기대되는 우주 태양광발전 시스템

미국 캘리포니아공대(칼텍)는 “지난 2023년 1월, 고도 550km의 저궤도 상공에 쏘아 올린 우주태양광발전 시제품인 '우주태양광전력시연기'(SSPD)가 마이크로파로 변환해 보낸 전기 신호를 대학 옥상에 설치한 수신기에서 감지되었다”고 발표하였다.

이는 우주로 발사되는 인공위성의 날개에서의 태양광 패널에서 생산된 태양광발전이 마이크로파로 변환돼 무선으로 지상에 내려 보낼 수 있다는 기술이 성공적이라는 사실을 밝힌 것이다. 그리고 지상에 설치된 안테나를 통해 마이크로파를 다시 전기에너지로 바꾸면 일반 전기로 사용할 수 있게 되어 우주태양광 발전이 실현될 수 있다는 기대를 할 수 있게 되었다.

칼텍 연구팀은 “우주태양광발전은 지상의 태양광발전보다 8배 더 많은 전력을 생산할 수 있고 지상 어디든 보낼 수 있어 별도의 지상 송전 시설 없이도 활용할 수 있다. 따라서 외딴 지역, 또는 전쟁이나 자연재해로 황폐화 된 지역에도 에너지를 보낼 수 있다”고 밝혔다.

1941년 미국의 SF 소설가 아이작 아시모프의 단편소설 '리즌‘에서 우주 태양광발전에 관련된 아이디어는 나왔다. 즉 우주정거장에서 태양광발전을 지구로 전송하는 장면이 그려져 있다. 이런 상상 속에서만 존재하던 우주 태양광발전이 이젠 현실화 될 수 있는 기술이 개발되어 미국 캘리포니아 공대 응용물리학 (칼텍)연구팀에 의해서 실험한 셈이다. 이 프로젝트는 지난 10년간 연구 끝에 2023년에는 실험적으로 확인하여 우주 태양광발전에 대한 실현가능성을 보여준 것이다.

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태양의 표면 온도는 무려 6천도에 이르고 있어 스스로 빛을 낼 수 있고 그 크기는 지구의 지름보다도 109배이어서 언제든지 지구상에 엄청난 에너지를 발산시키고 있다. 그래서 지구생태계가 생명을 유지할 수 있도록 에너지원을 제공해 주고 있어 우린 태양을 지구생명의 어머니라고 부르고 있다.

우주상에 태양 발전은 대기를 통과하면서 반사되거나 구름과 먼지 등이 없는 진공상태이기 때문에 지상보다 10배 가까운 에너지의 효율이 나타난다. 그리고 낮과 밤이 바뀌거나 날씨 변화가 없어 365일 24시간 동안 안정적인 태양에너지를 활용할 수 있다.

이는 우주태양광 발전 단독으로 24시간 상시 전력을 공급하는 기저 전원이 될 수 있어 원전과 같이 기저전력으로 사용할 수 있게 된다. 그러면서도 원전보다도 안전하고 깨끗하여 세계 인류가 마음놓고 사용할 수 있는 에너지원의 역할을 담당하게 될 것이다.

태양에너지에는 빛 에너지를 활용하는 태양광발전과 복사열을 활용하는 태양열 발전으로 구분된다. 태양광발전이란 말 그대로 태양의 반짝거리는 빛에너지를 받아 태양 전지판을 이용하여 전기를 생산하는 방식이다. 이에 반해 태양열발전은 표면온도 약 6,000 ℃인 태양에서 지구에 도달하는 태양의 복사열을 활용하여 복사에너지를 반사 물질을 집열판에서 흡수한 열에너지로 물을 끓여 증기로 전기를 발생시킨다. 이런 태양열 발전은 에너지 효율이 높고 태양열의 흡수, 저장, 열변환 과정 등을 통해 건물의 온수나 난방에 사용되고 있으며, 또는 터빈을 돌려 전기에너지로 전환도 가능하다.

이같이 태양광 발전과 태양열 발전을 다함께 활용할 수 있어야 태양발전의 효율성을 높일 수 있다.

2022년 11월, 유럽우주국(ESA)은 ‘솔라리스’ 계획을 발표하고 우주 태양광발전사업을 추진해 나가겠다고 발표하였다. 2025년까지 기초기술을 확보하고 2030년까지 실증기, 2035년까지 시험발전소를 운영하고 2040년 상용화에 들어간다는 목표를 수립하였다.

상용화 단계에선 태양광발전 위성을 정지궤도에 보내 2GW(기가와트)급 전력을 지구로 전송하며 이는 100만가구가 쓸 전기에 해당된다. 이런 정도의 태양광 발전기를 지상에 설치하려면 600만 개의 태양전지판이 필요하다. 그런데 2022년 9월, 솔라리스팀은 2kw의 전력을 36m거리까지 무선 전송하는 실험에 성공했다고 발표하였다.

이어서 영국은 2022년 3월 정부 주도로 학계와 기업이 함께 ‘스페이스 에너지 이니셔티브’컨소시엄을 구성하고 현재 카시오페이아 태양광발전 위성 개념을 도입하여 타원형 궤도를 도는 4~5개의 작은 위성을 띄웠다. 이는 정지궤도 위성보다 더 저렴한 비용으로 전기를 생산할 수 있으며 10년 안에 실현하겠다는 목표를 수립하고 있다.

그리고 세계 최대 온실가스 배출국인 중국은 2028년 우주 태양광 전력전송기술 시연을 시작으로 2050년까지 우주 태양광발전 시스템을 구축한다는 계획이다. 이 기술 시연은 고도 400km의 궤도를 도는 우주정거장 톈궁을 이용하여 2035년까지 10메가와트 규모의 시험발전 위성을 고도 3만6천km 정지궤도에 올려보내고, 2050년까지는 2기가와트급 우주발전소를 가동한다는 계획이다.

우리나라는 아직 초보 단계지만 상당한 원천기술을 확보하고 있다. 한국전기연구원(KERI)이 무선 전력 송수신 개발에 착수해 4.8kW급 전력을 100m까지 보내는 데 성공했다. 그리고 한국항공우주연구원(KARI)과 함께 위성 무선 전력 송수신 시스템을 설계해 2023년 프랑스 파리에서 열린 국제우주개발행사에서 시연해 보였다. 특히 빠르게 움직이는 목표를 정확히 포착해 전력을 송수신할 수 있는 정교한 기술을 선보여 높은 평가를 받았다.

한국전기연구원과 한국항공우주연구원은 2029년까지 소형 위성 2개를 제작해 우주에서 전력 송수신 기술을 시연한다는 목표를 세웠다.

한편 2021년, 한화그룹은 본격적으로 우주항공 산업에 뛰어들면서, 여러 계열사 및 관계사에 흩어져 있던 핵심 우주 기술을 한 데 모아 ‘한화 스페이스 허브’를 출범했다. 이어서 2021년 6월 나로호를 자체 개발하고 10월 21일에 발사하였으나 궤도 안착에는 실패하였다. 그리고 이듬해 2022년 6월 21일 16시(KST) 대한민국 나로우주센터에서 2차 발사에 성공하였다.

한화그룹은 2023년 5월 25일 18시 25분(KST) 3차 발사에 성공했으며, 마지막 6차 발사는 2027년까지 예정되어 있다. 이어서 2030년, 2031년에는 차세대 발사체를 활용해 달 착륙 검증선과 달 착륙선을 순차적으로 발사할 예정이다.

한화그룹은 이외에도 우주 태양광발전, 우주자원 탐사, 우주수송 셔틀 등 다양한 우주 사업 모델을 개발할 예정임을 밝혔다.

앞으로 ‘우주’ 그리고 ‘태양광’ 산업에서 최강자로 나아가겠다는 포부를 밝히면서 나로호(KSLV-I)개발에 당초 5천억원 예산보다 4배가 많은 2조원이 투입되었다고 발표하였다.

이같이 우주관련 사업은 엄청난 자금이 지속적으로 투입되어야 하는 사업이므로 정부의 재정의 뒷받침이 없으면 사실상 불가능한 일이다.

과거 우주 태양광의 실현 가능성은 너무나 많은 재정투입이 요구되기 때문에 사실상 부정적으로 평가되었다. 즉 1㎏당 발사 비용이 5만 달러에 육박했기 때문이나 지금은 스페이스X의 팰컨헤비 정도면 1㎏당 1400달러까지 내려가서 세계인류는 이의 실현을 기대 할 수 있게 되었다.

스페이스X란 2002년 5월 6일 일론 머스크가 설립한 미국의 우주탐사 기업으로 발사체, 우주선, 소형 인공위성 등을 제조하여 페이로드 발사 대행, 위성 인터넷 등의 사업을 영위하고 있는 회사이다.

장기적으로는 화성의 식민지화를 시작으로 인류의 다행성 종족화를 목표로 하고 있어 지속적인 소형 인공위성 발사를 통하여 로켓 스타십이 성공적으로 개발될 경우 이 가격은 훨씬 더 떨어질 수 있다고 기대한다. 그리고 세계인류가 앞으로 우주여행을 할 수 있는 우주정거장 건설도 기대할 수 있다고 전망하고 있다.

항공우주연구원 최준민 책임연구원은 “1㎏당 발사 비용이 600달러 밑으로 떨어지고, 무선전력 송신의 ‘앤드 투 앤드’ 효율이 15%(우주태양광발전소에서 만든 에너지 중 지상의 전력망으로 흘러가는 비율)에 도달하게 되어 원자력발전과도 가격 경쟁을 할 수 있다”고 밝히고 있다.

이어서 “2030년이 되기 전 우리가 제안한 위성 간 무선전력전송을 시연하고, 2030년대 중반쯤 저궤도 위성에서 지상으로 전력전송을 시험하는 것을 목표로 하여 2040년이 되기 전 ㎾급 정도의 전력을 무선으로 지상에 보내게 될 것이다”고 전망하였다. 그래서 2040년대 중반에는 ㎽급, 2050년대 중반에는 GW급으로 빌전하여 2050년 이후 우주태양광 발전이 세계 인류에게 에너지원으로 활용될 수 있게 될 것이라고 한다.