우주에서 열은 어떻게 버릴까? — 진공에서 전도·대류가 사라지고 복사만 남는다는 역설

《2001: 스페이스 오디세이》(1968) 후반부, 우주비행사 데이브 보먼은 헬멧 없이 소형 우주선(포드) 밖으로 나와 디스커버리호의 비상 에어록으로 뛰어듭니다. 진공에 몸이 그대로 노출되는 몇 초 동안 그가 하는 행동은 딱 하나, 숨을 크게 들이쉬는 것입니다. 우주는 무시무시하게 추운 곳이니 최대한 숨을 참고 버티겠다는 계산처럼 보입니다.

그런데 정말 그게 맞는 행동일까요? "우주는 절대영도에 가까워서 노출되면 순식간에 얼어붙는다"는 이 흔한 상상부터 다시 따져볼 필요가 있습니다.

질문

진공은 실제로 몹시 위험합니다. 이 글은 그 위험 자체를 부정하지 않습니다. 다만 흔히 상상하는 위험의 정체가 "얼어붙음"인지는 따로 검증해 볼 문제입니다. 진공에는 공기도 물도 없습니다. 열을 전달하는 매개체가 없다는 뜻입니다. 그렇다면 진공 속 물체는 열을 어떻게 잃거나 얻을까요? 그리고 그 방식은 우리가 아는 "추위"와 같은 것일까요?

이 질문에 답하려면 열이 이동하는 방식부터 다시 살펴봐야 합니다. 그리고 그 답은 국제우주정거장(ISS)이 왜 거대한 냉각 설비를 달고 다니는지, 우주복이 왜 얼지 않는 것보다 과열을 더 걱정하는지, 최근 구글이 우주에 데이터센터를 띄우려는 계획에서 왜 냉각을 가장 큰 난제로 꼽는지까지 모두 하나의 원리로 이어집니다. 그리고 그 끝에서, 보먼이 숨을 들이쉬며 뛰어드는 장면으로 다시 돌아오게 됩니다.

검증

진공에서 사라지는 두 가지, 남는 한 가지

열이 한 곳에서 다른 곳으로 옮겨가는 방식은 물리학에서 세 가지로 구분됩니다. 전도(conduction)는 서로 맞닿은 물질의 분자가 진동을 주고받으며 열을 전달하는 방식이고, 대류(convection)는 데워진 유체(공기나 물) 자체가 이동하며 열을 실어 나르는 방식입니다. 두 방식 모두 열을 옮길 물질, 즉 매질(medium)이 반드시 있어야 합니다.^[1]

복사(radiation)는 다릅니다. 물체는 온도가 절대영도보다 높기만 하면 전자기파 형태로 에너지를 방출합니다. 이 전자기파는 공기든 진공이든 상관없이 퍼져 나갑니다. 진공에는 전도와 대류를 매개할 물질이 아예 없으므로 이 두 경로는 완전히 차단되고, 오직 복사만 유일한 열 전달 수단으로 남습니다.^[1]

문제는 복사가 느리다는 데 있습니다. 물체가 복사로 내보내는 열량은 슈테판–볼츠만 법칙을 따릅니다.

$$P = \varepsilon \sigma A T^4$$

여기서 $P$는 초당 방출 열량(W), $\varepsilon$은 표면의 복사율(0~1 사이, 완전한 흑체는 1), $A$는 표면적($\mathrm{m^2}$), $T$는 절대온도(K)입니다. $\sigma$는 슈테판–볼츠만 상수로 $5.670\times10^{-8}\ \mathrm{W/(m^2 K^4)}$입니다.^[2] 상온에 가까운 물체, 예컨대 $T\approx300\ \mathrm{K}$인 사람 몸이나 전자기기를 생각해 보면, $T^4$ 항의 절대적인 크기 자체는 크지 않습니다. 부엌 냄비를 가스불에서 내려 대류·전도로 식힐 때와, 같은 냄비를 진공 속에 두고 오직 복사만으로 식힐 때를 비교하면 후자가 훨씬 느립니다. 공기 중에서는 대류가 열을 빠르게 실어 나르지만, 진공에는 그 운반책이 없기 때문입니다.

여기서 결정적인 것은 지수 4입니다. 온도가 2배가 되면 방출량은 $2^4$, 즉 16배가 됩니다. 표면이 300 K일 때 복사 강도는 1제곱미터당 459 W에 불과하지만, 1,000 K에서는 5만 7천 W에 육박합니다.^[2] 벌겋게 달아오른 물체는 맹렬히 식지만, 미지근한 물체는 좀처럼 식지 않는다는 뜻입니다.

그런데 우주선이 버려야 하는 열은 대부분 사람과 전자장비가 버틸 수 있는 온도, 즉 상온 언저리에서 나옵니다. 하필 복사가 가장 무력한 구간입니다. 같은 열량을 버리는 데 필요한 면적은 절대온도의 4제곱에 반비례합니다. 방열판을 300 K가 아니라 350 K로 운용할 수만 있다면, 필요한 면적이 절반 가까이 줄어듭니다. 우주 열설계가 "최대한 차갑게"가 아니라 "버릴 열은 가능한 한 뜨거운 상태로 모아서 내보내기"를 목표로 삼는 이유입니다. 물론 열은 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로만 저절로 흐르므로 방열판 온도를 무작정 올릴 수도 없습니다. 이 줄다리기의 결과물이 다음에 볼 ISS의 라디에이터입니다.

이 지점에서 "우주는 2.7 K(약 -270°C)로 춥다"는 이야기도 짚을 필요가 있습니다. 이 온도는 우주배경복사(CMB)의 흑체복사 온도, 즉 우주 전체에 퍼진 태초의 빛이 지금 식어 있는 정도를 나타내는 값입니다.^[3] 하지만 진공 자체에는 열을 담을 물질도, 온도를 느낄 몸도 없습니다. 물체의 실제 온도는 "우주가 몇 도인가"가 아니라, 그 물체가 태양 등에서 받는 복사 에너지와 자기 자신이 복사로 내보내는 에너지 사이의 균형(복사평형)으로 정해집니다.^[3] 그래서 태양 빛을 직접 받는 위성 표면은 오히려 100°C를 넘기기도 하고, 그늘진 면은 영하 100°C 아래로 떨어지기도 합니다. "우주는 춥다"는 한 문장으로는 담을 수 없는 상황인 셈입니다.

ISS가 70 kW급 냉각 장치를 우주로 들고 나가는 이유

복사가 느리다는 사실이 실제 공학에서 얼마나 큰 부담인지는 국제우주정거장(ISS)을 보면 분명해집니다. ISS는 승무원의 신진대사와 전자장비에서 끊임없이 열이 발생하는데, 이 열을 버릴 유일한 길은 복사뿐입니다. NASA는 이를 위해 외부 능동열제어계통(External Active Thermal Control System, EATCS)이라는 설비를 운용합니다. 단상(single-phase) 암모니아를 순환시키는 펌프 루프 두 계통(S1 트러스의 Loop A, P1 트러스의 Loop B)이 있으며, 각 루프는 최대 35 kW, 두 루프를 합쳐 총 70 kW의 열을 우주로 방출할 수 있습니다.^[4] 암모니아가 내부 배관에서 열을 흡수한 뒤 넓은 라디에이터 패널로 이동해 그 열을 복사로 흘려보내는 구조입니다.

70 kW는 웬만한 가정 수십 채가 동시에 쓰는 전력과 맞먹는 규모입니다. 이만한 열을 버리기 위해 ISS는 트러스 양쪽에 대형 라디에이터 패널을 여러 장 펼쳐 두고 있습니다. "ISS는 축구장만 하다"는 비교가 흔히 따라붙지만, 이는 태양전지판을 포함한 트러스 전체 길이(약 109 m)나 태양전지판 면적 이야기이지 방열용 라디에이터 자체의 면적을 가리키는 게 아닙니다. 그럼에도 우주선 동체보다 훨씬 넓은 별도의 패널을 펼쳐야만 70 kW를 처리할 수 있다는 사실 자체가, 복사 방열이 대류·전도에 비해 얼마나 비효율적인지를 보여줍니다. 만약 지구 대기 중이었다면 대류만으로도 훨씬 작은 장치로 같은 열을 버릴 수 있었을 것입니다. ISS의 냉각 설비가 이렇게 거대한 이유는 "얼지 않기 위해서"가 아니라, 정확히 그 반대로 "열이 알아서 안 빠져나가기 때문"입니다.

우주복의 진짜 적은 추위가 아니라 과열이다

우주복도 마찬가지 문제를 안고 있습니다. 우주비행사가 선외활동(EVA) 중 입는 EMU(Extravehicular Mobility Unit)는 몸에 딱 붙는 내의인 액체냉각환기의복(LCVG, Liquid Cooling and Ventilation Garment)을 속에 입습니다. 이 옷 안에는 가느다란 관이 촘촘히 배치돼 있어 체표면의 대사열을 물에 흡수시킵니다.^[5]

이렇게 데워진 물은 등에 짊어진 생명유지장치(PLSS, Portable Life Support System) 안의 승화기(sublimator)로 들어갑니다. 승화기는 미세한 구멍이 촘촘히 뚫린 다공성 소결 니켈판으로 이뤄져 있습니다. 판의 한쪽 면은 물이 흐르는 냉각 회로와 닿아 있고, 반대쪽 면은 진공에 직접 노출돼 있습니다. 진공 쪽에서 물이 얼면서 얼음이 그 미세한 구멍을 채웁니다. 이 얼음은 진공 속에서 곧바로 승화(고체에서 기체로 상태가 바뀌는 현상)하며 수증기가 돼 우주로 날아갑니다. 승화에는 많은 열(잠열)이 필요하므로, 이 과정에서 판 반대편의 냉각수가 식습니다. 열이 제거되는 속도는 승화하는 얼음의 양에 비례해 자동으로 조절되며, 별도의 움직이는 부품이 필요 없습니다.^[5]

이 설계가 말해주는 건 분명합니다. 우주복 설계자들이 정말 걱정하는 건 저체온이 아니라 과열입니다. 진공은 열을 잘 빼앗아가지 않으므로, 우주복 안에서 몸이 만들어내는 대사열과 햇빛에 노출된 겉면의 복사열을 방치하면 오히려 찜통이 됩니다. 우주복의 냉각 시스템은 히터가 아니라 냉각기이고, 그 핵심 부품의 이름도 "가열기"가 아니라 "승화기"입니다.

궤도 위 데이터센터, "공짜 냉각"이 아니라 정반대다

이 원리는 최근 산업계에서도 그대로 확인됩니다. 2025년 11월 4일, 구글은 인공지능 데이터센터를 궤도에 올리는 연구 프로젝트 "선캐처(Project Suncatcher)"를 공개했습니다. 태양광으로 구동되는 위성 여러 대에 자사의 AI 연산 칩(TPU)을 실어 우주에서 직접 연산을 수행하겠다는 구상으로, 우주 파트너사 플래닛랩스(Planet Labs)와 함께 2027년 초 시험 위성 2기를 쏘아 올릴 계획입니다.^[6]

그런데 구글이 이 프로젝트를 소개하며 스스로 꼽은 최대 난제 중 하나가 바로 냉각입니다. 지상 데이터센터는 물이나 공기로 대류·전도 냉각을 할 수 있지만, 궤도에서는 그 방법을 쓸 수 없습니다. 구글은 궤도상의 냉각이 "펌프도 물도 없는 순수한 복사 냉각"에 의존해야 한다고 설명하며, 열을 칩에서 방열판까지 옮기는 열 수송 장치를 최대한 수동(passive)으로 설계해 신뢰성을 확보해야 한다고 밝혔습니다.^[6] "우주는 추우니 냉각이 공짜로 될 것"이라는 기대와 정반대로, 궤도 데이터센터 구상에서 가장 큰 걸림돌 중 하나가 다름 아닌 냉각인 셈입니다. 비슷한 시기 실제로 엔비디아 H100 칩을 실은 위성 스타클라우드-1(StarCloud-1)을 발사한 스타트업 스타클라우드(Starcloud) 역시 초기 모델은 상변화물질에 담그는 방식의 침지냉각을 썼으나 확장성에 한계가 있어, 후속 모델은 전개형 라디에이터로 방향을 바꾸고 있습니다.^[7]

"얼어 죽지 않는다"가 "안 춥다"는 뜻은 아니다

여기서 오해하기 쉬운 지점이 있습니다. 지금까지의 이야기는 "복사만으로는 물체 전체의 온도가 급격히 떨어지지 않는다"는 뜻이지, "진공에 노출된 신체 부위가 차갑게 느껴지지 않는다"는 뜻이 아닙니다. 이 둘은 다른 이야기입니다.

압력이 충분히 낮아지면 물의 끓는점도 함께 낮아집니다. 고도 약 19 km(6.3 kPa 지점) 이상에서는 물이 사람 체온인 37°C에서도 끓기 시작하는데, 이 고도를 항공우주의학에서는 암스트롱 한계(Armstrong limit)라 부릅니다.^[8] 진공은 이 한계를 한참 넘어서는 압력이므로, 노출된 피부나 입안·눈처럼 수분이 있는 조직의 표면 액체는 급격히 기화합니다. 기화에는 열이 필요하므로, 이 과정은 그 부위의 온도를 국소적으로 떨어뜨립니다. 실제로 짧게 진공에 노출됐던 사람들은 침이나 눈물이 끓어오르는 듯한 차가운 감각을 보고합니다.^[8]

이 대목은 NASA 원문이 직접 짚고 있습니다. 《생체우주항행학 자료집》 2판은 감압 이후에도 기도를 통해 수증기가 계속 빠져나가며, 이 지속적인 증발이 "입과 코를 어는점에 가까운 온도까지 식힌다"고 적습니다. 그리고 곧바로 이렇게 덧붙입니다. “몸의 나머지 부분도 식지만, 그 속도는 더 느리다.”^[8]

이 한 문장 안에 지금까지 따라온 이야기가 그대로 들어 있습니다. 수분이 증발하는 표면은 정말로, 그것도 빠르게 차가워집니다. 하지만 몸통 전체가 식는 것은 복사에 기대야 하는 훨씬 느린 과정입니다. "얼어 죽지 않는다"와 "차갑지 않다"는 같은 말이 아닙니다.

바로 이 지점에서 보먼의 장면으로 돌아갈 수 있습니다. 그는 진공에 노출되기 직전 숨을 크게 들이쉽니다. 항공우주의학이 말하는 것은 정반대입니다.

핵심은 성문(글로티스)입니다. 성문은 목구멍에서 기도를 여닫는 밸브 같은 구조로, 침을 삼키거나 힘을 줄 때 닫힙니다. SP-3006은 폐 안의 공기가 빠져나가는 데 걸리는 시간이 성문이 닫히는 순간 "무한대로 늘어난다"고 적습니다. 나갈 길이 막히기 때문입니다. 그리고 이어서 못을 박습니다. “성문이 닫힌 상태에서 급격한 감압이 일어나면 심각한 폐 손상이나 사망에 이를 수 있다.”^[9]

임계값도 제시돼 있습니다. 포유류의 폐는 안팎의 압력 차가 약 80 mmHg를 넘어서면 파열될 수 있습니다.^[9] 반대로 같은 자료에서 기도가 열린 채 급감압을 겪은 피험자들은 "겉보기에 손상이 없었다"고 기록됩니다.^[9] 요컨대 위험을 가르는 것은 감압의 세기 자체가 아니라 공기가 빠져나갈 길이 열려 있느냐입니다. 그래서 이 분야의 표준 지침은 숨을 참지 말고 내쉬라는 쪽입니다.

원작자 아서 C. 클라크는 훗날 인터뷰에서 이 장면이 실수였다고 인정한 것으로 여러 자료에 전해집니다. 실제 감압 절차와 정반대로 연출됐다는 것입니다.^[10] NASA·미 공군의 감압 연구를 참고했다고 알려진 영화가, 정작 가장 중요한 디테일 하나는 거꾸로 그린 셈입니다.

의식은 몇 초나 남을까 — 그리고 "웅크리면 오래 버틴다"는 설

여기서 흔히 인용되는 숫자가 하나 있습니다. "9~11초"입니다. 출처는 NASA가 1973년 펴낸 《생체우주항행학 자료집(Bioastronautics Data Book)》 2판(SP-3006)입니다. 이 책은 개·다람쥐원숭이·개코원숭이를 2초 만에 250 mmHg에서 1~2 mmHg까지 감압시킨 일련의 실험에서 종을 가리지 않고 반응이 놀랍도록 비슷했다는 점을 들어, 사람도 비슷하게 반응하리라 보는 것이 합리적이라고 전제한 뒤 이렇게 적습니다. “어느 정도의 의식은 9~11초가량 유지될 것이다.”^[11]

그런데 같은 대목은 조금 뒤에서 다른 숫자를 하나 더 내놓습니다. 진공에 갑자기 노출된 사람이 "스스로를 도울 수 있는 시간은 5~10초를 넘기 어렵다"는 것입니다.^[11] 두 숫자는 서로 다른 것을 재고 있습니다. 의식의 흔적이 남아 있는 시간과, 그 의식으로 무언가를 할 수 있는 시간은 같지 않기 때문입니다.

항공생리학에서 유효의식시간(time of useful consciousness, TUC)이라 부르는 것은 뒤쪽, 즉 스스로 판단하고 행동할 수 있는 시간입니다. 그러니 "진공에서 TUC는 9~11초"라는 식의 인용은 엄밀히 말해 조금 어긋나 있습니다. 9~11초는 의식이 완전히 사라지기까지의 시간에 가깝고, 그 안에서 실제로 쓸 수 있는 시간은 더 짧습니다.

그런데 실제 사례는 이 수치보다 조금 깁니다. 1966년 12월, 미국 유인우주선센터(현 존슨우주센터)의 진공 챔버에서 우주복 시험 중이던 짐 르블랑(Jim LeBlanc)의 압력 호스가 이탈하는 사고가 있었습니다. 그의 우주복 내부 압력은 약 0.1 psi(고도 약 12만 ft에 해당)까지 떨어졌고, 그는 약 14~15초 뒤 의식을 잃었습니다. 잃기 직전 혀 위의 침이 끓어오르는 듯한 감각을 느꼈다고 훗날 증언했습니다. 챔버는 약 87초 만에 고도 1만 4천 ft 상당까지 재가압됐고, 르블랑은 그 시점에 의식을 되찾았습니다. 장기적인 후유증은 없었습니다.^[12]

문헌의 대표값(9~11초)과 실측 사례(14~15초)가 정확히 일치하지 않는 것은 이상한 일이 아닙니다. 통계적 평균은 개인차, 노출 당시의 정확한 압력·온도 조건, 실험군의 차이에 따라 실제 개별 사례와 얼마든지 어긋날 수 있습니다. 평균과 한 개인의 사례는 애초에 같은 것을 가리키지 않습니다.

정작 르블랑의 생존을 가른 것은 의식이 몇 초 남았느냐가 아니라 재가압까지 걸린 시간이었습니다. SP-3006은 동물 실험에서 약 90초 안에 재가압이 이뤄지면 생존이 통례였다고 적고, 사람의 경우에도 견딜 만한 압력(200 mmHg, 3.8 psi)으로 60~90초 안에 되돌리면 생존할 수 있으리라고 봅니다.^[11] 르블랑의 챔버가 재가압을 마친 시간은 약 87초였습니다. 공교롭게도 그 창의 안쪽입니다.

여기서 자주 따라붙는 속설이 하나 있습니다. "몸을 웅크리거나 움직임을 최소화하면 진공에서 더 오래 버틸 수 있다"는 것입니다. 항공생리학 자료를 살펴보면 방향 자체는 지지됩니다. 신체 활동은 산소 소비를 늘리므로 TUC를 단축시킵니다. 예컨대 고도 약 4만 3천 ft에서 TUC는 안정 시 9~12초, 격렬한 활동 시 5~6초로 줄어든다는 자료가 있습니다.^[13] 하지만 여기서 정직하게 짚어야 할 한계가 있습니다. 이런 수치는 대부분 여전히 공기가 존재하는 고고도 저산소증(hypoxia) 환경, 즉 산소는 부족하지만 압력 자체는 진공이 아닌 조건에서 얻어진 데이터입니다. 순수한 진공, 즉 산소 부족과 팽창성 감압이 동시에 일어나는 조건에 특화된 정량 데이터는 이번 조사에서 확인하지 못했습니다. "웅크리면 더 버틴다"는 속설은 반증되지도, 완전히 확증되지도 않습니다. 정확히는, 지금 있는 근거가 어디까지 말해줄 수 있는지의 경계가 거기까지라는 뜻입니다.

진공 노출이 실제로 사망까지 이어진 사례도 있습니다. 1971년 소유즈 11호는 궤도모듈을 분리하는 과정에서 충격으로 압력균등화밸브가 조기에 열려 승무원 3인이 급감압으로 사망했습니다. 이는 인류가 지구 대기권 밖(궤도상)에서 사망한 유일한 사례로 기록돼 있습니다.^[14]

보너스: 태양도 복사만으로 오래 타는 걸까

여기까지 오면 자연스럽게 떠오르는 질문이 있습니다. “그럼 태양이 수십억 년째 빛나는 것도 복사만으로 설명되나?” 답은 절반만 그렇습니다. 태양이 그렇게 오래가는 진짜 이유는 핵융합으로 에너지를 끊임없이 새로 만들어내는 것과, 그 에너지를 감당할 만큼 압도적인 질량을 갖고 있다는 것 두 가지입니다. 이건 열 전달 방식과는 별개의 이야기입니다.

다만 태양 내부에서도 에너지가 코어에서 표면까지 나오는 마지막 관문은 사실상 복사입니다. 코어에서 핵융합으로 생긴 감마선 광자는 태양 내부의 밀도 높은 플라스마에 끊임없이 흡수되고 재방출되며 무작위로 튕겨 다니듯 이동합니다. 이 "광자의 무작위 행보"가 코어에서 표면까지 나오는 데 걸리는 시간을 광자 확산시간(photon diffusion time)이라 부르는데, 미탈라스와 실스(Mitalas & Sills)의 1992년 계산에 따르면 평균 자유행로(광자가 흡수되기 전까지 이동하는 평균 거리)를 약 0.9 mm로 놓았을 때 이 시간은 약 17만 년에 달합니다.^[15] 지금 이 순간 지구에 닿는 햇빛의 에너지는 오늘 만들어진 것이 아니라, 수만~17만 년 전 태양 코어에서 생겨나 그때부터 지금까지 튕겨 나오는 중이었던 에너지라는 뜻입니다.

다만 이 수치를 "태양이 오래 타는 이유"로 오해하면 곤란합니다. 광자 확산시간은 태양의 수명(약 100억 년 규모)과는 자릿수부터 다른 별개의 숫자입니다. 이 수치가 진짜 보여주는 건 태양의 수명이 아니라, 복사라는 열 전달 방식이 얼마나 느린지를 우주에서 가장 극적인 규모로 보여주는 사례라는 점입니다. 진공 속 냄비가 복사만으로 천천히 식는 것과, 태양 코어의 에너지가 17만 년에 걸쳐 표면으로 새어 나오는 것은 같은 물리 원리의 다른 스케일일 뿐입니다.

사실

우주에서 진짜 문제는 얼어붙는 것이 아니라 열을 버리지 못하는 것입니다. 진공에서는 전도와 대류가 완전히 차단되고 복사($P=\varepsilon\sigma AT^4$)만 남는데, 이 복사가 느려서 ISS는 70 kW급 암모니아 냉각 루프를, 우주복은 승화기라는 이름의 냉각 장치를, 궤도 데이터센터 구상은 거대한 방열판 면적을 각각 필요로 합니다. 다만 국소적인 증발 냉각까지 없는 건 아니어서, 노출 부위가 차갑게 느껴지는 감각 자체는 실재합니다. 그리고 정작 이 모든 실제 지침을 참고했다고 알려진 영화 속 장면은, 숨을 참지 말고 내쉬어야 한다는 가장 기본적인 수칙 하나를 거꾸로 그렸습니다. 우주는 춥다고 상상했던 그 자리에, 실은 “열이 갈 곳이 없어서 못 버리는” 훨씬 골치 아픈 공학 문제가 있었던 셈입니다.