뉴스페이스 시대, 우주에서 자원을 <2부>: 태양광 발전기술의 정점, 우주 태양광 발전

뉴스페이스 시대, 우주에서 자원을 <2부>: 태양광 발전기술의 정점, 우주 태양광 발전

R.E.F 16기 곽준우

*1부에 이어 이번에는 우주에서 활용 가능한 에너지에 대해 다뤄보려 한다. 이번 주제는 코리아 뉴스페이스 2020 포럼과 별개로 항공우주연구원 논문 및 과학 신문을 바탕으로 작성함을 알린다.

기후변화로 이상기온이 심해지자 전 세계적으로 기후변화에 대응하는 움직임이 커지고 있다. 반면 한국은 기후변화를 그다지 체감하지 못해 그 심각성을 잘 인지하지 못했었지만 이번만큼은 달랐다. 올해 초 한참 한파가 들이닥쳐야 할 시기에 봄 날씨가 온 적이 있다. 다들 기억할까?  1월 7일에 10~20도 초반의 기온으로 사람들이 반팔을 입고 나들이를 가기도 하고, 봄꽃이 때아닌 개화를 하기도 했다. 다들 따뜻한 기온에 좋아라 했던 기억이 난다.

그 후 몇 달 뒤 여름에는 전국적으로 이른 폭염으로 시작해서 곳곳에 집중폭우가 쏟아져 홍수가 발생하고 뒤이어 태풍을 연속으로 맞는 등 재난에 시달렸다. 이와 같은 이상 기후에 많은 사람들이 기후변화의 무서움을 직접적으로 느꼈으리라 생각하고 관심을 가지기 시작했을 것이라 생각한다. 

[자료1. 올해 여름 이상기후로 인해 시간당 81.6mm로 부산 지하차도가 침수된 모습]

출처: 아이뉴스 24

기후변화에 대응하여 기존 화석연료를 대체할 에너지로 태양광, 풍력, 수력, 바이오 연료 등 신재생에너지가 가장 많이 주목받고 있다. 그중 기후변화에 대응하여 미래를 책임질 수 있는 에너지가 태양광 에너지라 생각한다. 최근에는 기존의 태양광 발전이 생산하는 에너지 방식이 아닌 다른 형태에 주목하고 있는데, 바로 우주 태양광 발전이다.

[자료2. 우주 태양광 발전 개념도 (NASA)]

출처: 전력 생산 시스템의 대안, 우주 태양광 발전 개념 연구동향과 시사점

 

우주 태양광 발전 효과

우주 태양광 발전은 태양으로부터 오는 태양광을 우주에서 전기로 변환하고 지구에 전송하여 지구에서 전기에너지를 직접 사용하도록 하는 것이다. 미래에 만나게 될 기술이지만 얼마나 효과적인지 살펴보자.

 [자료3. 우주 태양광발전과 지상 태양광발전 비교]

출처: 우주항공기술전략연구원 제공

˙지표 최고 조건 지역 대비 7배 수준 효율

- 우주에서는 대기의 필터 효과, 구름 등에 의해 방해받지 않은 강력한 태양빛을 받을 수 있으며 밤이나 먼지, 기상 현상 영향을 받지 않아 지표면에서 얻을 수 있는 태양에너지의 최댓값보다 144% 이상의 태양에너지를 받을 수 있다.

(지구 저궤도 평균 1360 W/㎡ , 최상의 조건에서 지표 950 W/㎡→ 15% 발전 효율 고려 시 발전량 : 우주 200 W/㎡ , 지표 140 W/㎡)

- 지표에서는 하루 중 29%의 시간에만 태양열을 수집할 수 있으나 우주에서는 하루 종일 수집 가능하다.

 

˙환경과 분리되어 이산화탄소를 획기적으로 감소

- 발전소와 자연 생태계를 분리할 수 있어 자원 채취로 인한 환경오염 방지.
 

- 지상에서 화력 혹은 원자력 발전으로 인한 이산화탄소의 발생을 획기적으로 감소시킬 수 있는 최첨단 환경기술로 지구온난화 대책이나 에너지의 안정적 공급에 획기적인 기술로 대두.

- 환경 전문가들은 2030년경 화력 발전 부문에 50%를 우주 태양광발전으로 대체하는 경우 2억 5,300만 톤의 이산화탄소 저감 효과를 얻을 것으로 예상.

 

˙경제성

- 우주공간에서 자동화·무인화로 발전설비 비용이 저렴.

- 우주 공간에서 복사선에 의한 성능의 저하가 늦어 수명이 길다.

- 전력 이동이 자유로워 전력이 필요한 지역에 빠르게 대응할 수 있고, 외국으로의 전력 수출도 가능하다.

또한 신사업 분야가 다양하게 창출됨으로써 고용 효과 및 경제 안정에 많은 기여를 한다.
보다시피 우주 태양광 발전의 장점은 현 대체 에너지보다 월등히 뛰어난 면을 여러 갖추고 있다. 그럼에도 실행에 옮기지 못한 것은 과거 우주산업 기술 부족과 우주로 쏘아 올리기까지의 경제적인 측면에서 타당성을 얻지 못한 것이 가장 크다. 그러나 21세기에 들어서면서 우주 태양광 발전 가능성이 보이기 시작하면서  그 움직임이 심상치 않다.

 

우주 태양광 발전의 가능성을 엿보다

 

1. 1941년 미국 SF소설 'Reason'에서 우주 태양광 발전 개념이 처음 등장.

2. 기술적으로는 1968년 Peter Glaser에 의해 처음으로 제안되었고, 수 ㎢에 달하는 위성의 거대 안테나에서 마이크로파를 이용하여 그보다 더 큰 지상의 정류 안테나(rectenna)에 전력을 전달하는 개념을 아래 그림과 같이 제시.

 [자료4. 우주 태양광 발전 초기 개념 (미국 특허 번호 5019768)]

출처: 전력 생산 시스템의 대안, 우주 태양광 발전 개념 연구동향과 시사점

3. 1978~1986년 NASA는 타당성 조사를 수행하지만 "기술적, 경제적, 환경적 측면에 대해 아는 바가 현재로서는 너무 적다.  우주 태양광 발전의 시범(demonstration)이나 체계공학적 검증(verification)은 위험이 큰 사업이다”라는 결론 도출.

4. 1997년 NASA는 70년대에 비해 현저히 낮아진 발사 비용 등으로 타당성 있는 사업으로 판단.

5. 2000년에 출판된 US National Academy of Sciences의 National Research Council의 분석에 의하면 아직 우주 태양광 발전의 경제적 가능성을 위한 역량이 부족하지만, 향후 우주 산업에서 가장 큰 가능성을 지닌 분야임을 밝힘.

6.2007년 미 국방부 산하 ‘국가안보 우주국(National Security Space Office)'에서는 “우주 태양광 발전에 기술적 문제는 없다”는 보고서를 발표한 바 있다. 이 보고서에는 우주 태양광 발전을 통해 지구의 어느 지역이든 전기 공급이 가능하게 될 것이라는 미래 시나리오를 그려낸다. 

인간의 상상력에서 시작된 개념이 시간이 지나 실현 가능한 사업으로 타당성을 인정받는 것을 보면 과학의 발전이 코뿔소 마냥 무섭게 치고 나가는 것을 실감하는 바다. 아래는 2007년 미국 국가안보우주국(National Security Space Office)에서 우주 태양광 발전의 기술을 비교하여 얻은 결과표다. 

구분	1977년	2007년
태양광 발전 효율(%)	10	40
무선전력 송신기술 효율(%)	20	80~90
우주 태양광 발전을 위해 요구되는 전기량	50,000Vots	1,000Volts 이하
우주 태양광 발전 발사체 요구 조건	250ton	25ton
우주용 로봇	3축 자유도	30~100축 자유도
우주에서의 우주 태양광 발전시스템의 조립	우주인 및 우주기지 구축	불필요

[자료5. 우주 태양광 발전의 기술 비교표]

출처: 우주 자원의 개발, 우주 태양광 발전

보기와 같이 30년 동안 태양전지판, 무선 송수신 효율 및 로켓 기술이 비약적으로 발전한 것을 알 수 있다. 특히, 로봇 기술의 발전으로 우주에서 수 km 크기의 대형 구조물인 우주 태양광발전 위성의 조립에 우주인이 아닌 무인 로봇을 사용할 수 있게 된 것을 알 수 있다.
 짧게 살펴보면 우주 태양광 발전은 기술적 측면에서 기존에 있던 기술의 성능 또는 효율을 계속 개선시켜나가는 점이 크다. 즉, 근본적인 혁신이 필요한 기술이나 개발 난이도가 높은 기술 또한 많지 않음을 알 수 있으며 기술이 아닌, 비용 타당성이 관건이라 볼 수 있다. 이에 비용 타당성을 따져보고자 2014년 한국항공우주연구원 자료를 참조해 확인해보았다. 

˙ 단위 지구 송신 전력당 우주 태양광 위성 플랫폼 질량: 1~5 kg/kW

˙우주 태양광 위성 플랫폼 단위 질량당 비용: $1,000~$5,000/kg

˙우주 태양광 위성 기대 수명: 10년~20년

우주 태양광 발전을 현실화하기 위하여 해결해야 하는 가장 중요한 과제 중 하나가 발사체 발사 비용을 혁신적으로 개선하여 에너지 생산 단가를 줄여 지상 발전 대비 가격 경쟁력을 갖추는 것이다.  물체를 우주로 보내는 현재 예상 비용은 로켓과 우주선에 따라 다르다. 1970년과 2000년 사이에는 우주로 발사하는데 드는 비용은 평균 1kg 당 18,500 달러였다. 우주 왕복선을 발사할 때는 27,500kg의 탑재량을 15 억 달러에 발사했는데 kg당 54,500 달러였다.  

현재 민간기업인 스페이스X의 재사용 가능한 발사체 성공으로 1kg당 1000~4000달러 수준으로 급격히 떨어졌지만, 우주 태양광 발전이 현실적으로 경제성을 갖추려면 로켓 발사 비용은 1kg당 600달러 수준까지 떨어져야 한다.  저렴한 ETO (Earth To Orbit) 수송 기술은 계속해서 하락하고 있어 향후 20~30년 사이에 기술적으로 가능할 것이라 전망하고 있다.

 

 

우주 태양광 발전의  2가지 유형 시스템

 

˙Electric Laser Concept

 [자료6. Electric Laser Concept 개념도]

출처: 전력 생산 시스템의 대안, 우주 태양광 발전 개념 연구동향과 시사점

- 다수의 레이저 시스템으로 구성된 통합 플랫폼, 혹은 다수의 레이저 시스템 위성으로 이루어진 위성군으로 운용 가능 

- 레이저 전력 송신은 현재의 기술로는 100MW 이상의 전력 수준에서는 마이크로파 송신 대비 효율이 떨어짐

- 전력 수요처 100 km 이내에 전력 수신기가 위치할 수 있으나, 시력 안전 및 관련 보건 문제 해결이 선행되어야 함

 

˙Sandwich Concept

 [자료7. Sandwich Concept 개념도]

출처: 전력 생산 시스템의 대안, 우주 태양광 발전 개념 연구동향과 시사점

- 빛의 방향을 바꾸는 방법(light-redirection)으로 에너지 분배를 하는 방식

- 개별적인 태양광 전력 생산, 전력 관리 및 분배, 무선 전력 송수신 기술의 통합이 중요 

- 태양 지향 패널과 지구 지향 송신기 사이의 거대한 전력 관리 및 분배 시스템으로 구성 

- 지표면의 거대한 정류 안테나 포함됨 (마이크로파 이용) 

- 전력 수요처 100 km 이내에 전력 수신기가 위치할 수 있음

위와 같이 우주 태양광 발전이 크게 레이저 그리고 마이크로파를 이용한 방식이 있음을 알 수 있다. 늘어나는 인구수에 비례해 증가하는 화석연료 양과 이에 심해지는 기후변화에 대응하기 위해 우주 선진국에서는 고청정 에너지원 중 하나인 우주 태양광 발전에 투자를 하고 있는 상황이다.

 

우주 선진국 동향

 

미국

1. 1999년부터 NASA는 우주 태양광 발전 탐사 연구와 기술 프로그램을 본격적으로 시작.

2. 2000년 NASA의 Mankins는 미 하원에서 대형 우주 태양광 발전에 대하여 기술 로드맵을 개발하여 수십 년에 걸쳐 모두 필요한 진보를 얻기 위한 방법을 강구의 필요성 발표.

3. 2007년 미국은 국제우주정거장(ISS: Internaional Space Station)을 이용한 전력에너지의 전송시험 계획 수립.

*이 시험은 ISS에서 태양광 발전을 하여 위성을 향해 전력을 전송하는 것으로, 운용 중인 위성을 충전하여 위성의 소형화 및 수명 연장 가능 여부를 수행

4. 2015년 미국의 방위산업체인 Northrop Grumman은 우주 태양 광 발전 시스템을 활성화하는 데 필요한 혁신 개발을 위해 최대 1750만 달러 투자.

5. 민간 부문에서 우주 태양광 발전의 활용에 대해 미국 캘리포니아 북부 전력 회사 PG&E사는 2009년 캘리포니아 에너지 벤처 기업인 ‘솔라렌’과 2016년부터 정지궤도상의 태양 전지판으로 생산된 전력 200MW를 매입하기로 합의

*200MW는 약 15만 가구에 전력 공급을 할 수 있는 전력으로 캘리포니아의 프레스노 지역에 무선파(radio frequency)를 수신할 수 있는 지상시설을 설치할 예정

 [자료8. 우주 태양광 발전 전문가인 John C. Mankins의 새로운 생체 ​​모방 접근 방식]

출처: NASA 

 

일본

1. 일본은 1998년부터 JAXA주관으로 태양광발전 기술을 개발

2. 일본 경제 산업성(METI)과 제휴한 공익법인이 태양광 발전소의 개념 설계를 수행하여 2015년부터 2020년 사이에 10~100 MW급 전력을 생산할 수 있는 태양발전 위성 발사하고 2030년경부터 1GW급 우주 태양 발전소가 상업운전을 시작할 것으로 계획

*1GW는 원자력 발 전소 1기의 전력생산량에 해당

3. 2007년 오사카대 레이저 공학 연구소와 JAXA는 우주에서 만들어진 태양광을 레이저로 변환하고 지상으로 전송하는 기술을 개발하고 있으며 우주 태양광 에너지 42%를 레이저로 변환하는 데 성공

 [자료9. 일본의 레이저를 이용한 우주 태양광 발전 상상도]

출처: 우주 태양광 발전 기술 동향

4. 2009년 6월 2일에는 일본 수상 주재의 “우주개발전략본부”에서 일본의 우주기 본 계획을 발표하였는데, 이 계획 중에는 “우주로부터 지구로 전력을 전송하는 기술에 필요한 연구 개발 추진 예정”인 우주 태양광 발전 계획이 포함되어 있음

5. 민간 부문에서의 우주 태양광 발전은 2010년 시미즈 건설회사에서 발표한 루나 링(lunar ring) 프로젝트다. 이 프로젝트는 달의 적도에 태양광 발전용 패널을 고리처럼 설치하여 전력을 생산하여 무선으로 지구 적도 주변의 수신에 전력을 송신한다는 계획으로 2030년 후반부터 달에 발전소 공사를 착공할 계획을 발표 한 바 있음

 

˙유럽

1. 유럽연합에서도 우주 태양광 발전에 대한 연구를 1990년 이후부터 활발하게 추진 중

2. 1999년 독일 우주 연구기구인 DLR은 EU 차원에서 우주 태양광 발전 연구 수행을 위하여 ESA와 계약

3. 2001년에는 ESA에서 NASA와 태양전지 기술과 혁신적인 태양전지판 전개기술을 조합한 space solar tower의 개념을 가진 “European Sail Tower SPS"를 선보임

4. ESA는 우주 태양광 발전 유럽 네트워크(European Network on Solar Power Satellites)의 설립을 제안하여 2002년 8월 설립하였고, 유럽 우주분야의 신규 에너지에 대한 연구를 목표

5. 현재 유럽연합에서 수행하고 있는 우주 태양광 발전을 위한 European Sail Tower는 15km 길이의 태양 전지판으로 450MW를 생산하는 것으로 수명은 60년, 생산 단가는 0.075 €/kWh를 계획

 [자료10. EU의 우주 태양광 발전 세일 타워 개념도]

출처: 우주 태양광 발전 기술동향

현재 개발되고 있는 방식들은 상상 속의 우주 태양광 발전소가 실현되고 있음을 말해주고 있다. 이미 우주 선진국들은 20~30년전부터 연구 개발에 들어간 상황이며 기후변화와 지구 전체 에너지 부족으로 가속화되고 있다. 이들뿐 아니라 중국에서도 2040년경에 중국의 첫 상업용 우주 태양광 발전시스템을 개발하여 운영에 들어갈 계획을 발표한 적이 있다. 현재 중국은 우주 태양광 발전 연구에 매년 306억 원을 투자하며 적극적인 모습을 보이고 있다.

 

왜 우주 태양광 발전을 추진해야 하는가

 

1. 미래 에너지 수요

전 세계적으로 경기 침체가 발생하여도 경제 성장과 인구 증가는 지속적으로 이루어지고 있으며 이에 따라 전력 수요도 급격히 증가하고 있다. 기본적으로 2030~2040년에는 2010년의 에너지 소모량보다 2배의 에너지를 소모할 것이며 2090~2100년에는 그 양은 4배에 달할 것이라 전망하고 있는 실정이다.

2. 미래 이산화탄소 배출량과 기후 변화

Intergovernental Panel on Climate Change (IPCC)의 CO2 배출량에 관한 30여 개 이상의 시나리오 분석 결과에 따르면, 현재로서는 기후 변화에 따른 위험을 해결할 마땅한 해결책이 없다는 결과를 내놓았다.

CO2 배출량 목표를 맞추기 위해서는 2010년 기준 연간 12조 kW⋅hr를 생산한 재사용 가능 에너지 양을 2030~40년까지 연간 110조 kW⋅hr (2010년 대비 9배), 2100년까지 430조 kW⋅hr(2010 년 대비 36배) 이상으로 늘려야 할 것으로 예상하고 있다.

[자료 11. 사진]

 출처: BBC 뉴스

현재 전 세계는 대부분 석탄, 석유 등의 화석연 료를 사용하여 전기를 생산하고 있으나 향후 수십 년 내에 석유와 천연가스 등이 고갈될 것으로 예측하고 있다. 이를 위해 선진국에서는 천연가스와 원자력 발 전 등의 대체 에너지를 활용하고 있고, 수력, 풍력, 바이오 연료 및 지상 태양열 발전 등과 같은 다양한 신재생에너지 개발에 박차를 가하고 있다.

그러나 신재생에너지의 생산이 자연환경에 많은 영향을 받고, 에너지 효율도 화석 연료에 비해 낮아 많은 고민을 하고 있는 실정이다. 이에 따라 우주 선진국에서는  자원 채취에 의한 지구의 자연 훼손, 지구 자원의 고갈 문제 해결 그리고 향후 전 세계 전기 소요량을 충족시킬 수 있는 하나의 옵션으로 우주 태양광 발전의 가능성을 보는 것이다.

 

대한민국은?

 

우리는 2017년부터 시작해 우주 태양광 발전시스템에 연간 15억 원을 투자해오고 있는데 사실 상 이미 수십 년 전부터 준비해오던 미국, 일본 등에 투자 기간과 규모 모두 밀리는 상황이다. 유난히 기후변화 문제에 대해 관심이 적고 소극적인 한국의 태도와 부족한 우주산업 기술이 발목을 잡고 있다고 본다. 하지만 2019년 2월 서울에서 개최된 우주 태양광 발전 국제 워크샵에서 우주 태양광발전 핵심 기술 실증과 사업 타당성 검토해야 한다고 목소리를 높이기 시작하며 한국형 우주 태양광발전 위성 계획안을 처음 공개했다.

한국항공우주연구원이 공개한 계획안에 따르면 한국의 첫 우주 발전소는 가로 5.6㎞, 세로 2㎞의 크기로 여의도의 약 4배 크기다. 가운데는 1㎢의 안테나를 달아 지구로 전기를 보낸다. 발사 비용이 상대적으로 저렴한 저궤도에 올려 먼저 위성을 조립한 후 태양전지판을 일부 펼쳐 얻은 에너지로 정지위성 궤도로 오른다. 이를 검증하기 위해 2029년까지 2대의 소형 태양광 발전위성을 발사해 발전 기능과 무선 송전 기능을 점검한다.

 [자료12. 한국항공우주연구원의 한국형 우주 태양광 발전소 상상도]

출처: 동아사이언스

2019년 한국전력발전소에서는 세계 최고의 광전 변화효율을 가진 평판형 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 페로브스카이트 태양전지는 낮은 온도에서 생산이 가능해 일반적으로 쓰이는 실리콘 태양전지보다 비용도 훨씬 저렴하다는 장점과 필름처럼 얇게 만들어 유연하게 구부릴 수도 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다.
우주선이나 위성에 적용되기 위해서는 최대한 가벼울 수록 좋은데 페로브스카이트 태양전지는 가볍다는 장점까지 갖추고 있어 우주에서 활용가치도 기대받고 있다.

실제로 2020년 8월 뮌헨 대학교 연구진들은 세계 최초로 페로브스카이트 태양전지를 우주에서 실험하는 데 성공했다고 발표했다. 페로브스카이트 태양전지는 우주의 극단적인 환경조건을 견뎌내면서 직사광선과 지구 표면의 반사광을 이용해 전력을 생산해냈다. 또한 실험 결과 태양빛을 직접 받지 못해도 지구 표면에서 반사된 약한 빛만으로도 전력을 생산하는 것을 발견했다.  기존 실리콘 태양전지는 직접적인 빛이 없을 때 작동을 멈추고 전력 출력이 0이 된다. 이와 같은 발견은 인공위성과 같은 우주에서 장기적인 프로젝트에 매우 유용할 것으로 전망된다.

[자료13. 로켓에 탑재된 페로브스카이트의 모습]

출처: 한화그룹

 

맺음말

현재 화성 탐사선, 소형 군집 위성 프로젝트 등  미국, 중국, 일본, 프랑스 등 많은 선진국들이 우주산업에 진출하고 있는 뉴스가 심상치 않게 들려온다.  한국 또한 군 통신위성 발사, 초소형 군집 위성 개발 등 늦게나마 우주산업 진출에 박차를 가하고 있다. 

과학자들은 20~30년 뒤에는 우주 태양광 발전 기술이 실현될 것이라 전망하고 있다. 우주 태양광 발전이 미국, 일본, EU 등을 중심으로 계속해서 주도되어 운용되는 경우 20, 30년 후 환경뿐 아니라 세계 경제에도 미치는 영향이 매우 클 것이다. 이를 인지하고 정부 및 국책연구기관은 뉴스페이스 시대 흐름에 맞춰 중소기업의 기술개발에 지원, 활용 인프라 구축, 관련 규제 완화 등 전폭적인 지지를 함으로써 우주산업이 순항하길 기대한다.

 

 

참고문헌

1. "우주 태양광 발전 기술 동향"/ 한국항공우주산업/ 2009

2."우주 자원의 개발, 우주 태양광 발전"/항공산업 연구/ 2012

3. "신개념 태양광 발전 방안 [SSP]"/ 항공우주연구원 황승제/ 2014

4. "전력 생산 시스템의 대안, 우주 태양광 발전 개념 연구동향과 시사점"/ 항공우주연구원 홍승범/ 2014

5. "인공위성 활용 분야 기술 발전 현황 및 전망"/ 항공우주연구원/ 2016

6. "원전 제로, 무한 에너지 ‘우주 태양광발전’이 답인데…"/ 한국일보 김창훈/ 2017

7. "또 다른 산업혁명 기폭제 될 우주 태양광 발전"/ 한국경제 [전문가 포럼] 류장수/ 2017

8. "미래 에너지 '우주 태양광 발전'… 한국도 뛰어든다"/ 조선일보 최인준/ 2019

9. "우주서 전기 만들어 지구로 전송… ‘위성 태양광 발전소’ 꿈 두둥실"/ 동아사이언스 조승한/ 2019

10. "우주에서 전기 만들자" 우주 태양광 연구에 세계가 뛰어든다/  동아사이언스, 조승한/ 2019

11."How SpaceX lowered costs and reduced barriers to space"/ The Conversation/2019

12. "우주에 태양광 발전 위성 설치... 전기 만들어 지구로 보낸다"/ 전기신문 유희덕/ 2020

13. "우주로 날아간 페로브스카이트 태양전지"/파이낸셜 뉴스/2020

14. "한전, 세계 최대 광전 변화효율 태양전지 개발"/ 한전 블로그/2019