우주에서 지구로 태양열을 전송하는 기술

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많은 과제에도 불구하고, 우주에서 태양열을 생산하고 마이크로파 빔을 통해 지구로 전송하는 기술은 인간이 화석 연료에 대한 의존에서 벗어나는 데 도움이 될 수 있습니다.

SPS-ALPHA 우주 태양광 발전 시스템 시뮬레이션. 사진: NASA — SPS-ALPHA 우주 태양광 발전 시스템 시뮬레이션. 사진: *NASA*

Science Alert 에 따르면, 위성을 이용하여 태양으로부터 에너지를 수집하여 지구의 수신 지점으로 다시 전송하는 우주 기반 태양열 발전(SBSP)이라는 아이디어는 적어도 1960년대 후반부터 존재해 왔습니다. 엄청난 잠재력에도 불구하고, 비용과 기술적 장벽으로 인해 큰 주목을 받지 못했습니다. 만약 이 문제가 해결된다면, SBSP는 화석 연료에서 친환경 에너지로 의 전환을 촉진하는 데 중요한 역할을 할 수 있을 것입니다.

인간은 오랫동안 태양광(PV)과 태양열(STE)과 같은 다양한 기술을 통해 태양 에너지를 활용해 왔습니다. 태양 에너지는 풍력 발전처럼 간접적으로도 얻을 수 있는데, 풍력 발전은 태양에 의한 대기의 불균일한 가열을 통해 생성됩니다. 하지만 이러한 친환경 에너지 생산 방식에는 한계가 있습니다. 넓은 면적을 차지하고, 이용 가능한 햇빛과 바람의 양에 제약을 받는다는 것입니다. 예를 들어, 태양광 발전소는 야간에는 에너지를 수집할 수 없고, 겨울이나 흐린 날에는 수집량이 줄어듭니다.

궤도상 태양광 발전은 야간에 제한받지 않습니다. 지구 상공 36,000km의 원형 궤도인 정지궤도(GEO) 위성은 연중 99% 이상 태양에 노출됩니다. 따라서 24시간 내내 친환경 에너지를 생산할 수 있습니다. GEO는 위성이 지구에서 동일한 위치에 있기 때문에 우주선에서 수신기 또는 지상국으로 에너지를 전송하는 데 이상적입니다. 연구원들은 GEO에서 얻을 수 있는 태양에너지가 2050년 인류의 예상 전 세계 전력 수요보다 100배 더 많다고 말합니다.

우주에서 수집된 에너지를 지상으로 전송하려면 무선 전송이 필요합니다. 마이크로파를 사용하여 전력을 전송하면 하늘이 흐려도 대기 손실을 최소화할 수 있습니다. 위성에서 전송된 마이크로파 빔은 지상국에 집중되고, 안테나는 전자기파를 전기로 변환합니다. 고위도 지역에서는 지상국 직경이 5km 이상이어야 합니다. 그러나 이는 태양광이나 풍력 발전으로 같은 양의 전기를 생산하는 데 필요한 면적보다 여전히 작습니다.

피터 글레이저가 1968년 처음 제안한 이후 연구자들은 다양한 SBSP 설계를 제안해 왔습니다. SBSP에서는 에너지가 여러 차례(빛-전기-마이크로파-전기) 변환되며, 그중 일부는 열로 손실됩니다. 2기가와트(GW)의 전력을 전력망에 공급하려면 위성이 약 10GW의 전력을 수집해야 합니다.

CASSIOPeiA라고 불리는 최근 설계는 폭 2km의 가변 반사경 두 개를 사용합니다. 이 반사경들은 햇빛을 일련의 태양 전지에 반사시킵니다. 그러면 직경 1,700m의 발전기 시스템이 지상국을 향해 발사됩니다. 이 위성의 무게는 약 2,000톤으로 추산됩니다.

SPS-ALPHA라고 불리는 또 다른 설계는 태양열 집열기가 헬리오스타트(heliostat)라고 불리는 여러 개의 작은 모듈형 반사경으로 구성된 대형 구조물이라는 점에서 CASSIOPeiA와 다릅니다. 각 반사경은 독립적으로 움직일 수 있습니다. 비용 절감을 위해 대량 생산됩니다.

2023년, 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 과학자들은 소량의 전기를 연구소로 다시 전송하는 소규모 위성 실험 장치인 MAPLE을 발사했습니다. MAPLE은 이 기술이 지구로 전기를 다시 전송하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다.

유럽 우주국은 현재 SOLARIS 이니셔티브를 통해 SBSP의 실현 가능성을 평가하고 있으며, 2025년까지 기술을 완전히 개발할 계획입니다. 다른 국가들도 최근 2025년까지 지구로 전기를 전송하고 20년 내에 더 큰 시스템으로 전환할 계획을 발표했습니다.

SBSP의 주요 단점은 우주 발사에 필요한 엄청난 질량과 킬로그램당 비용입니다. SpaceX와 Blue Origin 같은 회사들은 비행 후 차량의 많은 부품을 재사용하는 데 중점을 둔 중량물 운반 발사체를 개발하고 있습니다. 이를 통해 발사 비용을 90%까지 절감할 수 있습니다. 150톤의 화물을 지구 저궤도로 발사할 수 있는 SpaceX의 Starship 발사체를 사용하더라도 SBSP 위성은 여전히 수백 번의 발사가 필요합니다. 일부 부품은 확장 가능하도록 설계되어 우주에서 3D 프린팅이 가능합니다.

SBSP 임무는 매우 까다로울 것이며 철저한 위험 평가가 필요합니다. 생산되는 전기는 전적으로 친환경적이지만, 수백 건의 발사로 인한 오염 영향은 예측하기 어렵습니다. 또한, 우주에서 이처럼 거대한 구조물을 제어하려면 막대한 양의 연료가 필요하기 때문에 엔지니어들은 독성 화학물질을 사용해야 합니다. 태양 전지는 시간이 지남에 따라 매년 1~10%씩 효율이 저하되는 열화 현상이 발생할 것입니다. 그러나 유지보수와 연료 보급을 통해 위성의 수명을 연장할 수 있습니다. 지상에 도달할 만큼 강력한 마이크로파 빔은 경로상의 모든 것을 손상시킬 수 있습니다. 안전상의 이유로 마이크로파 빔의 에너지 밀도는 제한되어야 합니다.

안캉 ( Science Alert 에 따르면)

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