완성되면 대박! 무한 청정 에너지 - 우주태양광발전

우주태양광발전(Space Solar Power, SSP)은 지구 상공에서 우주 태양광을 수집하고 전력으로 변환한 뒤 지구로 전송하는 전력 생산 기술이다. 지구의 대기 영향을 피해 효율적으로 청정 에너지를 발전할 수 있는 이 기술은 기후 변화와 지구상의 에너지 자원 부족 문제에 대응할 수 있는 해결책으로 주목받고 있다.

지난 1968년 미항공우주국(NASA)의 피터 글레이저 박사가 태양광 전력 발전 위성 모델을 처음 제안하였고 이를 기초로 1977년 나사에서 태양전지 패널을 갖춘 인공위성에 의한 발전 시스템을 구상해내기도 했으나, 이후 수십년 동안 우주태양광발전은 세간의 관심을 그다지 받지 못했다. 이론적으로는 물론 가능한 일일지 몰라도 우주 공간에 거대한 태양광 발전 시설을 건설하는 일 자체가 워낙 고도의 기술을 요하는 데다, 비용 또한 어마어마할 것이 자명했기 때문이었다.

피터 글레이저(Peter Glaser) 박사

피터 글레이저 박사의 이론에 기초한 태양광 전력 변환 위성 기반 방법 특허 도면

물론, 지금도 기술의 한계나 천문학적인 비용이 들어간다는 점은 여전하지만 우주태양광발전의 가능성과 비전은 명확하다고 볼 수 있다. 지상에서의 태양광 발전은 여러가지 제약이 많아 발전량이 시시각각 들쭉날쭉하여 안정적인 전력 공급원으로 역할을 하기 힘들다.

우선 밤에는 해가 지고 없으니 전기를 만들어낼 수 없는 것은 당연하고, 태양광이 있는 낮에만 발전이 가능한데 그나마도 비오는 날, 흐린 날 등 기상요건에 의해 햇빛을 온전히 받기 어렵다. 지구에 닿기도 전에 반사되는 태양광도 고려하면 발전에 이용할 수 있는 태양광의 양이 전체의 절반 수준도 안 되는데 비해, 우주태양광발전은 구름이나 대기 등의 손실 요소 없이 거의 100%에 가까운 햇빛을 오롯이 발전에 이용할 수 있다.

그렇기 때문에 지표에 도달하는 태양광보다 평균 10배 이상 강하다. 탄소중립을 위한 재생에너지 확보의 중요성이 그 어느 때보다 높아진 상황에서 환경오염의 우려가 없는 친환경 청정 에너지를 1년 365일 24시간 안정적으로 공급받아 쓸 수 있다는 점은 떨쳐버리기 힘든 매력 포인트다.

현재 많은 국가에서 우주태양광발전을 구현하기 위해 노력을 기울이고 있다. 유럽우주국(ESA)은 지난 2022년 12월 <솔라리스 프로젝트>를 승인하고 앞으로 3년 동안 우주태양광발전 상용화에 필요한 기술과 소요 비용을 분석하고 실현가능성을 확인하기 위한 작업에 착수하겠다고 했는데, 이 프로젝트에는 2025년까지 우주태양광발전의 기초 기술을 확보하고 2035년에는 시험발전, 2040년부터는 상용화한다는 내용을 포함하고 있다.

미국도 나사의 제트추진연구소와 캘리포니아공대를 중심으로 모듈 형태의 발전소 설계 기술과 태양전지 셀 기술, 무선 전력 전송 기술 등 핵심 기술 개발에 매진하고 있는데, 작년 1월에 이미 우주태양광발전 시제품을 발사하고 현재 지상 400km 높이에서 우주태양광발전 기술을 시험중이다.

영국은 우주태양광 기술 개발에 꾸준히 자금을 지원하고 있으며, 일본도 일본우주항공연구개발기구와 경제산업성 산하 재팬스페이스시스템즈 등의 연구시설을 중심으로 꾸준히 연구를 진행중이다. 중국도 2008년 우주태양광발전시스템 건설계획을 수립하고 2019년부터 시험을 시작했으며 2028년에는 400km 상공에서 지상으로 무선 전력 전송 기술을 시험하기 위한 위성을 발사하겠다고 밝힌 바 있다.

중국의 우주태양광발전소 예상도

우리나라는 2018년 발표한 제3차 우주개발진흥계획에 우주태양광발전을 미래의 게임체인저 기술이라고 명시한 바가 있지만 아직 우주태양광발전과 관련한 구체적인 개발 계획은 갖고 있지 않다. 하지만 전기연구원에서 현재 2017년부터 2025년까지 약 112억원의 예산을 갖고 장거리 무선 전력 전송 기술을 개발하기 위해 연구중이다.

50m 전방의 움직이는 표적을 실시간으로 추적하여 전력을 전송하는 시스템의 개발이 목표라 사실 직접적인 우주태양광발전 관련 기술을 연구하고 있는 것이 아니기는 하지만, 아직까지 획기적인 원거리 무선 전력 전송 기술이 존재하지 않는 상황에서 우주태양광발전의 핵심기술을 선점할 수 있는 계기가 될 수 있는 연구이다. 국가 차원의 예산 지원 없이 전기연구원 자체적으로 한국항공우주연구원과 함께 누리호를 활용한 위성간 무선전력 전송 기술 연구를 진행하고 있기도 하다.

캘리포니아공대(caltech)의 우주태양광발전 시설 예상

요즘 스마트폰 충전기도 무선충전이 보편화 되고 있고, 전기자동차도 앞으로 무선충전이 가능해진다는 얘기도 있는데 사실 이는 단거리에서나 무선 전력 전송이 가능한 자기유도방식과 자기공진방식이고, 우주에서 지상까지 먼 거리를 무선으로 전송하기 위해서는 마이크로파 방식을 이용해야하는데, 만일 이 방식이 성공적으로 개발된다면 비단 우주태양광발전 말고도 유용하게 활용하게 될 분야가 무궁무진하므로 국가적 차원에서 전폭적인 지원을 통해 우리나라만의 핵심기술 확보에 공을 들일 필요가 있다.

마이크로파를 이용하여 위성과 지구 간 원거리 무선 전력 전송 개념도

과거 실현 불가능이라고 여기게 했던 비용 문제의 경우도 우주 발사체를 재활용하는 기술의 발전으로 인하여 예전에 비해 발사 비용이 많이 낮아진 상황이며, 일론 머스크가 추진하고 있는 스페이스 X의 스타쉽 기술이 완성된다면 우주 발사 비용은 훨씬 더 내려갈 수 있다고 하니, 조만간 20-30년 안에는 우주태양광발전이 현실화 될 것으로 보인다.

우주태양광발전 시설 예상도