지구의 주변 열복사를 이용한 발전

온도 구배 활용

대부분의 발전 방식은 온도 차이를 이용합니다. 이러한 온도 차이는 화석 연료(석탄, 석유, 가스) 연소, 핵분열, 지하 심층 시추(지열), 또는 햇빛을 집중시키는(집광형 태양열) 방식을 통해 한쪽을 가열함으로써 생성됩니다.

이러한 온도 차이를 이용하여 물이나 다른 액체(예: 용융염)를 가열하고, 터빈을 작동시켜 전기를 생산합니다.

따라서 햇빛을 직접 포착하는 태양광 발전이나 자연적인 움직임(풍력, 수력, 조력)을 이용하는 방법도 가능하지만, 증기 기관 시대부터 오늘날까지 열 차이를 이용한 발전이 가장 일반적인 발전 방식입니다.

이론적으로 활용될 수 있는 또 다른 열적 기울기는 지구와 우주 공간 사이의 온도 차이입니다.

지구 표면의 평균 온도는 약 15°C(59°F)인 반면, 우주는 -270°C(-454°F)에 달합니다. 이처럼 엄청난 이론적 온도 차이는 오랫동안 연구자들의 관심을 끌어왔지만, 이를 활용하는 것은 결코 간단한 일이 아닙니다.

우주로 열을 방출함

8~13μm 파장대의 열복사에 대해서는 대기가 완전히 투명하여 지구의 열이 우주로 빠져나갈 수 있습니다. 이것이 바로 지구가 태양으로부터 에너지를 받은 후 식는 주된 메커니즘입니다.

이론적으로, 이 파장이나 지면보다 온도가 낮은 하늘로 에너지를 방출할 수 있는 충분히 근접한 주파수의 엔진은 주변 온도로부터 전기를 생산할 수 있습니다.

사실, 이러한 방법은 이미 저밴드갭 반도체 소자나 열전 발전기를 이용하여 시연된 바 있습니다. 하지만 이러한 방법들은 출력량이 낮고 희토류 원소가 필요하기 때문에 경제적인 발전에는 적합하지 않습니다.

하지만 캘리포니아 대학교의 과학자 트리스탄 J. 데페와 제레미 N. 먼데이는 스털링 엔진을 이용한 대안을 발견했을지도 모릅니다. 그들은 권위 있는 과학 학술지인 사이언스(Science)에 연구 결과를 발표했습니다.¹, 제목 아래 '지구 주변 복사 에너지를 이용한 기계적 발전".

스털링 엔진 설명

대부분의 경우 온도 차이를 이용하여 증기로 구동되는 터빈을 통해 동력을 생산하지만, 스털링 엔진도 대안으로 사용될 수 있습니다.

이 엔진들은 엔진의 한쪽 면이 다른 쪽 면보다 뜨겁거나 차가울 때 기계적인 움직임을 발생시킵니다.내연기관이나 터빈과는 달리, 물질을 연소시킬 필요가 없습니다.

기계적 운동은 간단한 교류 발전기를 통해 전기로 변환될 수 있습니다.

스털링 엔진은 내구성이 매우 뛰어나지만 상대적으로 무거워 운송 수단 분야에서의 활용이 제한적입니다.

또한, 터빈보다 발전량이 약간 낮기 때문에 화력 발전소나 원자력 발전소에서 흔히 사용되지 않습니다. 하지만 터빈은 고온과 저온 사이에 수백 도의 온도 차이가 필요한 반면, 이 에너지원들은 작은 온도 차이에서도 작동할 수 있습니다.

스털링 엔진은 어떻게 주변의 열에너지를 포착하는가?

여기서 사용된 주변열 발전의 기본 개념은 두 가지 구성 요소로 이루어져 있습니다.

• 엔진의 하단판은 지표면과 직접적인 열 접촉을 합니다.
• 상단판은 광학적으로 하늘과 연결되어 있습니다.

엔진 상부에서 공기 중으로 방출되는 열을 제어하기 위해 적외선 방출 페인트가 사용됩니다.

출처: 과학의 발전

이 방법은 지면과 공기 사이의 작은 온도 차이, 특히 밤에 발생하는 온도 차이를 이용하는데, 스털링 엔진만이 이러한 온도 차이를 운동 에너지로 변환할 수 있습니다.

우리의 개념 증명 시연은 엔진을 하늘과 복사 에너지로 연결하여 밤새도록 지구에 400mW/m2 이상의 지속적인 전력을 공급합니다.

실제 환경에서의 테스트

이 방법은 캘리포니아주 데이비스에서 10°C(18°F)의 온도 차이와 엔진 플라이휠의 1Hz 회전 조건에서 테스트되었습니다. 테스트는 연중 내내 진행되었으며, 대부분의 기간 동안 정상적으로 작동했지만, 비와 구름이 많은 겨울철에는 효율이 떨어졌습니다. 이 시스템의 효율에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 절대 온도보다는 공기 중 습도입니다.

출처: 과학의 발전

습도가 높은 환경에서는 대기 중 수분 농도가 높아져 낮과 밤의 기온차가 줄어들고, 이는 복사 냉각 효과를 감소시켜 전체적인 에너지 잠재력에 영향을 미칩니다.

주변 에너지 잠재력 지도 작성

과학자들은 실험 결과를 바탕으로 자신들의 발명품에 가장 큰 잠재력이 있는 지역을 모델링했습니다.

그들은 몇 가지 결론을 내렸습니다.

• 전력 밀도는 하향 복사량이 가장 낮은 건조 지역과 산맥에서 가장 높습니다.
• 습도가 높은 지역은 에너지 잠재력이 낮습니다.
• 산림이 우거진 지역에서는 습도가 높아 냉각기가 효과적으로 열을 하늘로 배출하지 못하기 때문에 발전량이 거의 0에 가깝습니다.

이 데이터를 활용하여 연구진은 주변 복사열 스털링 엔진을 배치하기에 가장 적합한 지구 지역을 보여주는 지도를 제작했습니다.

출처: 과학의 발전

잠재력이 가장 높은 지역은 다음과 같습니다.

• 사하라 아프리카.
• 유라시아 스텝.
• 여름철의 남극 대륙.
• 미국 서부 해안의 내륙 지역.
• 안데스 산맥
• 티베트 고원.

향후 개선

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이 프로젝트는 개념 증명에 가까웠기 때문에 여러 설계 요소를 개선할 여지가 있었습니다.

첫 번째 요소는 복사 냉각 성능을 향상시키는 것입니다. 이는 시중에서 판매되는 페인트 대신 맞춤형 복사 냉각 소재를 사용함으로써 달성할 수 있습니다.

두 번째 요소는 접지와의 전도성 결합을 강화하는 것인데, 예를 들어 접촉면적을 넓히고 구리와 같이 열전도율이 높은 재료를 사용하는 것입니다.

더 큰 엔진을 사용하면 전체 출력과 효율을 높일 수 있습니다. 스털링 엔진 피스톤에 공기 대신 헬륨이나 수소를 사용하면 마찰을 줄이고 생산량을 늘릴 수 있습니다.

마지막으로, 우리의 산업 문명은 온실, 공장, 냉난방 시스템, 겨울철 난방이 되는 주거 건물 등에서 상당한 양의 폐열을 발생시킵니다. 이는 지면과 하늘 사이의 온도 차이를 크게 증가시켜 에너지 생산량을 늘릴 수 있습니다.

실제로 35~40°C(72°F)의 온도 차이는 15°C의 온도 차이에 비해 거의 4배에 달하는 전력을 생성할 수 있습니다.

출처: 과학의 발전

"역방향 태양광 패널"을 향하여

이 디자인은 야간에 가장 효과적이지만 (설계를 변경하면 주간에도 작동 가능), 태양광 패널을 보완하는 데 좋은 선택이 될 것으로 보입니다.

이는 다른 형태의 발전, 산업 공정, 난방이 필요한 건물(사무실, 아파트, 주택) 또는 온실에서 발생하는 폐열을 최대한 활용하는 훌륭한 방법이 될 수도 있습니다.

마지막으로, 이 시스템은 열을 흡수하고 다시 우주로 방출하는 방식으로 건물에 설치하는 추가 냉방 방법으로 설계될 수 있습니다.

충분히 큰 규모로 배치된다면, 지구의 전체적인 열 흡수량을 줄이면서 동시에 전력을 생산할 수도 있는데, 이는 다른 모든 발전 방식과 비교했을 때 매우 독특한 특징입니다.

스털링 엔진 회사들

Aerojet Rocketdyne과 L3 Harris: 스털링 엔진 혁신을 선도하는 기업

스털링 엔진은 에너지 발전 분야에서 틈새시장에 속하지만 여전히 주목받고 있습니다. 2025년 11억 7천만 달러 규모의 시장은 2029년까지 연평균 8.5% 성장하여 16억 2천만 달러에 이를 것으로 예상됩니다.하지만 해당 분야에서 활동하는 기업 중 상장 기업은 소수에 불과합니다.

Aerojet rocketdyne항공우주 및 방위산업 계약업체인 L3 Harris의 한 부서인 는 NASA와 같은 파트너들과 협력하고 있습니다. 선파워 주식회사우주 응용 분야에 사용할 스털링 엔진을 개발하기 위해.

Aerojet Rocketdyne은 L3 Harris에 인수되었습니다. 2023년 7월 4.7억 달러에 4를 추가합니다.^th 부서를 회사로.

Sunpower Inc(태양광 패널 회사인 Sunpower와 혼동하지 않도록) (SPWR 4.1%))는 고급 스털링 엔진 설계의 발명가입니다. 자유 피스톤 스털링 엔진(FPSE)FPSE는 열을 이용해 전력을 생산하는 데에도, 전력을 이용해 냉방하는 데에도 사용할 수 있습니다.

이 기술은 특히 다음과 같은 경우에 적용 가능합니다. 방사성 동위원소 전력 시스템(RPS)이 엔진은 방사성 물질의 자연 붕괴를 이용하여 열을 발생시키고, 스털링 엔진은 이 열을 사용 가능한 전기 에너지로 변환합니다. 이러한 엔진의 주요 활용 분야 중 하나는 달 표면의 장비나 소규모 달 기지에 전력을 공급하는 것입니다.

출처: NASA

NASA는 스털링 엔진의 신뢰성, 유지보수가 필요 없는 작동 방식, 그리고 긴 수명, 특히 ASRG(Advanced Stirling Radioisotope Generator) 덕분에 오랫동안 스털링 엔진에 관심을 가져왔습니다.

L3 Harris는 달 탐사용 스털링 엔진 외에도 주요 군사 및 항공우주 기업입니다. 이 회사는 매출의 60%를 미 국방부(DoD)에서, 20%를 해외 방산 계약에서, 그리고 나머지 20%를 민간 산업에서 창출했습니다.

특히 해리스는 전 세계 전술 무전기 시장의 45%를 점유하고 있으며, 이는 다음으로 큰 경쟁업체보다 몇 배나 큰 규모입니다.

에 관해서 무인 시스템, L3Harris는 수직 이착륙 드론 FVR-90 밸리 해상 자율 주행 보트 섀도폭스 (길이 13m) 수중 드론 Iver 제품군, 그리고 미국 해군의 첫 번째 주요 계약 수주에 대한 주 계약자입니다. 중형무인수상정(MUSV).

에어로젯은 극초음속 미사일 및 기타 미사일 시스템 개발업체이기도 합니다.

전반적으로 L3 Harris는 자율 시스템, 로켓 기술 및 항공우주 에너지 시스템 분야에서 선도적인 기술 기업이며, 민간 및 군사 계약 모두에 대한 탄탄한 기술 전문성을 보유하고 있습니다.

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참고 연구

^{1. 트리스탄 J. 데페(Tristan J. Deppe)와 제레미 N. 먼데이(Jeremy N. Munday). 지구 주변 복사 에너지를 이용한 기계적 발전. 사이언스 어드밴스. 2025년 11월 12일. 제11권 제46호. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833}