우주에 거대한 ‘태양광발전소’ 건설

과학기술

우주에 거대한 ‘태양광발전소’ 건설
태양 궤도에서 전기 에너지 축적해 지구로 전송

2020.11.25 10:37 이강봉 객원기자

러시아의 로켓 과학자인 콘스탄틴 치올콥스키(Константин Циолковский, 1857~1935)는 러시아 우주 계획의 선구자다.

그는 1903년 발표한 유명한 논문 ‘반작용 모터를 이용한 우주 공간 탐험’을 통해 로켓 추진을 통한 우주여행의 개념을 처음 소개했다. 1920년 그는 또 우주 태양광발전소에 대한 아이디어를 제안했다.

이 개념은 우주에 거대한 발전소를 띄워 그곳에서 엄청난 양의 에너지를 생산할 수 있으며, 그 에너지를 지구로 전송할 수 있다는 것이다. 그러나 지난 한 세기 동안 이 개념은 과학계 보도 보다 SF(공상과학 소설) 작가들에게 영감을 주고 있었다.

우주 태양광발전소를 통해 생성한 에너지를 지구로 전송해 에너지 부족을 해결하고 지구온난화 문제를 해소하려는 대단위 프로젝트가 유럽우주국(ESA)을 통해 시작됐다. 사진은 최근 ESA가 NASA와 협력해 발사한 ‘센티넬-6 마이클 프라이 리치 위성’. ⓒESA

유럽우주국, 우주 발전소 건설에 첫걸음

그러나 최근 상황이 달라지고 있다.

23일 ‘라이브 사이언스’는 유럽우주국(ESA)이 우주 발전소 건설을 위한 첫발을 내딛고 있다고 보도했다.

프로젝트를 추진하기 위해 자금을 조성하고 있는데, 빛을 통해 지구로 에너지를 전송할 수 있는 이 ‘빔드 파워(Beamed Power)’ 발전소를 통해 지구의 심각한 에너지난을 해소할 수 있을 것으로 보고 있다.

ESA가 우주 발전소 건설에 착수한 것은 최근 기후변화 때문이다. 기상이변으로 전 세계가 심각한 위협을 받고 있는 가운데 이 문제를 극복하기 위해서는 근본적으로 지구 전체의 에너지 부족 사태를 해결해야 한다는 전제가 깔려 있다.

관계자들은 이 프로젝트에 많은 이점이 있다고 설명하고 있다. 이 우주 태양광발전소는 24시간 내내 태양을 바라보며 궤도를 돌 수 있도록 설계돼 있는데 그런 만큼 더 많은 햇빛을 받고 많은 양의 에너지를 생산할 수 있다는 것이 기본 개념이다.

또한 지구상에서 바람이 불거나 태양이 비치는 경우에만 에너지를 생산할 수 있는 재생 에너지(renewable energy) 기술을 보완할 수 있을 것으로 보고 있다.

그러나 이 프로젝트를 실현하기 위해서는 발전소 건설, 에너지 전송 등과 관련된 기술적인 문제들을 극복해야 한다.

첫 번째 과제는 우주 상공에 이 거대한 태양광발전소를 어떻게 조립해 배치할 수 있느냐는 것이다. 관계자들은 발전소 하나를 건설하는데 10 평방킬로미터의 면적이 필요할 것으로 예상하고 있는데 로켓을 통해 이를 쏘아 올리기 위해서 큰 비용이 들 것으로 예상하고 있다.

그러나 발전소 가동을 위해 투입되는 기기들을 경량화하고, 보다 효율적인 조립 방식 등을 고안해낼 경우 비용 문제를 해소할 수 있을 것으로 보고 있다.

우주 발전소 통해 지구 에너지난 해소

지금까지 제안된 설루션 중 하나는 우주 태양광발전소를 형성할 수 있는 수천 개의 작은 인공위성을 개발하는 것이다.

실제로 2017년 캘리포니아 공과대학(Caltech) 과학자들은 인공위성으로 구성된 모듈 식의 발전소 설계를 위해 평방미터당 280g에 불과한 초경량 태양전지 판을 자체 개발해 소개한 바 있다.

돛을 펴고 태양 궤도를 돌 수 있는 ‘솔라 세일(solar sail)’을 이전보다 더 가볍게 조립해 활용하기 위한 방안도 강구되고 있다.

영국 리버풀 대학에서는 3D 프린팅 기술을 적용해 솔라 세일에 초경량 태양전지 판을 인쇄하기 위한 방안을 모색하고 있다. 이 기술을 활용할 경우 연료 없이 솔라 세일을 움직일 수 있으며, 또한 연료 없는 태양광발전소를 가동할 수 있다는 것.

또 다른 과제는 우주 상공에서 생산한 전력을 지구로 다시 전송하는 것이다.

과학자들은 태양전지에서 생성된 전기를 에너지 파동으로 변환시킨 후 전자기장을 사용해 지구 표면에 있는 안테나로 전달하고, 안테나에서는 이 파동을 다시 전기로 변환시킨 후 에너지로 활용하는 방식이다.

실제로 일본 항공우주 탐사국 (JAEA)에서는 이 시스템을 개발했으며, 실제로 이를 수행할 수 있는 궤도 시스템을 시연한 바 있다.

중국의 과학자들은 ‘오메가(Omega)’란 시스템을 설계해 2050년 안에 운영할 계획이다. 이 시스템은 지구에 2 GW의 전력을 공급하는 것을 목표로 하고 있다. 관계자들은 이 프로젝트가 성공을 거두기 위해서는 600만 개 이상의 초경량 태양전지 판이 필요할 것으로 보고 있다.

현재 개발되고 이런 방식들은 상상 속의 우주 태양광발전소가 실현되고 있음을 말해주고 있다.

관계자들은 빠른 시일 내에 국제 우주 정거장(ICC)이나 달에 들어가는 입구가 될 ‘달 관문 정거장(lunar gateway station)’ 등에 발전 시설을 설치할 수 있다고 보고 있다.

그러나 최종 목표는 지구 에너지 문제를 해결할 수 있는 거대한 태양광 발전소다. 과학자들은 이 프로젝트가 완성될 경우 지구 에너지 부족 사태가 해결되고, 심각하게 대두되고 있는 기후변화 문제를 해소할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

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