실제로 우주 태양광과 관련된 아이디어는 1941년 미국의 SF 소설가 아이작 아시모프의 단편소설 <Reason>에서 소개되었습니다. 우주정거장에서 태양광 발전을 한 뒤 지구로 전송하는 개념을 소설에서 표현된 것인데요. 이렇게 상상 속에서만 존재하던 기술을 현실화하기 위해 2013년 미국 캘리포니아 공대 응용물리학 연구원들을 주축으로 ‘우주 기반 태양광 발전 프로젝트(SSPP)’가 착수됐습니다. 아이작 아시모프는 공상과학 소설 속에서만 가능해 보였던 이 기술이 2019년에는 실제로 사용될 것이라 전했지만, 사실 아직도 관련 기술력을 업그레이드하는 과정에 머물러 있어요. 다가오는 2023년에는 ‘우주 기반 태양광 발전 프로젝트(SSPP)’가 연구에 착수된 지 10년만에 첫 테스트를 앞두고 있는데, 우주 태양광이 정말 현실화될 수 있을지 많은 이들의 관심이 집중되고 있습니다.
우주에서는 태양광을 바로 받기 때문에 지표면에서 태양광 발전을 하는 경우보다 손실 없이 더 많은 에너지를 모을 수 있습니다. 그리고 이를 활용한 에너지 발전 방식을 우주 태양광 발전이라고 합니다. 앞서 소설가 아이작 아시모프가 소개한 것과 유사하게, 우주에서 태양광 발전으로 생산한 에너지를 지구에 보내 활용하는 방식이죠.
그렇다면, 우주에서 얻은 태양광 에너지를 어떻게 일상 속에서 사용할 수 있을까요?
우주로 발사되는 인공위성의 날개에는 태양광 패널이 부착되어 있는데요. 이렇게 태양광 발전 패널이 부착된 인공위성을 우주로 쏘아 올린 후 태양광 발전을 통해 전기를 생산하고, 생산된 전기를 마이크로파로 변환해 무선으로 지상에 내려 보내게 됩니다. 그리고 마지막으로 지상에 설치된 안테나를 통해 마이크로파를 다시 전기에너지로 바꾸면 일반 전기로 사용할 수 있게 되는 것입니다.
하루의 99%를 우주 태양광 발전에 활용하다
그렇다면 우주 태양광, 어떤 장점이 있을까요?
우선, 태양광이 지구에 도달하기 까지는 햇빛을 막는 대기 가스, 구름, 먼지, 날씨 등 영향을 미치는 요소들이 있고, 무엇보다도 태양이 떠있는 낮에만 발전이 가능하다는 한계가 있는데요. 반면, 우주 공간에서는 날씨라는 장애물이 없고, 낮과 밤이 생기지 않아 사실상 무제한으로 햇빛을 받을 수 있습니다. 한국항공우주연구원에 따르면 1m² 태양전지 기준 발전량은 지상에선 0.4kW이지만, 지구 3만6000km 상공의 정지궤도에선 1.36kW에 달한다고 합니다. 우주 태양광 발전은 하루의 99%를 모두 발전에 쓸 수 있는데, 이는 지상에 비해 효율이 무려 7배 이상이라고 해요.
이렇게 높은 효율로 모인 에너지는 우주 태양광 발전 과정의 ‘무선송전’ 기술을 활용해 필요한 지역에 필요한 만큼 빠르고 고르게 분배할 수 있습니다. 또한, 지상처럼 부지가 필요하지 않아 부동산이나 택지 비용이 들지 않는다는 장점도 있습니다.
우주 태양광 발전 실용화의 발목을 잡는 ‘이것’
이렇게나 많은 장점을 갖고 있는 우주 태양광 발전, 하지만 실용화가 어려운 이유가 있어요. 바로 태양광 발전소를 우주로 쏘아 올려 제작하는 데까지 막대한 비용이 들기 때문입니다. 2020년 기준 정지궤도에 5톤 규모의 인공위성을 올리는데 1억~2억 달러가 든다고 합니다. 하지만 최근 일론 머스크가 이끄는 스페이스X가 '로켓 재활용' 신기록을 세우며 비용 절감 대책 방안으로 주목받는 등 우주 태양광 개발에 한발짝 가까워지게 됐습니다. 실제로 미 항공우주국(NASA)에 따르면, 발사 비용은 지난 10년 동안 20분의 1로 줄어들었다고 합니다.
그러나 여전히 막대한 비용을 무시할 순 없죠. 영국 BBC에서는 대형 발전소를 건설하려면 부품을 여러 차례 우주로 보내 우주에서 조립해야 함을 전한 바 있는데요. 유럽우주국(ESA)의 관계자들은 발전소 하나를 건설하는데 10 평방 킬로미터의 면적이 필요할 것이며, 로켓을 통해 이를 쏘아 올리기 위해 여전히 큰 비용이 들 것이라고 전했습니다. 현재 태양광 발전 위성을 우주로 올리는 비용은 1㎏당 평균 1만달러 수준으로 추산되고 있는데, 과학자들은 1㎏당 600달러 정도까지 낮아져야 실용화될 수 있을 것이라 보고 있어요.
이를 해결하기 위해 다방면에서 기술 개발이 한창인데요. 초경량 태양전지 판을 개발하고, 돛을 펴고 태양 궤도를 돌 수 있는 ‘솔라 세일(solar sail)’을 이전보다 가볍게 조립하기 위한 방안을 모색하는 등 세계 각국의 노력이 이어지고 있습니다.
우주 태양광 발전, 현실화되는 그날까지·· 우주 선진국들의 적극적인 개발 움직임
<태양광 무선 전송 안테나 모듈(PRAM), 출처: New Atlas>
많은 우주 선진국들이 우주 태양광 발전에 재빠르게 도전하고 있습니다. 미 해군 연구소는 2020년 5월 ‘태양광 무선 전송 안테나 모듈(PRAM)’이 실린 소형 위성을 무인 우주비행체 ‘X-37B’에 실어 발사했는데요. PRAM 장치는 10W의 전기를 전송하는 능력이 있는데, 이는 태블릿을 충분히 작동할 수 있는 전력량이라고 합니다. 그리고 2021년 3월에는 태양광으로 만든 전기에너지를 마이크로파로 바꾸는 에너지 변환 실험에 성공하여 우주 태양광 발전의 현실화에 한 발짝 다가가기도 했는데요.
일본과 유럽에서도 무선으로 전력에너지를 전송하는 기술 개발에 힘쓰고 있습니다. 2015년 당시일본은 무선으로 1.8kW의 전력을 마이크로파로 55m 떨어진 안테나에 보내는 실험에 성공하였고, 현재는 2050년 우주 태양광을 상용화 목표를 실현하기 위해 기술 개발에 한참입니다. 유럽우주국(ESA) 역시, 우주 태양광 실험을 위해 소형 위성을 발사할 계획을 밝혔습니다. 이 외에도 러시아, 중국 등 많은 국가에서 우주 태양광에 굉장히 큰 관심을 보이며 개발에 적극적으로 참여하고 있다고 해요.
우주·태양광 사업 ‘최강자’ 한화그룹
대한민국 역시 우주선진국을 향해 한 발짝 다가가고 있습니다.
한화그룹은 올해 3월 한화그룹 내 여러 계열사에 흩어져 있던 우주 사업을 한데 모아 ‘스페이스 허브’를 출범하였습니다. 국내 대기업 중 유일하게 항공우주 사업을 전개하게 된 것인데, 한화그룹은 우주 산업을 신성장동력으로 삼으며 차근차근 개발에 힘쓰고 있습니다. 그리고 지난 10월, 한화그룹의 우주사업이 신호탄을 알리게 됐는데요. 최초의 한국 기술로 만들어진 한국형 발사체인 누리호에 한화그룹의 기술역량이 반영된 것입니다.
누리호에는 한화그룹 방산 계열사 한화에어로스페이스가 순수 제작한 75톤급 액체엔진이 탑재되었는데, 1단 4기, 2단 1기, 3단 1기 등 총 6기에 달합니다. 이 엔진은 누리호를 쏘아 올리는 핵심 부품으로 발사체의 심장과 마찬가지인데요. 발사체가 중력을 극복하고 우주에 진입하기 위해서는 고온, 고압 등 극한 조건을 모두 견뎌 내는 강력한 추력이 필요합니다. 한화에어로스페이스의 75톤급 액체엔진은 이를 견뎌낼 수 있도록 제작된 최첨단 기술의 집약체로 볼 수 있어요.
한화그룹은 이외에도 우주 태양광 발전, 우주자원탐사, 우주 수송 셔틀 등 다양한 우주사업 모델을 개발할 예정임을 밝혔습니다. 앞으로 ‘우주’ 그리고 ‘태양광’ 산업에서 최강자로 나아갈 한화그룹의 행보에 많은 기대와 관심 부탁드립니다.
