(사이언스조선 이병철) 비도, 구름도 없는 우주에서 태양광 발전하면 어떨까… 美연구팀 실증연구 돌입 ...[2023-01-09]

 

사이언스조선

과학

비도, 구름도 없는 우주에서 태양광 발전하면 어떨까… 美연구팀 실증연구 돌입

 

 

 

미국 캘리포니아공대 연구진, 이달 우주 태양광 발전 시험장치 발사

우주에선 태양광 발전 효율 4~5배 높지만, 지구로 에너지 보낼 방법 여의치 않아

앞으로 6개월 간 우주에서 에너지 만들고, 지구로 보내는 방법 연구

 

 

이병철 기자

입력 2023.01.09 13:55

 

 

 

 

미국 캘리포니아공대 연구진이 이달 태양광 패널을 우주로 보내 에너지를 지구로 보내는 실험을 시작했다. 사진은 지구 저궤도에 도착한 우주 태양광 전력 시험장치. /Caltech

 

 

태양광 발전의 가장 큰 걸림돌은 날씨다. 구름이라도 끼면 발전 효율이 크게 낮아진다. 그렇다면 비도, 구름도 없는 우주에서 태양광 발전을 하면 어떨까.

 

태양광 발전 패널을 우주에 띄워 지구로 에너지를 보내는 연구가 시작됐다. 우주 태양 전력 프로젝트(SSPP)라고 부르는 이 실험이 성공하면 날씨나 시간에 관계없이 태양광 에너지를 얻을 수 있게 된다.

 

9일 과학계에 따르면, 미국 캘리포니아공대는 지난 3일(현지 시간) 우주 태양광 전력 프로젝트(SSPP)의 본격적인 시작을 위해 태양광 패널을 우주로 발사했다. 스페이스X의 발사체에 실려 발사된 ‘우주 태양광 전력 실험장치(SSPD)’는 지난 4일 지구 저궤도에 도착해 앞으로 6개월간 우주 태양광 발전 기술을 시험할 예정이다.

 

우주에 태양광 발전 패널을 보내는 건 어려운 일이 아니라고 쳐도 어떻게 이 에너지를 지구로 보낸다는 걸까. SSPD의 핵심은 우주 공간에 있는 태양광 발전 패널에서 만들어진 전기에너지를 전자기파나 레이저로 바꿔 지구에 설치된 수신 안테나로 보내는 기술이다. 당연히 지구에 태양광 패널을 설치하는 것보다 비용이 많이 들지만, 날씨와 시간에 영향을 받지 않는다는 장점이 있다.

 

많은 양의 태양에너지를 받을 수 있어 전력 생산 효율도 지상 태양광 발전보다 높다. 우주에서는 면적 1㎡당 1360와트(W)의 태양에너지를 받을 수 있지만, 지구에서는 대기와 구름에 반사돼 면적 1㎡에 도달하는 태양에너지가 300W에 미치지 못한다.

 

 

 

미국 캘리포니아공대 연구진이 우주 태양광 발전을 위해 만든 태양광 패널 전개 제어 장치 '돌체(DOLCE)'이 작동하는 모습. /Caltech

 

 

 

캘리포니아공대 연구진이 개발한 SSPD는 총 3개의 실험 장치로 구성돼 있다. ‘돌체(DOLCE)’는 태양광 패널을 펼치거나 지상에 설치된 수신 안테나에 전자기파를 정확히 보낼 수 있도록 태양광 패널의 위치와 방향을 제어하는 기술을 담당한다. 32종의 태양광 발전 셀이 실려 있는 ‘알바(ALBA)’는 탑재된 태양광 발전 셀 중에서 우주에서 태양광을 전기에너지로 바꾸는 효율이 가장 높은 셀을 확인할 예정이다.

 

우주 태양광 발전의 핵심 기술로 꼽히는 무선 전력 송신 기술은 ‘메이플(MAPLE)’로 확인한다. SSPD는 우주에서 만든 전기에너지를 전자기파 중 하나인 마이크로파로 바꿔 지구로 보낼 계획이다. 고주파수 영역에 속하는 마이크로파는 투과력이 좋고, 지구 대기와 구름 등에 흡수되지 않는다. 전력 송신 과정에서 전기에너지의 손실이 일어나지 않아 우주 태양광 발전에 가장 적합한 파장으로 꼽힌다.

 

다만 거리에 따라서 에너지 손실이 커지는 전자기파의 특성상 고도가 최대 2000km에 이르는 지구 저궤도에서 지상으로 전기에너지를 보내려면 거대한 송신 안테나가 필요하다는 문제가 있다.

 

 

이상화 한국전기연구원 전력ICT연구센터 책임연구원은 “마이크로파를 이용한 전력 송신의 효율은 송신 안테나와 수신 안테나의 크기에 비례한다”며 “미국 항공우주국(NASA)에서는 우주 태양광 발전 시스템의 송신 안테나 크기를 1~2㎞, 수신 안테나 크기를 5㎞로 설계하고 있다”고 말했다.

 

1~2㎞짜리 송신 안테나를 우주로 쏘아 올릴 방법이나 비용은 여전히 우주 태양광 발전의 걸림돌로 남아 있다. 국제 우주정거장(ISS)의 길이가 73m인 것과 비교하면 송신 안테나의 크기가 얼마나 큰지 짐작이 된다.

 

알리 하지미리 미국 캘리포니아공대 전자·생물의학과 교수는 “우주 태양광 발전의 상용화를 위해서는 아직 나가야 할 길이 많지만, 이번 실험에서 많은 것을 배울 수 있길 기대한다”며 “우주 태양광 발전의 상용화는 불가능한 것은 아니라고 본다”고 말했다.

 

최근에는 마이크로파 대신 레이저로 에너지를 보내는 방식도 연구되고 있다. 레이저는 전자기파와 다르게 거리에 따른 에너지 손실이 적고, 거대한 송신 안테나도 필요 없다. 다만 레이저는 지구 대기의 영향을 받아 에너지 손실이 일어나는 만큼 지구로 전기에너지를 보내는 방식에는 어울리지 않는다는 지적도 있다.

 

이 책임연구원은 “레이저를 이용한 전력 송신 기술은 인공위성 사이의 전력 전송이나 달에 에너지를 보내는 목적으로 연구하는 추세”라며 “미국과 일본이 2000년대 후반부터 레이저 전력 송신 기술을 개발해 지상에서 20~30m 거리에서 에너지를 보내는 데 성공한 상황”이라고 설명했다.

 

 

유럽우주국(ESA)의 우주 태양광 발전 프로젝트 '폴라리스'의 상상도. /ESA

 

 

 

 

우주 태양광 발전 기술은 현재 한국전기연구원과 NASA, 유럽우주청(ESA), 일본 우주항공연구개발기구(JAXA) 등에서 연구하고 있다. 최근에는 에너지 안보의 중요성과 탄소 중립에 대한 필요성이 커지면서 우주 태양광 발전 기술 연구가 속도를 내고 있다.

 

ESA는 지난달 22일 우주 태양광 발전 프로젝트 ‘솔라리스’ 계획을 승인하면서 “올해부터 본격적인 연구에 돌입해 2025년까지 기초 기술을 확보할 예정”이라며 “2040년까지 상용화 수준의 우주 태양광 발전 기술을 확보하는 것이 목표”라고 밝혔다.

 

국내 연구진도 우주 태양광 발전 기술을 개발하고 있다. 한국전기연구원과 한국항공우주연구원 공동연구진은 지난해 인공위성 사이의 전력 송신을 위한 기술 설계를 마쳤고, 올해는 우주에서 지구로 전력을 송신하는 기술 설계도 시작할 예정이다.

 

 

 

사이언스조선 배너

 

이병철 기자

이병철 기자