우주에서 태양광 발전

미국에서 첫 번째로 성공한 우주 태양 에너지 발전이 이루어졌다. 칼텍(Caltech)의 연구자들은 우주에서 태양 에너지를 수집하고 지구로 전송하기 위해 개발한 기술을 실험하기 위해 우주로 전송된 태양 전지판을 사용하였다. 이 실험은 작은 규모의 에너지를 생성하여 지구로 전송하는 데에 성공한 것으로, 태양 에너지를 우주에서 발전하여 지구로 전송하는 기술적 가능성을 입증했다.

이 실험은 Caltech의 우주 태양 에너지 발전 프로젝트(SSPP)의 일환으로 진행되었다. 이 프로젝트의 주요 목표는 우주에서 태양 에너지를 수확하고 지구 표면으로 전송하는 것이다. 실험에 사용된 장치인 우주 태양 에너지 실험 장치(SSPD-1)는 유연하고 가벼운 마이크로파 전력 송신기의 배열로 구성되어 있다.

실험에서는 마이크로파 배열을 통해 에너지를 우주로 무선 전송하고 지구에서 감지할 수 있는 양의 에너지를 지향점으로 전송하는 것에 성공했다. 또한 실험은 이 장치가 우주로 운반되어 운영 가능하다는 것을 입증했다. 실험은 두 개의 별도의 수신기 어레이로 에너지를 전송하여 전기로 변환되어 LED 조명을 밝히는 데에 사용되었다.

이러한 실험 결과는 우주에서 발전된 태양 에너지를 지구로 전송할 수 있는 기술적인 가능성을 보여주며, 지구의 모든 위치에서 표면 태양 전지판보다 8배 더 많은 에너지를 얻을 수 있다는 것을 시사한다. 미래에는 대규모 우주 태양 에너지 발전 시스템이 구축되어 태양 에너지의 거의 무한한 공급원으로 활용될 수 있을 것이다.

앞으로 상용화를 위해 해결해야 할 여러 가지 문제들이 있지만, 이 실험을 통해 많은 것을 배우고 상용화가 불가능하지 않을 수도 있다는 의견이 칼텍의 Ali Hajimiri 교수로부터 나왔다.

우주 태양 에너지 발전은 지구에서의 낮과 밤, 구름에 의한 가려짐, 날씨와 같은 요인의 영향을 받지 않기 때문에 항상 사용 가능하다. 이는 지구 표면의 어떤 위치에서도 태양 전지판보다 8배 더 많은 에너지를 얻을 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 것을 의미한다.

미국에서 첫 번째로 성공한 우주 태양 에너지 발전은 우주 태양 에너지 발전 기술의 발전 가능성을 입증하고 대규모 우주 태양 에너지 발전 시스템의 상용화에 한 발짝 더 가까워졌다. 이러한 기술의 상용화는 지구에 지속 가능하고 친환경적인 에너지 공급을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

 

실용화까진 머나먼 길…5가지 과제 풀어야

첫째는 어떻게 건설하느냐는 문제다.
현재 발전소 출력 용량에 필적하는 기가와트급 전력을 생산하려면 태양전지판 크기가 1㎢ 이상은 돼야 한다. 이는 국제우주정거장의 100배가 넘는 규모다. 우주정거장을 짓는 데 10년이 걸렸다. 산술적으로 따져 보면 지금 당장 시작해도 완공까지 수십년이 걸릴 수 있다는 얘기다.

둘째는 태양전지의 가성비를 높이는 문제다.

우주로 물체를 발사하는 데는 큰돈이 든다. 따라서 가볍고 에너지 전환 효율과 내구성이 좋은 태양전지를 개발하는 것이 중요하다. ‘네이처’는 한 물리학자의 말을 빌어 태양전지 1kg에서 1~2kw의 전력을 생산할 수 있어야 한다고 기준선을 정했다. 이 조건을 충족하려면 현재 쓰고 있는 기존 실리콘 태양전지보다 약 50배 더 효율이 좋아야 한다.

셋째는 전기를 지구로 어떻게 가져올 것이냐는 문제다.

레이저 빔은 에너지를 잘 전달하지만 구름이 이를 차단할 수 있다. 이 문제를 피하려면 많은 에너지를 잃지 않고 대기를 통과할 수 있는 마이크로파로 변환해야 한다. 그러나 마이크로파로 변환한 뒤 지상에서 다시 전기로 변환할 때 전기 손실이 불가피하게 발생한다. ‘네이처’는 손실을 최소화하는 기술이 개발돼야 한다고 지적했다.

넷째는 실제로 2050 탄소 중립에 기여할 수 있느냐는 문제다.

아무리 취지가 좋다 해도 내실이 없다면 무용지물이다. 탄소포집기술이나 다른 저탄소 에너지원과 비교해 경쟁력을 갖춰야 추진할 만한 가치가 있다. ‘네이처’는 영국 스트래스클라이드대 연구진이 계산한 결과, 우주기반태양광발전 건설 과정에서 들어간 탄소배출을 6년 안에 상쇄할 것으로 나왔지만 현실성이 있는 계산인지 의문을 제기했다.

다섯째는 안전성 문제다.

마이크로파가 지상에 전송되는 과정에서 우려되는 것은 두가지다. 하나는 통신 방해, 다른 하나는 지상의 생명체에 유해하냐다. 우주에서 수집한 햇빛은 마이크로파로 변환된 다음 지구의 대기를 통해 아래로 전송되어 수 km의 지역에 걸쳐 뻗어 있는 안테나에 포착된다.
솔라리스 프로젝트 공동책임자인 제임스 카펜터는 “지상 안테나가 받는 에너지 밀도는 ㎡당 평균 50W로 전자레인지에서 방출되는 마이크로파 수준이어서 안전권고치 범위 내에 있다”고 말했다. ‘네이처’는 그러나 인간과 동물 또는 더 넓은 지역의 환경에 아무런 부작용이 없다는 걸 입증할 필요가 있다고 지적했다.