에너지
우주 기반 솔루션을 실현 가능하게 만드는 태양광 기술의 진보
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오랫동안 우주 기반 태양광 전력을 포착하고 활용하는 방법에 대한 광범위한 연구가 진행되어 왔습니다. 과학자와 기술 전문가들은 우주 기반 태양광 전력이 지속 가능한 에너지 원의 기존 집합에 효율적인 추가가 될 수 있다고 믿고 있습니다.
기능적으로, 이 시스템은 궤도 수준에 에너지 수집 및 수확 패널을 배치하고, 그 패널이 지구에 설치된 수신 장치로 태양 에너지를 다시 전송합니다. 그리고 이것은 우주와 지구, 그리고 이 두 지점 사이의 전송 경로를 포함하기 때문에 정교한 기술 솔루션으로 구성되어야 합니다.
유망하게도, 전 세계에서 달성된 태양광 기술의 진보가 우주 기반 태양광 전력 생산을 실현 가능하게 만들고 있습니다. 하지만 그에 대해 더 깊이 파고들기 전에, 우주 기반 태양광 전력 솔루션이 무엇을 의미하는지와 그 장점이 무엇인지 간략히 살펴보겠습니다.
우주 기반 태양광 전력 및 그 장점
미국 에너지부가 제시한 데이터에 따르면, 지구에서 매시간 우리는 1년 동안 사용할 수 있는 양보다 더 많은 태양 에너지를 받습니다. 이 에너지의 거의 30%는 대기권에 의해 우주로 되돌아갑니다. 이러한 에너지를 포착하고 효율적으로 활용하려면 강력한 우주 기반 태양광 전력 메커니즘이 필요합니다.
이 시스템에서는 위성 기반 태양광 패널이 지표면에 설치된 태양광 패널보다 더 많은 에너지를 포착하고 전송할 수 있습니다. 이는 우주에 존재함으로써 얻는 장점 때문입니다. DEA의 설명에 따르면, 이들은 다음과 같습니다:
“태양광 패널을 장착한 에너지 전송 위성은 고강도이며 끊김 없는 태양 복사를 수집합니다.”
공급이 끊기지 않는 이유는 우주에는 구름도 없고 밤도 없기 때문입니다.
이 기술은 거대한 거울을 배치하여 막대한 양의 태양 광선을 더 작은 태양광 수집기로 반사하고, 이를 무선으로 마이크로파 또는 레이저 빔 형태로 안전하고 제어된 방식으로 지구에 전송하는 것을 포함합니다.
전 세계에서 혁신적인 솔루션을 끌어들이고 있습니다. NASA는 이제 우주 기반 태양광 전력에 관한 보고서를 발표했습니다 ‘이 연구 분야의 개발을 지원하기 위해 필요한 정보를 확보하기 위해’라는 정보를 제공하기 위해.
이 보고서는 우주 기반 태양광 전력을 경쟁력 있는 옵션으로 만들기 위해 중요한 역할을 할 매개변수를 평가하려 하며, 최종 목표는 순 제로 온실가스 배출을 달성하는 것입니다.
NASA가 이 분야의 연구자와 기술자들이 해결해야 할 기술적 병목 현상으로 확인한 내용은 다음과 같습니다:
- 대형 시스템을 궤도에서 조립하고 유지 관리할 방법을 찾아야 합니다.
- 이 시스템이 자율적으로 작동하고 수확된 에너지를 지구로 효율적으로 전송하도록 하는 연구가 필요합니다.
- NASA 보고서는 우주 기반 태양광 전력 시스템을 사용하기 전에 발사 및 구축 비용을 해결하는 것이 중요하다고 강조합니다. 이는 모든 물자를 우주로 보내기 위해 지속적인 다수의 임무가 필요하기 때문입니다.
NASA 보고서는 우주 기반 태양광 전력 시스템이 2050년까지 완전한 생산성과 운영성을 달성할 수 있다고 믿습니다. 보고서를 통해 이 분야에서 이룬 주요 진전들이 조명되었습니다. 예를 들어, JAXA 과학자들이 마이크로파를 이용해 에너지를 정확히 무선 전송하고 이를 최종적으로 사용 가능한 전기로 변환하는 것이 가능함을 증명한 사례를 상기시켰습니다.
이 성과를 이어받아, 캘리포니아 공과대학(Caltech) 과학자들은 2023년 3월에 우주에서 수확한 태양 에너지를 지구로 무선 전송하는 최초의 우주선인 Space Solar Power Demonstrator(SSPD-1)를 개발했습니다.
NASA는 또한 우주 기반 태양광 전력의 경제적 타당성에 대한 추정치를 제시했습니다. 이 분야에 오래 종사해 온 전문가들 중 일부는 그 추정치에 이의를 제기하기도 했습니다. 그러나 이 전력 생산 시스템이 제공할 혜택을 부인하는 경우는 거의 없습니다. 이 시스템은 재난 구호, 원격 센서 전원 공급, 그리고 기존 전통 에너지 생산 시스템 및 공급망의 병목 현상을 해소하는 데 도움이 될 수 있습니다.
그 혜택을 고려할 때, 모든 선진국 정부는 이미 투자에 나섰습니다. Airbus와 Northrop Grumman과 같이 투자 자원을 보유한 대기업들도 끊임없이 연구하고 있습니다.
이제 앞으로 이들의 성과를 살펴보겠습니다. 다만, 이는 아직 진화 중인 분야이며 많은 시도가 아직 프로토타입 단계에 있다는 점을 기억해야 합니다.
#1. Airbus 파워 빔
우주 기반 솔루션을 가능하게 하기 위해 태양광 기술을 발전시키는 주요 기업 중 하나는 Airbus입니다. 이 회사의 중앙 연구 및 기술 부서와 블루 스카이 부서가 개발한 파워 빔 기술은 우주 기반 태양광 기술 분야에서 게임 체인저가 될 수 있음을 입증하는 신뢰할 만한 시연을 보여주었습니다.
Power Beaming을 Yoann Thueux와 동료들과 함께 개발한 책임자인 Jean-Dominique Coste에 따르면:
“이 기술의 잠재력은 햇빛을 포착한 뒤 무선으로 전송하는 것입니다.”
이 과학자들은 이 에너지 솔루션이 도시, 공장, 가정 및 항공기에 충분히 전력을 공급할 수 있을 것으로 믿고 있습니다.
Airbus 기술 개발자들은 2022년 9월 27일 회사의 X-Works Innovation Factory에서 파워 빔을 최초로 시연했습니다. 규모는 작았지만, 이 시연은 파워 빔을 구현하는 데 필요한 요소들을 충분히 설명했습니다.
Coste, Thueux 및 동료들은 마이크로파 빔을 사용해 ‘우주’와 ‘지구’를 나타내는 두 지점 사이에 친환경 에너지를 전송했습니다. 두 지점 간 거리는 36미터였습니다. 이 시연은 또한 모델 도시를 가동하기 위한 친환경 수소도 생산했습니다.
시연이 끝난 후, Yoann Thueux는 다음과 같이 말했습니다:
“이제 우리는 처음으로 소규모에서 미래 우주 기반 태양광 전력 시스템의 핵심 요소들을 성공적으로 테스트했으므로, 파워 빔을 다음 단계로 끌어올릴 준비가 되었습니다.”
Airbus는 이 기술이 곧 현실화될 것으로 기대하고 있습니다. 첫 번째 운영 파워 빔 프로토타입이 2030년 초까지 사용 가능해질 것이라고 믿고 있습니다.
궁극적인 적용 형태에서는, 이 기술이 지구 상공 약 36,000km의 정지 궤도에 태양광 패널을 배치하고, 동일한 크기의 태양광 패널을 지구에 짝지어 설치하게 됩니다.
우주에서 수집된 전력은 다수의 안테나가 퍼져 있는 지역으로 전송됩니다. 이 안테나들은 빔을 수신하여 에너지를 재조합해 전기를 생산합니다.
이 시스템이 특정 규모에 도달하면, 핵, 석유 또는 기타 재생 에너지에 의존하는 대규모 지구 기반 에너지 프로젝트와 동일한 비용으로 에너지를 생산할 수 있게 됩니다. 추정에 따르면, 하나의 정지 궤도 태양광 농장은 최대 2기가와트의 전력을 생산할 수 있습니다. 2024년 2월 15일, Airbus는 2023년 전체 실적을 발표했으며, 연간 매출 654억 유로와 조정된 EBIT 58억 유로를 보고했습니다.
#2. Northrop Grumman
또 다른 주요 글로벌 기업으로, 우주 태양광 기술 역량을 검증하는 필수 테스트를 완료한 기업은 Northrop Grumman (NOC ) 입니다. 이 회사는 빔을 조정하여 다양한 안테나로 무선 주파수 에너지를 전송하는 능력을 성공적으로 시연했으며, 2025년까지 프로토타입을 선보일 자신감을 가지고 있습니다.
이 프로토타입은 회사가 RF 에너지를 지구로 전송하는 능력을 보여줄 것입니다. 이 기술은 Northrop Grumman의 Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR)에서 개발되었습니다.
SSPIDR 프로그램 디렉터인 Tara Theret에 따르면:
“현재는 도전적인 일정에 따라 나머지 하드웨어를 구축, 테스트 및 통합하고 있는 단계입니다.”
이 과정에서 추가로 해야 할 작업은 전자 부품을 소형화하고 ‘샌드위치 타일’의 수를 확대하는 것입니다. 샌드위치 타일은 태양 에너지를 수집하고 전력을 다음 층으로 전달하는 광전지 패널이며, 태양광을 RF로 변환하고 빔을 형성하는 부품을 포함합니다.
이 회사는 또한 시스템을 조립하고 회사의 ESPAStar 플랫폼에 탑재해 발사하기 위한 필수 비행 하드웨어를 제조하고 있습니다. ESPAStar 플랫폼은 페이로드에 필요한 추진, 전력, 자세 제어 및 통신을 제공하는 위성 버스입니다.
이 작업을 검증하기 위해, 미국 공군 연구소는 2018년에 1억 달러 계약을 통해 Northrop Grumman의 노력을 지원했으며, 이를 통해 프로토타입 우주 태양광 전력 시스템의 핵심 부품을 시연할 페이로드를 개발하게 했습니다.
공군 당국은 태양광으로 미국 군사 기지를 전력 공급할 수 있는 프로토타입 우주 기반 시스템 구축을 위한 개발 노력을 촉진하고자 했습니다.
전반적으로, 우주 기반 솔루션이 미래에 지닐 잠재력을 강조하면서, Tara Theret는 다음과 같이 말했습니다:
“우주 태양광 전력 빔은 지구 어디에서든 언제든 에너지를 제공할 잠재력을 가지고 있습니다. 이 기술은 의료 및 통신 장비가 필요한 원격 지역에 전력을 공급할 수 있게 할 것입니다.”
NOC 가격 차트
Northrop Grumman은 2022년 12월 31일에 종료된 회계연도에 366억 달러의 총 매출을 기록했습니다. Space Systems 부문에서 발생한 매출은 약 123억 달러로, 전년도의 106억 달러보다 크게 증가했습니다. 2022년 123억 달러 매출 중 94%는 미국 정부에서, 나머지 3%, 2%, 1%는 각각 국제 판매, 기타 고객 판매, 부문 간 판매에서 발생했습니다.
#3. CESI
이탈리아 밀라노에 본사를 둔 CESI는 우주 적용을 위한 고효율 태양전지 연구, 개발 및 생산에 30년 이상의 경험을 보유하고 있습니다. 더욱이, 갈륨 비소와 인듐 갈륨 인산화물을 사용하는 다중 접합 전지의 세계적인 주요 공급업체 중 하나입니다.
CESI는 삼중 접합 우주 전지 라인업을 보유하고 있습니다. 이 전지들은 갈륨 비소와 인듐 갈륨 인산화물 외에도 게르마늄을 포함합니다. 이러한 전지는 저궤도 및 정지 궤도 위성에 효과적이며, 요구되는 ECSS E ST20-08C 표준을 충족합니다. CESI는 현재 삼중 접합 전지보다 효율이 높은 사중 접합 전지를 출시하기 위해 진행 중입니다.
앞으로 CESI는 모든 우주 프로그램 요구를 충족할 수 있는 방대한 범위의 우주 태양전지 제품을 제공하는 것을 목표로 하고 있습니다. 현재까지 CESI의 노력으로 20만 개 이상의 태양전지가 생산되어 25개국에 걸친 고객들의 70여 개 민간 위성을 전력 공급했습니다.
CESI는 밀라노에서 태양전지를 제조하는 자체 기술을 보유하고 있습니다. 수년간 다수의 국제 우주 기관 및 관계자와 긴밀하고 깊은 네트워크를 구축해 왔습니다.
Northrop Grumman과 마찬가지로, CESI는 이탈리아 국가 정부와 협력하며 이탈리아 국가 우주청(ASI) 및 유럽 우주청(ESA)으로부터 자금을 지원받았습니다. 유럽 우주 프로그램 및 다수의 행성 간 임무 요구를 충족하기 위해 고급 태양전지를 제조했습니다.
가장 최신 재무 공개에 따르면, 이 회사는 2022년 12월 31일에 종료된 회계연도에 8,700만 체코 크로나 이상의 매출을 기록했습니다.
우주 태양광 기술의 진보: 앞으로의 길
우주 태양광 기술은 전 세계 커뮤니티에 그 가치를 입증함으로써 자리를 잡았으며, 전 세계 각국 정부가 큰 열의를 가지고 투자하기 시작했습니다. 미국에서는 해군 연구소가 2020년에 햇빛을 포착해 직류 전기로 변환하는 실험을 수행하면서 실천에 옮겼으며, 이를 위해 공군의 X-37B 우주 비행기를 사용했습니다.
한편, 국제적인 노력도 가속화되고 있습니다. 중국 당국은 중국 우주 기술 연구원의 주도로 2028년까지 우주 기반 시연을 목표로 하는 야심찬 계획을 수립했습니다. 유럽에서는 유럽 우주청의 승인을 받아 충분한 자금을 지원받는 3년 연구 프로그램인 Solaris가 돋보입니다. 영국 역시 우주에서 태양광을 활용하는 연구에 대한 보조금을 제공하며 경쟁에 참여하고 있습니다.
분명히, 혁신적인 기업들, 대규모 자원을 보유한 글로벌 조직들, 그리고 전 세계 정부가 협력하여 우주가 제공하는 에너지를 포착하고 활용하고 있습니다. 이렇게 끊김 없고 활용되지 않은 태양 에너지가 지구의 이익을 위해 활용되기를 기다리고 있는 상황에서, 미래는 확실히 밝아 보입니다.
