우주에서 지구로 에너지를 전송하는 것은 인류의 한 걸음 더 나아간 것입니다.

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우주의 문명 측정

우주론 에서 카르다쇼프 척도는 문명의 발전 수준을 측정하는 방법이다. 카르다쇼프 척도는 이론적이기는 하지만 에너지 사용과 관련된 문명의 방향을 설명합니다.

따라서 기본적인 우주문명은 3단계로 구분된다. 1단계 문명은 행성의 에너지 자원을 개발하고 이용할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 2단계 문명은 항성(예: 태양)이나 태양계의 다른 천체에 있는 에너지 자원을 개발하고 사용할 수 있는 문명입니다.

우주에서 지구로 에너지를 전송하는 것은 인류 문명의 새로운 단계입니다. 이미지 1 — 카르다셰프 척도에 따라 결정된 세 가지 유형의 문명의 위상을 시뮬레이션합니다. 사진: 위키

레벨 3 문명은 훨씬 더 발전된 문명으로, 마치 은하계 전체의 에너지를 활용하고 사용할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 마치 은하계 간 전쟁이나 은하계 간 전쟁을 소재로 한 공상 과학 영화에서 나오는 것과 같습니다.

따라서 위에서 언급한 3가지 수준과 비교했을 때, 인간 문명은 수준 1에 있으며, 이는 지구 표면에서 이용 가능한 에너지만을 활용한 것입니다. 하지만 우주 과학과 우주론의 새로운 발전은 우리가 우주 물체에서 에너지나 다른 자원을 개발할 계획을 세우는 2단계 우주 문명으로 나아가고 있음을 보여줍니다.

그리고 올해 캘리포니아 공과대학(Caltech, 미국 캘리포니아주)의 알리 하지미르 전기공학 교수 팀은 우주에서 태양열을 생산하여 지구로 전송하는 계획에 한 걸음 더 다가갔습니다. 이는 작은 진전이지만, 성공한다면 인류가 2단계 우주 문명에 진입할 수 있음을 보여주는 사례가 될 것입니다.

우주에서 지구로 에너지를 전송하는 것은 인류 문명의 새로운 단계입니다. 사진 2 — 영국이 설계한 CASSIOPeiA 태양광 위성 시뮬레이션. 우주에서 수집된 태양 에너지는 지구 표면의 선택된 위치로 전달됩니다. 사진: 스페이스 솔라

우주에서 에너지를 얻는 방법은?

전기공학 교수 하지미르는 10년 동안 태양 전지를 우주로 발사하고 에너지를 지구로 되돌려 보내는 방법을 연구해 왔습니다. 올해 1월, 그의 팀은 초경량이며 유연한 송신기를 장착한 30cm 길이의 우주 태양광 프로토타입인 메이플을 출시했습니다. 이 송신기의 목적은 태양으로부터 에너지를 수집하여 무선으로 우주로 전송하는 것입니다. 그 결과, 팀이 모은 전기량은 LED 전구 한 쌍을 밝힐 수 있을 만큼 충분했습니다.

그러나 연구자들의 장기적인 목표는 메이플이 이 에너지를 지구로 전송할 수 있는지 확인하는 것입니다. 5월에 연구팀은 무슨 일이 일어날지 보기 위해 실험을 하기로 결정했습니다. 캘리포니아주 파사데나에 있는 칼텍 캠퍼스 옥상에서 하지미리와 다른 과학자들은 메이플의 신호를 수신했습니다. 감지된 에너지의 양이 너무 적어서 아무런 쓸모가 없었지만, 그들은 여전히 우주에서 무선으로 에너지를 전송하는 데 성공했습니다.

사실, 우주에서 태양열을 생산한다는 아이디어는 1941년 공상과학 작가 아이작 아시모프가 단편 소설에서 이를 묘사한 이후로 존재해 왔습니다. 그 이후 수십 년 동안 미국, 중국, 일본 등의 국가들이 이 아이디어를 탐구 했지만 수년 후 대부분 포기했습니다.

우주에서의 태양광 발전의 핵심은 지구에 있는 인간이 구름 덮개, 밤의 시간, 계절과 같은 악천후 조건에 영향을 받지 않고 항상 빛이 공급되는 우주에서 막대한 태양 에너지를 활용할 수 있다는 것입니다.

이를 실현하기 위한 다양한 아이디어가 있지만, 실제 작동 방식은 다음과 같습니다. 지름이 1.6km가 넘는 태양열 위성을 고고도 궤도로 발사합니다. 위성은 그 크기가 매우 크기 때문에 수십만 개의 작은 모듈로 구성될 것입니다. 영국의 Space Solar 회사의 CEO인 마틴 솔타우는 자율 로봇이 마치 "레고 블록을 쌓듯이" 우주에서 위성을 조립하게 될 것이라고 설명했습니다.

위성의 태양광 패널은 태양 에너지를 모아서 마이크로파로 변환한 후, 지상의 특정 지점까지 정밀하게 도달할 수 있는 매우 큰 송신기를 통해 무선으로 지구로 전송합니다. 솔타우 씨에 따르면, 마이크로파는 구름과 악천후를 쉽게 통과하여 지구에 있는 메시로 만든 수신 안테나에 도달할 수 있다고 합니다. 여기에서 전자레인지는 전기로 변환되어 전력망에 공급됩니다.

우주에서 지구로 에너지를 전송하는 것은 인류 문명의 새로운 단계, 사진 3 — 마이크로파는 구름과 악천후를 쉽게 통과해 지구의 수신 안테나에 도달합니다. 그런 다음 전자레인지는 다시 전기로 변환되어 전력망에 공급됩니다. 사진: ESA

수신 안테나는 직경이 약 6km로 육지나 해상에 설치가 가능합니다. 이러한 격자 구조는 거의 투명하기 때문에 그 아래의 토지는 태양광 패널, 농장 또는 기타 활동에 사용될 수 있습니다.

엄청난 잠재력과 엄청난 도전

과학자들의 추정에 따르면, 우주에 있는 태양에너지 수집 위성은 최대 2기가와트의 전기를 제공할 수 있는데, 이는 미국에 있는 평균적인 원자력 발전소 두 개의 용량과 거의 같습니다.

그러나 이 기술은 큰 장벽에 직면해 있습니다. 궤도에 발전소를 설치하는 비용이 매우 많이 든다는 것입니다. 영국의 언더우드 교수는 CNN에 우주 전력 기술은 "공상 과학 소설이 아니다"라고 말했지만, 가장 큰 장애물은 발전소를 궤도에 올리는 데 드는 엄청난 비용이라고 말했습니다.

그러나 지난 10년 동안 SpaceX와 Blue Origin 같은 항공우주 회사가 재사용 가능한 로켓을 개발하기 시작하면서 이러한 상황이 바뀌기 시작했습니다. 오늘날의 발사 비용은 kg당 1,500달러 정도로, 1980년대 초반 우주왕복선 시대에 비해 약 30배 저렴합니다.

실험이 성공하면 우주에서 태양광 발전을 한다는 아이디어는 전기 수요가 많지만 인프라가 부족한 선진국에 풍부한 에너지원을 제공할 수 있습니다. 또한, 이 전력원은 매년 수개월 동안 완전한 어둠에 갇히는 많은 외딴 북극 도시와 마을에 전력을 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 자연재해나 갈등으로 인해 정전된 지역 사회를 지원할 수도 있습니다.

개념과 상용화 사이에는 아직 큰 차이가 있지만, 전 세계 많은 국가와 기업은 우주 태양광 발전이 증가하는 청정 전기 수요를 충족할 수 있을 뿐만 아니라 현재 악화되고 있는 기후 위기를 해결하는 데도 도움이 될 수 있다고 믿고 있습니다.

우주에서 지구로 에너지를 전송하는 것은 인류 문명의 새로운 단계입니다. 사진 4 — 우주에서의 태양광 위성 시뮬레이션. 사진: ESA

2020년 5월, 미국 해군 연구소도 우주 조건에서 태양광 발전 하드웨어를 테스트하기 위해 궤도 시험 차량에 모듈을 탑재하여 발사했습니다. 또한, 미국 공군 연구소도 2025년에 아라크네(Arachne)라는 소형 실험용 로켓을 발사할 계획입니다. 중국 우주기술연구원도 2028년에 태양 전지 위성을 저궤도에, 2030년에 고궤도에 발사할 계획입니다.

또한 유럽연합은 우주에서 태양광 발전의 기술적 타당성을 확인하기 위해 솔라리스 프로그램도 개발하고 있습니다. 한편, 영국은 독자적인 연구를 수행하여 우주에서 태양광 발전을 하는 것이 기술적으로 가능하다는 결론을 내렸으며, CASSIOPeiA 위성(길이 1.7km, 2기가와트의 전력 공급 가능)과 같은 설계가 이에 해당합니다.

캘리포니아의 하지미리 팀은 동료들과 함께 지난 반년 동안 프로토타입의 스트레스 테스트를 진행하여 차세대 디자인을 위한 데이터를 수집했습니다. 그러므로 하지미리의 궁극적인 목표는 우주에서 말아 올리고, 발사하고, 펼칠 수 있는 일련의 가볍고 유연한 돛을 만드는 것입니다. 수십억 개의 부품이 완벽한 동기화로 작동하여 필요한 곳에 에너지를 공급합니다.

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