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[2636호] 2020.12.07
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[과학]SF소설가의 상상대로… 우주 태양광발전소 건설 첫발

김형자  과학칼럼니스트 bluesky-pub@hanmail.net

▲ 유럽우주국(ESA)이 구상 중인 우주 태양광발전 개념도. photo footprintfacts.org
기후변화로 이상기온이 심해지자 전 세계적 대응이 커지고 있다. 그중 하나가 ‘우주 태양광발전(Space Solar Power)’이다. 지구에서 필요한 전기를 우주에서 생산하자는 것이다. 우주에 세워지는 태양광발전소는 지구온난화의 주 원인인 이산화탄소를 배출하지 않는 전력 공급원 확보라는 게 이점이다. 이 이점을 최대한 살린 우주 태양광발전소 건설에 유럽우주국(ESA)이 적극 나서고 있다.
   
   
   우주 수집 태양광 레이저빔 통해 전송
   
   지난 11월 23일 미국의 과학매체 ‘라이브 사이언스’는 ESA가 우주 발전소 건설을 위한 첫발을 내딛고 있다고 보도했다. 일명 ‘빔드 파워(Beamed Power)’ 프로젝트로, 우주 태양광 기지에서 모은 에너지를 레이저빔을 통해 지구로 안전하게 보내자는 아이디어다.
   
   이 아이디어는 공상과학(SF) 소설가 아이작 아시모프가 처음 생각해낸 것이다. 그는 1941년 단편소설 ‘이성(Reason)’에서 ‘우주 태양광발전은 우주정거장에서 햇빛을 모아 태양광발전을 한 뒤 태양계를 가로질러 다른 행성에 빔을 보내는 에너지 변환기’라고 개념을 표현하고 있다. 한편 우주 태양광발전소 아이디어는 1920년 러시아의 로켓 과학자 콘스탄틴 치올콥스키가 처음으로 제안했다. 우주에 거대한 발전소를 띄워 그곳에서 엄청난 양의 에너지를 생산해 지구로 전송하자는 것이다.
   
   우주에서 태양전지로 전기를 생산하는 것은 이미 수많은 인공위성이 입증한 기술이다. 하지만 우주 태양광발전소 건설에는 난관이 적지 않다. 우주선에서 필요한 자체 전력만 생산하는 인공위성과 달리, 통상 과학자들이 구상하는 태양광 시스템은 1GW급의 우주 태양광발전 패널 길이만 10㎞가 넘는 거대 구조물이다. 인공위성에 거대 태양전지판을 설치하여 발전하는 방식이다. 이렇게 거대한 구조물을 우주의 정지궤도에 쏘아 올리는 데는 막대한 비용이 들어간다.
   
   아시모프는 2019년이 되면 우주 태양광발전 기술이 사용될 것이라고 예상했다. 하지만 아직 비용 문제를 해결할 기술력이 따라주지 않아 수십 년 동안 아이디어로만 머물러 있는 상황이다. 미국은 1979년 미국 항공우주국(NASA)의 주도로 우주 태양광 기술의 첫 삽을 떴지만 어마어마한 비용 때문에 경제성이 없다는 이유로 보류되었다가 1999년 재개하기도 했다.
   
   그럼에도 ESA가 우주 태양광발전소 건설에 착수한 가장 큰 이유는 무엇일까. 바로 지구온난화에 따른 기후변화의 심각성 때문이다. 최근 지구촌은 기후변화로 이상기후의 피해를 극심하게 겪고 있다. 인간 활동의 결과로 지구 대기의 구성이 바뀌고 기후가 자연적 변동의 범위를 훨씬 넘어섰다고 해도 과언이 아니다. 따라서 이를 해결하려면 결국 청정에너지를 쓸 수밖에 없고, 이는 한정된 지구의 에너지를 궁극적으로 해소하는 방법이라는 게 ESA 측의 설명이다.
   
   지상 태양광발전은 효율이 낮다. 그 걸림돌 중 하나가 대기다. 이를테면 우주에서 1㎡당 1360W의 태양광을 받지만 지상에 도달하기 전 30% 정도가 반사된다. 또한 투과된 태양광도 대기, 구름, 먼지 등이 가로막아 지표면 1㎡에 도달하는 에너지는 300W를 넘지 않는다. 게다가 지구는 낮에만 태양을 볼 수 있어 대기를 통과한 태양에너지 중에서도 29% 정도만 쓸 수 있다. 결국 지구에서는 태양에너지의 7%밖에 쓸 수 없다는 계산이다. 또 지상 태양광발전은 부지 확보 등 한계가 있다.
   
   반면 우주에서는 날씨와 상관없이 24시간 발전이 가능해 항상 일정한 전력 공급을 확보할 수 있다. 대기층이 없기 때문에 내리쬐는 태양에너지를 그대로 받을 수 있다. 우주에서는 같은 태양전지판으로 지상보다 최대 10배 가까운 전력을 생산할 수 있다는 게 전문가들의 설명이다. 1㎡ 크기의 태양전지를 예로 들었을 때 지상에서는 0.4㎾ 정도의 효율을 보이는 반면 성층권의 경우 7~8㎾, 지구 표면과 3만6000㎞ 떨어진 정지궤도에서는 10~14㎾ 정도의 효율을 보인다. 더구나 우주 태양광발전에서 얻는 전력은 클린에너지다.
   
   
   우주 태양전지판은 지상보다 효율이 10배
   
   ESA는 몇 년 안에 태양광발전소를 위한 작은 위성을 발사할 대담한 계획을 가지고 있다. 비용 문제를 해소하기 위한 첫 번째 방침은 발전소 가동을 위해 투입되는 기기들의 경량화다. 아주 가벼운 태양전지판과 태양광을 패널에 집중시키는 거울 시스템을 갖춘 인공위성을 쏘아 올려 전기를 발생시킬 예정이다. 전문가들은 현재 1㎏당 평균 1만달러 수준인 로켓 발사 비용을 1㎏당 600달러 정도까지 낮춰야 우주 태양광발전이 가능하다고 보는데, ESA는 이보다 더 저렴한 시스템 제조 및 배치를 목표로 하고 있다.
   
   또 ESA는 우주에서 만든 전기를 지구로 안전하게 보내기 위한 방법도 강구 중이다. 이를 위해 필요한 것은 지구상에서 쏘아지는 안내 빔. 이것이 우주의 태양 위성으로 쏘아져 마이크로파의 고밀도 태양 전력 빔이 정확한 지점으로 갈 수 있도록 안내하는 역할을 한다. 구현 난이도가 매우 높은 기술이지만, 마이크로파는 직진하려는 성질이 강한 극초단파여서 전기를 전송하기에 적합하다는 평가를 받고 있다.
   
   지상에서는 정류 안테나인 렉테나가 이 전파를 흡수하여 직류 전력으로 변환한 다음 인버터를 통해 교류 전기로 바꿔 배전망에 공급한다. 렉테나(Rectenna)는 Rectifier(정류기)와 Antenna(안테나)를 합성한 말이다. 즉 안테나와 정류기를 조합한 구조로, 마이크로파를 직접 직류 전력으로 변환하는 소자다. 인공위성이 정지궤도에서 태양광을 축적하고 해당 전력을 무선을 통해 지상으로 보내는 이 같은 방식이 현실화하면 일조량이 적은 북유럽이나 캐나다 같은 곳에서도 모든 사람에게 에너지를 제공할 수 있을 것이라고 ESA 측은 말한다.
   
   ESA가 구상하는 우주 태양광 기지가 어떻게 작동되는지는 아직 정확하게 밝혀지지 않았다. 하지만 비용 문제에서 경쟁력을 갖추도록 독자적 시스템을 연구하고 있는 것으로 전해지고 있다. 첫 번째 사용될 시스템은 5개의 위성으로 구성돼 10GW의 전력을 생산할 것으로 예상된다. 만약 이것이 실현된다면 ESA는 완전히 새로운 클린에너지원을 만들어내게 되는 셈이다. 이 프로젝트에는 미국처럼 민간기업도 적극 참여하고 있다.
   
   ESA는 2000년대 들어 우주 태양광발전의 타당성 검토를 시작했다. 그리고 2004년 15㎞ 길이의 태양광발전 위성 개념도를 제시했다. 지금은 성공적인 프로젝트 추진을 위해 자금을 적극적으로 조성하는 중이다. ESA의 꿈은 기후변화를 해소하는 실용적 우주 태양광발전소를 건설하는 첫 번째 사례를 만들어내는 것이다. 이들의 꿈이 꼭 이루어지길 바란다.
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