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달 표면의 암석 부스러기와 먼지로 된 퍼석퍼석한 물질인 '레골리스'(regolith)를 이용해 우주 환경에서 안정적으로 전기를 생산할 수 있는 태양전지 제작 기술이 개발됐다.

달 레골리스를 활용한 미래 태양전지 제조 상상도. 달 표면의 암석 부스러기와 먼지로 된 퍼석퍼석한 물질인 '레골리스'(regolith)를 채취해 생산시설로 가져와 페로브스카이트(perovskite) 기반 태양전지를 제작하는 로봇 상상도. 자동화된 로버나 우주 비행사가 생산된 태양전지를 설치해 미래의 달 거주지나 도시에 전력을 공급한다. ⓒSercan Özen 제공

독일 포츠담대 펠릭스 랑 박사팀은 4일 과학 저널 디바이스(Device)에서 달 레골리스 모사체를 녹여 만든 문글라스(moonglass)와 값싸고 에너지 전환 효율이 높은 페로브스카이트(perovskite)를 결합해 안정적인 태양전지를 만들었다고 밝혔다.

연구팀은 달에서 직접 태양전지를 만들면 고효율 태양전지를 지구에서 가져갈 때보다 운송 물질 무게와 비용을 99% 이상 줄일 수 있다며 달 먼지 태양전지가 미래 우주탐사에서 잠재적인 에너지 공급원이 될 수 있을 것이라고 말했다.

미 항공우주국(NASA) 등 세계 각국이 중장기 우주개발 계획으로 달에 유인기지를 건설해 운영하는 방안을 추진하면서 달에서 물을 확보하고 안정적인 에너지 공급원을 만드는 것 등이 해결해야 할 과제로 떠올랐다.

랑 박사는 "현재 우주에서 사용되는 태양전지는 효율이 30~40%로 매우 높지만, 효율에는 대가가 따른다"며 이 태양전지는 유리나 두꺼운 금속 막을 덮개로 사용해 매우 비싸고 무거워 우주로 발사하는 데 큰 비용이 든다고 지적했다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 지구에서 태양전지를 가지고 가는 대신 달에서 구할 수 있는 재료로 태양전지 제작에 필요한 유리를 만드는 방안을 모색했다.

달 레골리스 모사체와 문글라스, 달 태양전지. 달 표면의 암석 부스러기와 먼지로 된 퍼석퍼석한 물질인 '레골리스'(regolith)를 모사한 물질과 모사체를 녹여 만든 문글라스(moonglass), 문글라스를 이용해 만든 태양전지. 원 삽입된 그림은 태양전지 내 페로브스카이트 결정 구조와 단면 현미경 사진. ⓒFelix Lang 제공

이들은 먼저 달의 먼지를 모방한 물질을 만들고 이를 녹여 문글라스를 만든 다음, 제작이 쉽고 저렴하며 에너지 전환 효율이 좋은 페로브스카이트와 결합해 10% 효율의 태양전지를 만들었다.

연구팀은 문글라스를 만드는 데는 복잡한 정제과정이 필요하지 않고 집중된 햇빛만으로도 레골리스 모사체를 녹여 유리로 만드는 데 필요한 온도를 얻을 수 있었다며 그 과정이 의외로 간단했다고 밝혔다.

또 일반 유리는 우주에서 갈색으로 변하며 햇빛을 차단, 효율이 서서히 낮아지지만, 문글라스는 달 먼지 불순물 때문에 자연스러운 갈색을 띠고 더 어두워지지 않아 태양전지가 방사선에 더 강해지는 것으로 나타났다.

연구팀은 이 태양전지 효율은 10%지만 이는 우주로 보내는 물질 1ｇ당 에너지 생산량을 지구에서 가져가는 태양전지와 비교하면 최대 100배 더 많은 것이라며 더 투명한 문글라스를 사용하면 효율도 23%까지 높일 수 있을 것이라고 밝혔다.

연구팀은 그러나 달은 중력이 작아 문글라스 형성 방식이 달라지고 급격한 온도 변화가 재료 안정성을 위협할 수 있는 등 다른 과제가 있을 수 있다며 달 레골리스 태양전지의 실현 가능성을 알아보기 위해 달에 소규모 실험 장치를 보내 테스트할 수 있기를 희망한다고 밝혔다.

랑 박사는 "달에서 태양전지를 만들면 우주선 태양전지 운송 중량을 99.4% 줄이고 비용도 99% 절감할 수 있다"며 이 연구는 안정적 에너지원이라는 우주탐사의 가장 큰 과제에 대한 잠재적 해결책을 제시한다고 말했다.

이어 "연료용 물 추출부터 달 벽돌로 집을 짓는 것까지 과학자들은 달 먼지 활용법을 모색해 왔다"며 "이 연구는 달 먼지를 이용해 만든 태양전지로 미래 달 도시에 필요한 에너지를 공급할 수 있는 가능성까지 보여준다"고 덧붙였다.

◆ 출처 : Device, Ortiz et al., 'Moon photovoltaics utilizing lunar regolith and halide perovskites', https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(25)00060-2.