우주상공에 띄운 태양광발전소..남은 과제는?

지난 100년 동안 과학자들은 방대한 규모의 태양 전지판을 우주로 보내 우주에서 생산한 에너지를 지구로 보내는 것을 꿈꿔왔다. 지상의 재생 에너지와 달리, 이러한 우주 궤도의 태양광 패널은 항상 햇빛을 받으며 전력을 지속적으로 지구로 공급한다.

이제 이 계획은 저렴해진 하드웨어와 우주 발사 비용의 하락 덕분에 가능해 보이기 시작했다. 전 세계 연구팀들이 우주 기반 태양광 발전 시스템의 핵심 부품을 연구하고 있으며, 캘리포니아 공과대학(칼텍)의 연구원들이 만든 시제품이 궤도에 발사돼 실험을 시작한다.

유럽우주국(ESA)도 이 기술을 2025년부터 상용화한다는 계획 아래 타당성 조사(솔라리스 계획)을 진행하고 있다. 조사를 지휘하는 제임스 카펜터는 "우주에서의 태양광 발전은 경제적으로 원자력과 비교할 수 있다"고 말했다.

우주 기반의 태양열 발전은 대규모로 시행되어야만 가능할 것이라는 분석이다. 과학자들은 약 3만 6000km 상공의 궤도에서 지구를 도는 태양 전지판의 폭이 수km에 이를 것으로 예상하고 있다. 그들이 생산하는 에너지는 마이크로파로 변환되어 지표에 설치된 수신기로 전송된다.

중국은 2028년에 메가와트 규모의 시범 유닛을 지구 저궤도에 진입시킬 계획을 발표했다. 그 후, 2030년 더 먼 궤도에 또 다른 시스템을 배치할 계획도 발표했다. 카펜터는 충분한 자금이 투입된다면 2040년까지 수 기가와트급 태양광 발전소가 가동될 수 있을 것이라고 추정했다. 네이처지는 우주 태양광 발전에는 다섯 가지의 거대한 기술적 장애가 남아 있다고 홈페이지를 통해 지적했다.

◆ 태양광 발전소를 어떻게 우주에 지을까

기가와트의 전력을 생산하기 위해서는 궤도를 도는 패널 크기가 1평방km 이상이어야 한다. 이는 건설하는 데 10년이 걸린 국제우주정거장의 100배가 넘는 크기다. 어레이는 별도로 대량 생산되고 우주에서 조립될 것이다. 칼텍의 실험은 단단히 접힌 구조물을 식탁 크기 정도의 태양 전지판 플랫폼으로 펴는 것이지만, 풀 사이즈 배열의 모듈은 최대 60m까지 길어진다.

ESA의 솔라리스 구상은 나선형 구조이며, 중국은 왕관 모양의 태양 집열기를 개발하고 있다. 둘 다 아직 초기 기술인 궤도 위 로봇에 의한 원격 조립이 필요하다.

◆ 어떤 종류의 태양 전지가 사용될까

태양 전지는 발사 비용을 낮추기 위해 가볍고 효율적이어야 한다. 영국의 물리학자 데이비드 홈프레이는 패널 1kg당 1~2kW의 전력을 생산해야 한다고 말한다. 이 전력 대 중량비는 지구상의 일반적인 실리콘 전지보다 약 50배 더 크다. 대부분의 디자인은 집광기, 거울 및 기타 혁신적인 구조물을 사용하여 태양 전지의 햇빛 노출을 높이는 것을 목표로 한다.

전지판의 셀들은 또한 우주에서의 강렬한 방사선을 견뎌야 한다. 현재 우주 탐사선에 사용되는 강력한 태양광 발전 재료는 거대한 배열로 배치하기에는 너무 비싸다. 우수한 가성비가 필요하다. 칼텍은 페로브스카이트를 포함한 32개의 경량 태양광 전지를 시험한다. 수명 테스트도 진행한다.

◆ 태양열을 어떻게 지구에 보내나

이것이 가장 큰 도전이다. 레이저 광선이 에너지를 효율적으로 전달하지만, 구름과 먼지 등 대기층 장애물이 가로막는다. 연구원들은 태양 전지판의 에너지를 많이 잃지 않고 대기를 통과하는 마이크로파로 실현하기를 희망한다. 그러나 마이크로파는 레이저에 비해 퍼져나가는(산란하는) 특성이 있다. 이 에너지를 잡으려면 km급 넓이의 수신 스테이션을 사용해야 한다.

태양 에너지를 전기로, 그 다음 마이크로파로, 그리고 다시 전기로 전환하는 것은 필연적으로 약간의 손실을 초래한다. ESA는 시스템이 경제적으로 실행 가능하기 위해서는 10~15%의 효율성이 최소한 확보되어야 한다고 추정한다. 이를 달성하기 위해서는 여전히 몇몇 에너지 전환 기술의 발전이 필요하다. 중국에서 실시한 실험에서는 기존의 실리콘 전지를 사용해 약 2.4%의 전체 효율을 달성했다.

◆ 기술장벽을 극복할 이유가 있는가

우주 기관들과 국가들은 우주 기반의 태양 에너지가 2050년까지 탄소 배출 제로를 달성하는 목표에 기여할 수 있다고 생각한다. 그러나 생각을 넘어 증명해야 한다. 우주 기반의 태양열은 지구의 태양광 발전보다 훨씬 더 비싸다.

영국 글래스고의 스트래스클라이드 대학 연구원들은 우주에 기반을 둔 태양광 발전소가 프로젝트를 개발하고, 건설하고, 설치하면서 배출되는 온실가스를 상쇄하는 데 6년 미만이 걸릴 것이라고 계산했다. 경쟁력이 있다는 의미다. 그러나 여러 전문가들은 불확실성을 지적하면서 추정치의 신뢰성에 의문을 제기한다.

◆ 진짜 안전할까

우주에서 마이크로파 에너지를 보내는 것은 이론적으로는 대단히 안전하다. 저전력으로 작동하기 때문에 지상 기지국이 받는 평균 에너지 밀도는 제곱미터당 약 50와트라고 한다. 이는 전자레인지에서 누출될 수 있는 무해한 수준의 마이크로파와 맞먹는 수치다. 전자파 노출의 안전 권고 기준에 부합한다. 그러나 인간은 물론 동물 또는 환경 생태계에 악영향이 없다는 사실을 증명할 필요가 있다.