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

우주의 문명 측정

우주론 에서 카르다셰프 척도는 문명의 발전 수준을 측정하는 방법입니다. 이론적이기는 하지만, 카르다셰프 척도는 에너지 사용과 관련된 문명의 방향을 설명합니다.

따라서 기본 우주 문명은 세 단계로 나뉩니다. 1단계 문명은 행성의 에너지 자원을 개발하고 사용할 수 있습니다. 2단계 문명은 항성(우리 태양과 같은)이나 태양계의 다른 천체들의 에너지 자원을 개발하고 사용할 수 있습니다.

카르다셰프 척도로 결정된 세 가지 유형의 문명의 위상 시뮬레이션. 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 세 가지 수준을 비교해 보면, 인류 문명은 지구 표면이나 그 안의 가용 에너지만을 활용하는 수준인 수준 I에 있습니다. 그러나 우주와 우주 과학의 새로운 발전은 우리가 우주의 물체에서 에너지나 기타 자원을 활용할 계획을 세우는 수준 II의 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.

영국에서 설계한 CASSIOPeiA 태양열 위성 시뮬레이션. 우주에서 수집된 태양 에너지는 지구 표면의 특정 위치로 전달됩니다. 사진: Space Solar

우주에서 에너지를 얻는 방법은?

전기공학과 하지미르 교수는 10년 동안 태양 전지를 우주로 발사하여 그 에너지를 지구로 다시 보내는 방법을 연구해 왔습니다. 1월, 그의 연구팀은 초경량 유연 송신기를 장착한 30cm 길이의 우주 태양광 시제품인 메이플(Maple)을 발사했습니다. 이 송신기는 태양 에너지를 수집하여 무선으로 우주로 전송하도록 설계되었습니다. 생성된 전기는 LED 전구 두 개를 작동시키기에 충분한 전력입니다.

하지만 연구진은 장기적인 목표를 가지고 있습니다. 바로 메이플이 이 에너지를 지구로 전송할 수 있는지 확인하는 것입니다. 5월, 연구팀은 어떤 일이 일어나는지 확인하기 위한 실험을 진행하기로 했습니다. 캘리포니아주 패서디나에 있는 칼텍 캠퍼스 옥상에서 하지미리와 다른 과학자들은 메이플의 신호를 포착했습니다. 검출된 에너지량은 너무 적어 활용하기 어려웠지만, 우주에서 무선으로 에너지를 전송하는 데 성공했습니다.

사실, 우주에서 태양 에너지를 생산한다는 아이디어는 1941년 SF 작가 아이작 아시모프가 단편 소설에서 묘사한 이후부터 존재해 왔습니다. 그 이후 수십 년 동안 미국, 중국, 일본을 포함한 여러 나라가 이 아이디어를 연구해 왔지만, 수년에 걸쳐 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 실현하는 방법에는 다양한 아이디어가 있지만, 일반적인 아이디어는 다음과 같습니다. 지름 1.6km가 넘는 태양열 위성을 고고도 궤도에 발사합니다. 위성의 엄청난 크기 때문에 수십만 개의 작은 모듈로 구성됩니다. 영국 스페이스 솔라(Space Solar)의 CEO인 마틴 솔타우(Martin Soltau)는 자율 로봇이 우주에서 "레고 블록을 조립하듯" 위성을 조립한다고 설명합니다.

위성의 태양 전지판은 태양 에너지를 수집하여 마이크로파로 변환한 후, 지상의 특정 지점에 정확하게 도달할 수 있는 초대형 송신기를 통해 무선으로 지구로 전송합니다. 솔타우는 마이크로파가 구름과 악천후를 쉽게 통과하여 지구에 있는 망사형 수신 안테나에 도달하면 전기로 변환되어 전력망에 공급된다고 설명했습니다.

마이크로파는 구름과 악천후를 쉽게 통과하여 지구의 수신 안테나에 도달합니다. 이후 마이크로파는 다시 전기로 변환되어 전력망에 공급됩니다. 이미지: ESA

직경이 약 6km인 수신 안테나는 육지나 해상에 설치할 수 있습니다. 이 격자 구조는 거의 투명하기 때문에, 안테나 아래 땅을 태양광 패널, 농장, 또는 기타 활동에 활용할 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 난관에 직면해 있습니다. 바로 궤도에 발전소를 설치하는 비용이 매우 높다는 것입니다. 영국인 언더우드 교수는 CNN과의 인터뷰에서 우주 전력 기술은 "공상과학 소설이 아니다"라고 말했지만, 가장 큰 난관은 발전소를 궤도에 설치하는 데 드는 막대한 비용입니다.

하지만 지난 10년 동안 SpaceX와 Blue Origin 같은 항공우주 기업들이 재사용 가능한 로켓을 개발하기 시작하면서 이러한 상황은 변화하기 시작했습니다. 현재 발사 비용은 킬로그램당 약 1,500달러로, 1980년대 초 우주왕복선 시대보다 약 30배 저렴합니다.

성공한다면, 우주에서 태양광 발전을 한다는 아이디어는 막대한 전력 수요를 감당해야 하지만 기반 시설이 부족한 선진국에 막대한 에너지원을 제공할 수 있습니다. 또한 매년 몇 달씩 칠흑 같은 어둠 속에 갇혀 지내는 북극의 외딴 마을과 자연재해나 분쟁으로 정전된 지역 사회에도 전력을 공급할 수 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.

우주에서의 태양광 발전 위성 시뮬레이션. 사진: ESA

2020년 5월, 미국 해군 연구소(NARL)는 우주 환경에서 태양광 발전 하드웨어를 시험하기 위해 궤도 시험용 로켓에 모듈을 탑재하여 발사했습니다. 또한, 미국 공군 연구소(AFRL)는 2025년에 아라크네(Arachne)라는 소형 시험용 로켓을 발사할 계획입니다. 중국 우주기술연구원(CASF) 또한 2028년에 저궤도, 2030년에 고궤도에 태양 전지 위성을 발사할 계획입니다.

또한 유럽 연합은 우주 태양광 발전의 기술적 타당성을 확인하기 위한 솔라리스 프로그램을 개발하고 있습니다. 한편, 영국은 독자적인 연구를 수행하여 CASSIOPeiA 위성(길이 1.7km, 2기가와트 전력 공급 가능)과 같은 설계를 통해 우주 태양광 발전이 기술적으로 가능하다는 결론을 내렸습니다.

캘리포니아에 있는 하지미리 팀의 경우, 그와 동료들은 지난 반년 동안 차세대 설계를 위한 데이터를 수집하기 위해 프로토타입의 스트레스 테스트를 진행했습니다. 하지미리의 궁극적인 목표는 우주에서 말거나, 발사하거나, 펼칠 수 있는 가볍고 유연한 돛을 제작하는 것입니다. 수십억 개의 부품이 완벽하게 동기화되어 필요한 곳에 에너지를 공급합니다.

원천: https://www.congluan.vn/truyen-nang-luong-tu-khong-gian-ve-trai-dat-buoc-tien-moi-cua-nen-van-minh-nhan-loai-post279006.html