 하며, 이는 현재 소형 Falcon 9의 발사 빈도와 비슷한 현실적인 목표입니다.

출처: ARK Research

현재 Starlink는 500만 사용자를 목표로 진행 중이며, 이전 버전보다 10배 높은 대역폭을 제공하는 V3 Starlink 위성 설계로 점차 수용하고 있습니다.

전체적으로 위성 연결 시장 규모는 최대 1,300억 달러에 이를 수 있으며, 이는 주로 광대역 접근이 부족하거나 직접 디바이스 연결이 필요한 가구와, Starlink와 T‑Mobile이 성공적으로 대중에게 제공한 기술에 의해 주도됩니다.

출처: ARK Research

극초음속 여행의 잠재력

처음부터 만들 수 있는 또 다른 시장은 고속 초음속 여행으로, 이는 궤도 및 준궤도 고도에 쉽게 도달할 수 있습니다.

공중을 이동할 때 항공기는 양력을 얻기 위해 대기를 이용하지만, 동시에 마찰로 인해 속도가 제한되고 초음속 비행 효율이 저하됩니다.

이는 혁신적인 설계로 부분적으로 해결될 수 있습니다. 예를 들어, Boom Supersonic이 최근 시험한 지표면 수준에서 초음속 폭음을 발생시키지 않는 초음속 비행이 있습니다. 또한 Ram‑Rotor Detonation Engine (RRDE)과 같은 새로운 제트 엔진 설계는 초음속 비행기를 가능하게 하며, 마하 5 이상으로 비행할 수 있습니다.

또 다른 옵션은 단순히 충분히 높은 고도로 비행해 대기 마찰을 사실상 없애는 것입니다.

이 경우, 100~200톤의 궤도 탑재량을 가진 Starship은 낮은 고도 비행에서도 더 많은 탑재량을 제공하므로, 비교적 가벼운 인간 승객을 운송하는 흥미로운 옵션이 될 수 있습니다.

점‑대‑점 궤도 비행

착륙 전에 궤도에 진입하는 Starship과 같은 로켓은 태평양 횡단과 같은 28시간 왕복을 단 6시간 왕복으로 단축시킬 수 있으며, 비행 시간보다 공항/우주항에서 수하물 및 여권 등록에 더 많은 시간이 소요될 것입니다.

Starship을 이용한 LEO까지의 비용이 최종적으로 킬로당 $200이며, 평균 승객 및 수하물 무게가 110kg이라고 가정하면, 전 세계 어느 지점으로의 왕복 여행 비용은 약 $44,000이 됩니다.

비용이 높지만, 전 세계 항공편의 작은 부분만이라도 차지한다면 경제적으로 타당할 수 있습니다.

예를 들어, 일등석 승객 중 5%만 초음속 비행으로 전환해도 350억 달러 규모의 시장이 됩니다. 만약 절반이 전환한다면, 역시 350억 달러 규모가 될 것입니다.

출처: ARK Research

같은 유형의 초고속 비행은 펜타곤이 로켓 화물 프로그램을 통해 군사 및 인도주의적 용도로도 고려하고 있습니다.

투자 기회

SpaceX

경쟁사보다 10년 앞선 사적 상장 기업인 SpaceX는 궤도 발사 시장을 차지하려는 기업들 사이에서 가장 눈에 띄는 존재입니다.

Falcon 1에서 Falcon 9, 그리고 현재 Starship에 이르기까지, SpaceX는 우주 비행 산업의 가능성을 끊임없이 확장해 왔으며, 보잉과 같은 기존 경쟁자를 뒤처뜨렸습니다.

이 기업의 야망은 현재 사용 가능한 가장 큰 로켓에 집중하도록 만들고 있습니다. 소형 발사체인 Falcon 1은 사실상 포기되었으며, Starship이 신뢰성을 입증하면 Falcon 9도 같은 운명을 맞을 것이라는 소문이 있습니다.

Starship이 ‘Mechazilla’ 착륙 타워에 의해 여러 차례 공중 포착에 성공했기 때문에 이는 비교적 곧 일어날 가능성이 높습니다.

그럼에도 불구하고 최근 Starship의 두 번째 부품이 폭발해 ‘빠른, 비예정 해체’가 발생한 사례처럼 해결해야 할 문제들이 남아 있습니다. 원인 해결을 위해 한 달 뒤에 또 다른 테스트가 진행되었습니다.

장기적으로 SpaceX의 궁극적인 목표는 지구 궤도 자체보다 아르테미스 미션의 달 기지 건설에 기여하는 것이며, 그 이전에 화성에 최초 착륙을 목표로 하는 민간 프로젝트를 수행하는 것으로, 이는 머스크의 진정한 인생 목표입니다.

궤도 연료 보급이 필요한 심우주 임무와 Starlink 군집 구축에 집중함으로써, 이러한 야심찬 목표가 향후 수년, 혹은 머스크가 진정으로 화성에 도시를 건설하고자 한다면 10년까지 SpaceX의 발사 능력을 대부분 차지하게 될 것이므로 다른 발사 제공업체에게 기회가 남을 수 있습니다.

Rocket Lab

공개 상장된 로켓 기업 중 가장 눈에 띄는 Rocket Lab은 연간 발사 횟수가 가장 많은 SpaceX에 뒤처져 있으며, 이는 민간 경쟁사뿐 아니라 중국과 러시아보다도 앞선 상황입니다.

현재 이 회사는 부분 재사용이 가능한 소형 발사체인 Electron에 의존하고 있으며, 이는 SpaceX의 Falcon 1에 해당하는 로켓으로 빠른 발사와 희귀 궤도 경로에 특화되어 있습니다.

내년에는 새로운 중형 로켓인 Neutron을 발사할 예정이며, 이는 SpaceX의 Falcon 9과 대략 동등한 수준이 될 것입니다.

출처: Erik Engheim

이 회사는 동시에 HASTE(Hypersonic Accelerator Suborbital Test Electron)를 개발하고 있으며, 이는 700kg의 대형 탑재량을 가진 수정된 Electron 로켓으로, 미국이 새로운 설계를 시험해 중국 및 러시아의 초음속 미사일 기술을 따라잡는 데 도움을 줍니다.

출처: Rocket Lab

Rocket Lab은 위성 및 위성 부품 제조업체이기도 하며, 비통신 위성 분야에서 최초의 ‘엔드‑투‑엔드 우주 기업’으로 SpaceX가 왕관을 차지할 수 있는 영역을 차지합니다. 이는 방위산업체와 과학·통신 기업에게 핵심 파트너가 됩니다.

출처: Rocket Lab

Rocket Lab은 2022년 SolAero Technologies 인수를 통해 우주 태양 전지판 제조에 중요한 역할을 해왔으며, 이 패널로 구동되는 1,000개 이상의 위성을 보유하고 있으며, 향후 몇 년 내에 500개 이상의 위성을 Rocket Lab 태양광 하드웨어와 함께 발사할 예정이며, 총 4MW 규모의 태양 전지를 제조했습니다.

위성 사업은 회사에 상당한 현금 흐름을 제공하고, 가치 있는 발사 계약 파이프라인을 확보하고 있습니다.

장기적으로 Rocket Lab의 성공은 Neutron 로켓이 충분한 계약을 확보해 규모의 경제를 달성하고 SpaceX와 정면으로 경쟁할 수 있는지에 달려 있을 것입니다.

Blue Origin

또 다른 기술 억만장자 프로젝트인 Blue Origin은 아마존 창업자 제프 베조스가 설립했습니다. 훨씬 큰 자금을 보유하고 있음에도 불구하고, 현재까지는 개발 측면에서 SpaceX에 다소 뒤처져 있습니다.

이는 기술 선택 차이 때문일 수 있지만, 더 중요한 요인은 전혀 다른 최종 목표와 엔지니어링 접근 방식입니다.

SpaceX가 ‘깨고 빠르게 움직인다’는 철학을 가지고 있는 반면, Blue Origin(및 Amazon (AMZN ))은 ‘천천히 꾸준히’ 접근 방식을 취하고 있으며, 이는 라틴어로 ‘한 걸음씩, 사납게’라는 의미의 모토 ‘Gradatim Ferociter’에 반영되어 있습니다.

이는 두 기업 간의 비교를 토끼와 거북이 이야기와 연관짓게 하며, Blue Origin은 회사 문장에 거북이를 넣을 정도로 이를 명확히 수용하고 있습니다.

출처: Ars Technica

2025년 1월에 기대되던 New Glenn의 성공적인 비행으로 회사 최초의 궤도 발사 시도가 이루어졌으며, 이는 Blue Origin을 화려하게 경쟁에 복귀시켰습니다. 이 성공은 리더십 교체 이후에 이루어졌으며, Amazon 출신인 Dave Limp가 전 CEO인 Honeywell 출신 Bob Smith을 대신해 Blue Origin의 CEO가 되었습니다.

New Glenn은 또한 거대한 로켓으로, Falcon Heavy보다도 크며 Starship에 비해서만 작게 보입니다.

출처: Technology.org

New Glenn은 45톤을 궤도에 올릴 수 있을 것으로 예상되며, 이는 특히 최초 궤도 발사에 있어 인상적인 용량입니다. Blue Origin은 완전한 수직 통합을 이루고 있으며 현재 New Glenn의 부스터와 2단 모두의 생산을 확대하고 있습니다.

Blue Origin의 또 다른 미래 프로젝트는 달 착륙선으로, Mark 1은 2026년경 발사가 예상되며, 두 배 규모인 Mark 2는 이미 준비 중입니다.

마지막으로, Blue Origin의 최종 목표는 독특합니다. 달이나 화성이 아니라, 모든 무거운 오염 산업을 지구 밖으로 옮기고, 어쩌면 전 세계 인구 대부분을 거대한 인공 서식지로 이동시키는 아이디어입니다.

출처: Blue Origin

도전과 위험

안전

우주 발사체는 그 특성상 위험하며, 전체 중량의 90% 이상을 매우 반응성이 높고 불안정한 연료로 실어 고온 추진을 고속으로 수행합니다.

따라서 재사용 자체는 입증된 기술이지만, 몇 주에 불과한 정비 기간 동안 기계적 스트레스나 숨겨진 치명적 결함을 놓칠 위험은 여전히 존재합니다.

이는 위성에서는 이미 문제이지만, 우주 비행사에게는 더 용납하기 어렵고, 상업 승객이 탑승하는 일반 초음속 비행에서는 전혀 받아들일 수 없습니다.

로켓이 클수록 실패 시 지상 시설과 인구에 대한 위험도 커집니다.

따라서 전반적으로 우리의 미래가 명백히 우주에 있으며, SpaceX 이전보다 더 빨리 도래할 것이지만, 안전 및 규제가 달이나 화성으로의 항공권을 편하게 예약하는 데 약간의 지연을 초래할 수 있습니다.

정부 계약

지금까지 SpaceX와 다른 모든 우주 기업들은 NASA 임무, 비밀스러운 펜타곤 계약, 유럽·러시아·중국 우주 기관의 국가 이익 및 과학·산업 정책 등 정부 계약과 강하게 연계되어 왔습니다.

진정한 독립 산업이 되기 위해서는 우주 기업들이 대부분의 수익을 상업 활동에서 얻어야 합니다.

현재 산업 발전을 지속하기 위해 매년 수천억 달러를 제공할 가능성이 가장 높은 두 분야는 우주 기반 인터넷과 초음속 비행입니다.

상업화 및 투자 전략

2040년대에 상업화될 가능성이 높은 또 다른 후보는 우주 기반 태양광 발전으로, 이는 지구에 지속적으로 생산되는 무한한 친환경 에너지를 제공할 수 있으며, 우리는 ‘우주 기반 에너지 솔루션: 끝없는 청정 에너지’에서 이 아이디어를 자세히 다루었습니다.

그 이전에, 무중력 체험과 몇 일간의 궤도 체류와 같은 우주 관광이 자체 산업으로 성장할 수 있으며, 이는 에베레스트 등반과 같은 ‘극한 럭셔리 모험’과 경쟁할 정도로 높은 가치를 가질 것입니다.

마지막 옵션으로는 아직 개발되지 않은 소행성 채굴이 있으며, 이는 2조 2천억 달러 규모의 광산 산업의 큰 부분을 대체할 가능성이 있습니다. 그러나 이러한 옵션들은 의미 있는 수익을 창출하기까지 10~20년이 걸릴 가능성이 높아 대부분의 기업에게 치명적일 수 있습니다.

따라서 우주의 상업화 경로와 관계없이 성공할 수 있는 핵심 제공업체는 소수에 불과할 것입니다. 역사적으로 소규모 발사 제공업체는 높은 실패율을 보였으며, 1996년 이후 설립된 약 200개 중 17개만이 운영 중입니다.

출처: ARK Research

SpaceX와 Blue Origin과 같은 민간 기업이 이미 강력한 위치를 차지하고 있으며, 향후 국가 지원을 받는 중국의 새로운 강력한 경쟁자들이 등장할 가능성이 있어 투자자들에게는 복잡한 환경이 될 수 있습니다.

잠재적으로, 미래 우주 호텔 및 달 기지를 위한 서식 모듈이나 자율 수경 재배 농장을 개발하는 등 다른 형태의 우주 기업도 향후 우주 경제에서 성공적인 투자 대상이 될 수 있습니다.

결론

궤도 도달 비용이 급격히 감소하면서 우주 산업이 완전히 변하고 있으며, 궤도 도달을 통해 수익을 창출하는 전혀 새로운 방식을 열어주고 있습니다. 이는 이 분야가 방위 및 정부 중심 산업에서 보다 상업 중심 비즈니스로 전환하고 있음을 의미합니다.

가까운 미래에는 통신이 주요 수익 동력이 될 가능성이 높으며, 그 다음으로 초음속 비행과 우주 관광이 이어질 것입니다. 장기적으로는 에너지 및 광산 부문과 같은 훨씬 큰 산업, 혹은 제조업까지도 우주로 이동할 수 있습니다.

현재까지 Elon Musk의 리더십 덕분에 SpaceX는 이 새로운 우주 경쟁에서 거의 독보적인 승자로 자리 잡았습니다. 그러나 Rocket Lab과 Blue Origin과 같은 강력한 경쟁자들이 따라잡고, 중국의 미래 경쟁자들이 등장하면서 상황은 곧 변할 수 있습니다.