지상이 아닌 대기권 밖에서 에너지를 얻는 ‘우주 태양광발전(Space Solar Power)’이 세계 각국에서 차근차근 진행되고 있다. 50년간 머릿속으로만 존재하던 이 기발한 계획은 지구촌의 에너지 문제를 해결할 새로운 기술이다. 그동안의 우주정거장 건설 등으로 쌓은 기술을 이용해 우주 태양광발전 건설이 활기차게 추진 중이다.
‘우주 태양광발전’은 말 그대로 지구의 정지궤도나 달과 같은 우주 공간에 발전소(위성)를 띄워 햇빛을 전기로 바꾸는 것이다. 우주 공간에 쏘아 올리는 인공위성에 거대한 태양전지 패널을 달아 전기를 생산하고, 우주에서 만든 전력을 지구로 보내는 방법이다.
지상보다 우주가 효율 10배
왜 굳이 우주까지 나가 태양광발전을 하려는 것일까. 이유는 땅 위에서보다 훨씬 많은 전력을 생산할 수 있기 때문이다. 지상 태양광발전은 효율이 낮다. 그 걸림돌 중 하나가 대기다. 이를테면 우주에서 1㎡당 1360W의 태양광을 받지만 지상에 도달하기 전 30% 정도가 반사되고, 투과된 태양광도 대기·구름·먼지 등이 가로막아 지표면 1㎡에 도달하는 에너지는 300W를 넘지 않는다. 또 지상 태양광발전은 부지 확보 등 한계가 있다.
반면 우주의 경우는 다르다. 날씨와 상관없이 24시간 발전이 가능해 항상 일정한 전력공급을 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. 중국 공정원 충칭대학의 양스중 교수에 따르면 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. 이런 요소들이 세계 주요 국가가 우주 태양광발전에 사활을 걸고 있는 이유다.
그런데 전선도 없는 먼 우주에서 지구까지 어떻게 전기를 보낼 수 있을까. 아무리 막대한 양의 전기에너지를 우주에서 생산한다 하더라도 이를 소비처로 옮길 수 없다면 그것은 무용지물일 수밖에 없지 않은가. 이 고민의 해결사로 등장한 것이 바로 전력을 전파에 실어 보내는 장거리용 ‘무선 전력 전송’ 기술이다. 그 방법은 태양광을 받아 생산한 직류 전력을 마이크로파로 변환해 지구로 보내면 지상에 설치된 수신장치, 즉 접시 모양의 안테나가 이를 받아 다시 교류 전기로 바꾸는 것이다. 인공위성이 지구 궤도를 돌며 태양광을 축적하고, 해당 전력을 무선을 통해 지상으로 보내는 아이디어다.
이때 여러 종류의 전파 중 마이크로파(파장 3~30㎝)를 쓰는 이유는 마이크로파가 극초단파라서 직진하려는 성질이 있고 대기의 저항이 없기 때문이다. 따라서 대기권의 비나 구름으로 방해를 받아 감쇠하는 일이 드물어 전력을 지상으로 100% 전송하는 데 알맞다. 물론 마이크로파가 지구의 성층권이나 전리층, 지상의 생태계나 사람에게 어떤 나쁜 영향을 미치는지에 관해서는 아직 충분한 연구가 이루어지지 않은 상태다. 마이크로파는 지상에서 전자레인지 등에 쓰이는 파장이다.
이미 인류는 우주 태양광발전에 필요한 기술을 웬만큼 보유하고 있다. 발사체와 인공위성, 태양광 패널 기술은 수십 년 전부터 기반이 닦였다. 현재도 우주정거장이나 대부분의 인공위성은 자체 태양광발전 시설(날개의 집광판)로 생산한 전력을 에너지로 사용한다.
우주 생산 전기를 마이크로파로 보내
실제로 우주 태양광발전의 유용성을 꿰뚫어본 선진국들이 기술 개발에 집중하고 있다. 우주 태양광발전 건설을 가장 먼저 추진한 나라는 미국이다. 1968년 피터 글래서(Peter Glaser) 박사가 우주 태양광발전 개념을 처음 제안했고, 1979년 NASA가 무려 5GW(기가와트) 발전량을 생산할 수 있는 건설 계획을 내놓았다. 1GW는 원자력발전소 1기의 전력 생산량에 해당한다. 하지만 당시 경제성이 없다는 이유로 보류되었다.
그러다 30여년이 지난 1999년 프로젝트가 재개됐다. 프로젝트에 힘이 실린 건 2007년. 미국 국방부 산하 국가안보우주청이 ‘우주 태양광발전에 기술적 문제는 없다’는 내용의 보고서를 발표했기 때문이다. 이후 미국은 3만6000㎞의 정지궤도에 길이 약 3㎞ 크기의 태양 전지판을 펼쳐 태양광발전을 하고 마이크로파를 이용해 지구로 보낸다는 구체적인 계획을 세웠다.
최근에는 민간 차원에서 2025년을 목표로 우주 태양광발전 상용화를 추진하고 있다. 에너지 벤처기업 ‘솔라렌’이 정지궤도에 위성을 띄워 전력을 생산하면 미국 에너지기업 PG&E가 200MW(메가와트)의 전력을 공급받기로 2014년 합의했다. 200MW는 약 15만가구에 전기를 공급할 수 있는 어마어마한 전력이다. 이렇게 정부와 기업의 적극적인 참여로 미국은 한 발짝 먼저 우주 태양광발전 사업을 이끌고 있다.
현재 우주 태양광발전에 가장 적극적인 관심을 기울이는 나라는 일본이다. 일본우주항공연구개발기구(JAXA)는 1980년대부터 태양전지를 잔뜩 붙인 인공위성을 띄우려는 계획을 추진해왔는데, 내년에 10MW급 전력을 생산할 수 있는 위성을 시험 발사할 방침이다. 2030년경에는 1GW급 상업용 우주 태양광발전을 쏜다는 야심 찬 계획을 세웠다.
최근에는 중국이 막대한 예산을 쏟으며 관련 기술 확보에 나서고 있다. 중국이 구상하는 우주 태양광발전은 1GW급의 상업용으로, 이를 2030년대부터 2050년 사이 3만6000㎞ 정지궤도에 쏘아 올려 운영하는 것이 목표다. 중국 충칭시에는 우주 발전소를 건설하기 위한 시뮬레이션 기지가 건설되어 있다.
우리나라도 우주 태양광발전에 나서기 시작했다. 아직 구상 단계 계획안이지만 한국항공우주연구원이 밝힌 우주발전소 규모는 여의도 면적의 약 4배인 가로 5.6㎞, 세로 2㎞의 크기다. 이를 위해 2029년까지 2대의 소형 태양광발전 위성을 발사해 발전 기능과 전력 전송기술을 점검하는 게 목표다.
우주 태양광발전 건설에는 난관이 적지 않다. 자체 소비전력만 생산하는 인공위성과 달리 그 규모가 상상을 초월한다. 각국에서 제안하는 1GW급의 우주 태양광발전 패널 길이만 10㎞가 넘는다. 이런 거대 구조물을 우주 궤도에 올리는 데는 막대한 비용이 들어간다. 또 우주쓰레기 등 우주를 돌아다니는 거대한 물체들에 파손될 위험도 높다. 전문가들은 이런 단점들이 적어도 20~30년 안에는 보완돼 우주 발전소가 건설될 수 있을 것으로 보고 있다. 만일 성공한다면 화석연료를 대체하는 무한 청정에너지 보급의 고속도로가 될 것이다.