지구의 주변 열복사를 이용한 전력 생성

온도 구배 활용

대부분의 발전 방식은 온도 차이에 의존합니다. 이러한 차이는 흔히 화석연료(석탄, 석유, 가스) 연소, 핵분열, 지하 깊은 곳의 시추(지열), 또는 햇빛 집광(집광형 태양열)을 통해 만들어집니다.

이 열 차이는 물이나 다른 액체(예: 용융 염)를 가열하여 터빈을 작동시키고 전기를 생산하는 데 사용됩니다.

따라서 직접 햇빛을 포착하는 태양광 발전이나 자연 움직임(풍력, 수력, 조력)도 가능하지만, 열 구배는 증기 기관 시대부터 오늘날까지 가장 일반적인 전력 생산 형태입니다.

이론적으로 활용될 수 있는 또 다른 열 구배는 지구와 외부 우주 사이의 온도 차이입니다.

지구의 평균 표면 온도는 약 15°C(59°F)인 반면 우주는 약 -270°C(-454°F)입니다. 이처럼 거대한 이론적 온도 차이는 오랫동안 연구자들의 관심을 끌었지만, 이를 활용하는 일은 결코 간단하지 않습니다.

우주로 열 방출

8~13μm 파장의 열복사에 대해 대기는 완전히 투명해 지구의 열이 우주로 빠져나갈 수 있습니다. 이는 태양으로부터 에너지를 받은 지구가 냉각되는 핵심 메커니즘입니다.

이론적으로, 이 파장대에서 방출할 수 있는 엔진이나, 지면보다 차가운 하늘로 에너지를 방출하는 충분히 가까운 주파수의 엔진은 주변 온도만으로 전기를 생성할 수 있습니다.

실제로, 저밴드 반도체 소자나 열전 발전기를 이용한 방법이 이미 시연되었습니다. 그러나 출력이 낮고 희귀 금속이 필요하기 때문에 경제적인 전력 생산에는 실용적이지 않습니다.

캘리포니아대학교의 과학자 트리스탄 J. 데프와 제러미 N. 먼데이는 스털링 엔진을 활용한 대안을 찾아냈을 가능성이 있습니다. 이들은 권위 있는 학술지 Science Advances¹에 “지구의 주변 복사를 이용한 기계적 발전”이라는 제목으로 연구 결과를 발표했습니다.

스털링 엔진 설명

대부분의 온도 차이는 증기로 터빈을 돌려 전력을 생산하는 데 사용되지만, 스털링 엔진이라는 대안도 있습니다.

이 엔진은 한쪽이 다른쪽보다 뜨겁거나 차가울 때 기계적 움직임을 생성합니다. 내부 연소 엔진이나 터빈과 달리 연료를 태울 필요가 없습니다.

이 기계적 운동은 간단한 교류 발전기를 이용해 전기로 변환할 수 있습니다.

스털링 엔진은 매우 내구성이 뛰어나지만 비교적 무거워 운송 분야에서의 활용은 제한적입니다.

효율도 터빈보다 약간 낮아 화력 또는 원자력 발전소에서 널리 사용되지 않습니다. 그러나 터빈은 고온부와 저온부 사이에 수백 도의 차이가 필요한 반면, 스털링 엔진은 작은 온도 구배에서도 작동할 수 있습니다.

스털링 엔진이 주변 열에너지를 포착하는 방법

여기서 사용한 주변 열 발전의 기본 개념은 두 가지 요소로 구성됩니다.

• 엔진의 아래쪽 판은 지표면과 직접 열적으로 접촉합니다.
• 위쪽 판은 광학적으로 하늘과 결합됩니다.

엔진 상부에서 공기 중으로 열을 방출하기 위해 적외선 방사 페인트를 사용합니다.

출처: Science Advances

이 방식은 특히 밤에 지면과 공기 사이에 생기는 작은 온도 차이를 이용하며, 이를 운동과 에너지로 전환할 수 있는 장치는 스털링 엔진입니다.

우리의 개념 증명 시연은 엔진을 하늘에 복사적으로 결합하고 밤 동안 지구에서 연속적으로 400 mW/m² 이상의 전력을 제공합니다.

실제 조건에서 테스트

이 방법은 캘리포니아주 데이비스에서 10°C(18°F)의 온도 차이와 엔진 플라이휠의 1Hz 회전 조건으로 시험되었습니다. 시험은 일 년 내내 진행되었고 대부분의 기간에 작동했지만, 비와 구름이 많은 겨울에는 효율이 낮았습니다. 절대 온도보다 공기 중 수분 함량이 시스템 효율에 가장 큰 영향을 미쳤습니다.

출처: Science Advances

습도가 높은 환경에서는 대기 중 수분 농도가 높아 낮과 밤의 온도 차이가 줄어듭니다. 이는 복사 냉각 능력을 낮추고 전체 에너지 잠재력에 영향을 줍니다.

주변 에너지 잠재력 매핑

과학자들은 실험 결과를 바탕으로 이 발명의 잠재력이 가장 높은 지역을 모델링했습니다.

다음과 같은 결론을 도출했습니다.

• 하향 복사가 가장 적은 건조 지역과 산맥에서 전력 밀도가 가장 높습니다.
• 습도가 높은 지역은 에너지 잠재력이 낮습니다.
• 습도가 높아 냉각기가 하늘로 열을 효과적으로 방출하지 못하는 울창한 산림 지역에서는 발전량이 거의 0에 가깝습니다.

이 데이터를 이용해 주변 복사형 스털링 엔진을 설치하기에 가장 적합한 지구상의 지역을 보여주는 지도를 만들었습니다.

출처: Science Advances

잠재력이 가장 높은 지역은 다음과 같습니다.

• 사하라 아프리카
• 유라시아 스텝 지대
• 여름철 남극
• 미국 서부 해안의 내륙 지역
• 안데스산맥
• 티베트고원

향후 개선점

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이 연구는 개념 증명 단계였으므로 여러 설계 요소를 개선할 수 있습니다.

첫 번째 요소는 복사 냉각 능력을 향상시키는 것입니다. 상업용 페인트 대신 맞춤형 복사 냉각 재료를 사용하면 달성할 수 있습니다.

두 번째 요소는 지구와의 전도 결합을 늘리는 것으로, 예를 들어 접촉 면적을 확대하고 구리와 같은 높은 열전도성을 가진 재료를 사용하는 것이 있습니다.

더 큰 엔진은 전체 전력 출력과 효율성을 높일 수 있습니다. 스털링 엔진 피스톤에 공기 대신 헬륨이나 수소를 사용하면 마찰을 줄이고 수율을 증가시킬 수 있습니다.

마지막으로, 우리 산업 문명은 온실, 공장, HVAC 시스템, 겨울 난방 주택 등에서 상당한 폐열을 발생시킵니다. 이는 지면과 하늘 사이의 온도 차이를 크게 증가시켜 에너지 생산을 촉진할 수 있습니다.

실제로 35~40°C(95~104°F)의 온도 차이는 15°C 차이에 비해 거의 네 배의 전력을 생산할 수 있습니다.

출처: Science Advances

“역태양광 패널”을 향하여

이 설계는 설계 변경을 거치면 낮에도 작동할 수 있지만 밤에 가장 잘 작동하므로, 태양광 패널을 보완하기에 적합해 보입니다.

또한 다른 형태의 전력 생산, 산업 공정, 따뜻한 건물(사무실, 아파트, 주택) 또는 온실에서 발생하는 폐열을 최대한 활용하는 좋은 방법이 될 수 있습니다.

마지막으로, 건물에 설치하여 시스템이 열을 흡수하고 다시 우주로 복사하는 추가 냉각 방식으로 설계될 수도 있습니다.

충분히 큰 규모로 구축한다면 지구에 포획되는 전체 열을 줄이면서 전력까지 생산할 수 있습니다. 이는 다른 발전 방식과 비교해 매우 독특한 특성입니다.

스털링 엔진 기업

Aerojet Rocketdyne와 L3 Harris: 선도적인 스털링 엔진 혁신가

스털링 엔진은 에너지 생산 분야에서 틈새 적용이지만, 2025년 11억 7천만 달러 시장, 2029년까지 연평균 8.5% 성장해 16억 2천만 달러에 이를 것으로 예상합니다. 그러나 이 분야에서 활동하는 기업 중 공개 상장된 기업은 거의 없습니다.

Aerojet Rocketdyne 은 항공우주 및 방위 계약업체 L3 Harris의 계열사로, NASA와 SunPower Inc와 같은 파트너와 협력해 우주용 스털링 엔진을 개발하고 있습니다.

Aerojet Rocketdyne은 2023년 7월 47억 달러에 인수되어 회사의 네 번째 사업 부문이 되었습니다.

태양광 패널 기업 SunPower와 혼동해서는 안 되는 Sunpower Inc. (SPWR )는 고급 스털링 엔진 설계인 자유 피스톤 스털링 엔진(FPSE)을 개발했습니다. FPSE는 열로 전력을 생산하는 데도, 전력을 사용해 냉각하는 데도 활용할 수 있습니다.

이 기술은 방사성 물질의 자연 붕괴로 열을 만들고 스털링 엔진으로 이를 유용한 전력으로 변환하는 방사성동위원소 전력 시스템(RPS)에 특히 적합합니다. 이러한 엔진의 주요 활용처로는 달의 장비나 소규모 달 기지에 전력을 공급하는 방안이 있습니다.

출처: NASA

NASA는 오랜 기간 동안 스털링 엔진에 관심을 가져왔으며, 특히 Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG)의 신뢰성, 무정비 운용, 긴 수명 때문에 주목하고 있습니다.

L3 Harris는 주요 군사 및 항공우주 기업으로, 매출의 60%를 미국 국방부(DoD)에서, 20%를 국제 방위 주문에서, 나머지 20%를 민간 산업에서 얻고 있습니다.

특히 Harris는 전 세계 전술 라디오 시장의 45%를 차지하고 있어, 다음 경쟁자를 크게 앞서고 있습니다.

무인 시스템에 관해서는, L3 Harris가 무인 시스템을 보유하고 있으며, 수직 이착륙 드론 FVR-90, 해양 무인 보트 Shadowfox(길이 13 m), Iver 시리즈 수중 드론 등을 제공하고 있으며, 미국 해군의 첫 주요 계약인 중형 무인 수상 차량 (MUSV)의 주요 계약자를 맡고 있습니다.

Aerojet은 또한 극초음속 미사일 및 기타 미사일 시스템을 개발하고 있습니다.

전반적으로 L3 Harris는 자율 시스템, 로켓, 항공우주 에너지 시스템 분야의 선도적인 기술 기업으로, 민간 및 군사 계약 모두에서 탄탄한 기술 전문성을 보유하고 있습니다.

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참조 연구

^{1. Tristan J. Deppe 및 Jeremy N. Munday. 지구의 주변 복사를 이용한 기계적 발전. Science Advances. 2025년 11월 12일. 제11권, 제46호. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833}