태양광발전소 우주에 띄운다...지구로 전력전송 첫 성공
기자명 양철승 기자   입력 2024.01.21 11:30 수정 2024.01.21 11:33 댓글 1
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<img alt='칼텍이 지상 약 500㎞ 상공의 지구저궤도 위성에서 태양전지로 생산한 전력을 지구로 무선 전송하는데 최초로 성공했다. 이로써 지상 태양광 발전 대비 8~10배의 전력 생산이 가능한 우주 태양광 발전을 현실화할 기술혁신이 한층 가속화될 전망이다. /칼텍' src='https://cdn.jayupress.com/news/photo/202401/25342_33482_3009.jpg' width='680' style='box-sizing: inherit; display: inline-block; vertical-align: middle; max-width: 100%; height: auto;'>칼텍이 지상 약 500㎞ 상공의 지구저궤도 위성에서 태양전지로 생산한 전력을 지구로 무선 전송하는데 최초로 성공했다. 이로써 지상 태양광 발전 대비 8~10배의 전력 생산이 가능한 우주 태양광 발전을 현실화할 기술혁신이 한층 가속화될 전망이다. /칼텍

우주 태양광 발전이 공상과학적 상상이 아닌 현실의 영역으로 들어왔다. 미국 연구팀이 사상 최초로 우주에서 태양전지로 생산한 전기를 지구로 무선전송하는 시연에 성공한 것이다. 우주 태양광은 지상 태양광 대비 최대 10배의 전력생산이 가능해 세계 각국이 발전산업 탈탄소화의 치트키로 주목하고 있는 만큼 상용화 기술 연구에 한층 가속도가 붙을 전망이다.

미국 캘리포니아공대(칼텍)는 최근 우주 태양광 발전의 기술적 타당성을 검증하기 위한 저궤도 위성이 1년간의 성공적 운용을 마치고 공식 임무를 종료했다고 밝혔다.

지난 1월 발사된 칼텍의 ‘우주 태양광 발전 시연위성 1호기(SSPD-1)’는 태양전지를 궤도상에서 전개하는 ‘돌체(DOLCE)’, 최적의 우주 발전용 태양전지를 찾는 ‘알바(ALBA)’, 궤도에서 생산한 전력을 전파의 형태로 지구에 전달하는 ‘메이플(MAPLE)’ 실험을 진행했는데 연구팀은 세 실험 모두를 성공으로 평가했다. 토마스 로젠바움 칼텍 총장은 "상업적 수준의 우주 태양광 발전은 여전히 미래의 전망이지만 이번 프로젝트를 통해 이것이 막연한 미래가 아닌 도달 가능한 미래가 됐다"고 말했다.

이번 SSPD-1 실험 중 가장 주목할 만한 성과는 최대 난제로 꼽혔던 무선전력전송, 즉 메이플이다. 우주 태양광을 현실화하려면 지구저궤도에서 지상까지 전력을 약 500㎞나 무선전송해야 하는데 기존 최장 성공거리는 2㎞에도 못미쳤기 때문이다.

연구팀에 따르면 메이플 탑재체는 시운전을 거쳐 돌체에서 생산된 전력을 극초단파로 변환해 지상에 발사했고, 지난해 5월 22일 칼텍 캠퍼스의 옥상에 마련된 수신기를 이용해 이 전파가 처음 감지됐다. 또한 연구팀은 이를 전력으로 재변환하는 데에도 성공했다. 역사상 최초로 우주-지구 간 초장거리 무선전력전송에 성공하는 순간이었다.

연구팀의 알리 하리미리 교수는 "이날 전파를 수신한 시간은 단 90초에 불과했고, 수신된 전파도 미미한 수준이었지만 우주에서 태양에너지를 수확하고 그것을 무선으로 지구까지 전달하는 세기적인 꿈을 실현하기 위한 중대한 이정표를 세웠다"고 평가했다.

<img alt='SSPD-1의 메이플(MAPLE) 탑재체 내부. 왼쪽 상단이 전파로 변환한 전력 송신기, 오른쪽 하단이 수신기다. /칼텍' src='https://cdn.jayupress.com/news/photo/202401/25342_33484_3009.jpg' width='680' style='box-sizing: inherit; display: inline-block; vertical-align: middle; max-width: 100%; height: auto;'>SSPD-1의 메이플(MAPLE) 탑재체 내부. 왼쪽 상단이 전파로 변환한 전력 송신기, 오른쪽 하단이 수신기다. /칼텍

이후 8개월간 연구팀은 메이플에 의도적인 스트레스를 가했다. 성능적 한계와 잠재적 취약점 파악을 위해서였다. 그 결과, 시간이 지날수록 전력전송량의 감소가 관찰됐다. 전기-열 상호작용과 부품의 마모가 원인이었다. 하리미리 교수는 "이를 토대로 장기간의 운용에도 성능이 극대화되도록 메이플의 다양한 설계를 이미 수정했다"며 "우리가 놓쳤던 사각지대를 알게 되면서 기술고도화에 대해서도 더 많은 자신감을 갖게 됐다"고 전했다.

나머지 두 실험에서도 연구팀은 소귀의 성과를 거뒀다. 돌체 탑재체는 종이접기에서 착안한 접이식 구조물을 이용해 박막 태양전지를 1.8㎡ 넓이로 펼치는데 성공하면서 발사비용과 직결되는 부피와 중량을 최소화할 방안을 찾았고, 알바를 통해서는 32종의 태양전지를 240여일 동안 테스트해 갈륨비소 태양전지가 최신 페로브스카이트 태양전지를 능가하는 일관되고 안정적 성능을 발휘함을 확인했다.

연구팀의 해리 앳워터 교수는 "SSPD-1 덕분에 보통 몇 년이 결렸을 연구를 1년만에 마무리할 수 있었다"면서 "이번 성과는 우주 태양광 기술의 혁신주기를 획기적으로 단축시켜 줄 것"이라고 말했다.

칼텍이 우주 태양광 프로젝트에 뛰어든 것은 비교불가의 효율성 때문이다. 실제 지구저궤도에는 1㎡당 약 1360W의 태양에너지가 도달하는 반면 지표면에는 300W 남짓만 도착한다. 대기에 의한 반사, 구름·먼지에 의한 흡수·산란 탓이다. 또 지상에선 낮밤과 날씨에 따라 발전이 제한되지만 우주는 24시간 멈춤없이 전력을 만들어낼 수 있다. 과학계가 예측하는 우주 태양광의 발전량은 지상 태양광 대비 무려 8~10배에 달한다. 상용화만 된다면 태양광이 단번에 인류의 주력 에너지원이 될 수 있는 수준이다.

이에 세계 각국도 이의 상용화를 위해 각축전을 벌이고 있다. 유럽우주기구(ESA)는 100만 가구 이상에 전력을 공급할 수 있는 2GW급 우주 태양광 발전을 목표로 ‘솔라리스(SOLARIS)’ 이니셔티브를 론칭했고, 중국은 2030년 1㎿급 우주 태양광 발전소 운용을 표명했다. 또 일본은 2㎢ 넓이의 우주 태양광 발전소 운용을 목표로 2025년 우주에서의 무선전력전송 시험에 나설 계획이다. 우리나라 역시 한국항공우주연구원이 지난 19일 1.82㎞의 무선전력전송에 성공했다고 밝히는 등 기반기술 확보에 나선 상태다.

<img alt='연구팀이 캘리포니아 패서디나 소재 칼텍 캠퍼스의 무어연구소 옥상에서 SSPD-1가 보내오는 전파를 수신하고 있다. /칼텍' src='https://cdn.jayupress.com/news/photo/202401/25342_33486_3010.jpg' width='680' style='box-sizing: inherit; display: inline-block; vertical-align: middle; max-width: 100%; height: auto;'>연구팀이 캘리포니아 패서디나 소재 칼텍 캠퍼스의 무어연구소 옥상에서 SSPD-1가 보내오는 전파를 수신하고 있다. /칼텍



양철승 기자