공상과학에서 하늘까지: 궤도 태양광 패널은 밝은 아이디어일까?

지구가 아니라 우주 자체에서 태양의 힘을 활용하는 것을 상상해 보세요. 이것이 우주 태양광 발전(SSP)의 핵심입니다. 

이는 태양 에너지를 광활한 우주에서 수집한 뒤 지구로 전송하는 고급 개념입니다. 이 방법은 밤이나 날씨와 같은 지구의 제한을 우회하여 지속적이고 방해받지 않는 태양 에너지 흐름을 보장합니다. 

미래지향적인 아이디어처럼 들릴 수 있지만, SSP 뒤에 있는 기본 원리는 태양만큼이나 영원합니다.

우주 태양광 발전을 정의하자면: 우주에서 수집된 햇빛 에너지를 무선으로 지구에 전송하는 청정 에너지 원천입니다. 

태양은 약 4-5 billion years의 추정 수명을 가지고 있으며, 진정한 장기 에너지 솔루션을 제공합니다. 또한, 우주 태양광 발전은 온실 가스를 배출하지 않으며, 점점 희소해지는 담수 자원, 귀중한 농경지, 천연 가스 기반 비료에 의존하지 않습니다. 

또한, 위험한 폐기물을 발생시키지 않으며 전통적인 태양광 솔루션과 달리 구름, 일조량 변화, 풍속 등에 영향을 받지 않습니다.

우주 태양광 발전이 제공하는 기회는 많은 조직이 이를 기반으로 솔루션을 구축하도록 영감을 주었습니다. 우주 기반 태양광 시장의 주요 기업으로는 Airbus, Azur Space Solar Power GmbH, Fralock LLC, 일본 우주항공연구기관(JAXA), Northrop Grumman (NOC ), Borrego Energy, LLC., Solaren Corporation, Space Tech GmbH, Space Canada, DHV Technology 등이 있습니다. 

하지만 이러한 기업과 솔루션이 어떻게 작동하는지 더 깊이 파고들기 전에, 우주 기반 태양광 시스템이 무엇이며 왜 청정 재생 에너지 생산에 적합한지 살펴보겠습니다. 

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우주 기반 태양광 시스템 뒤의 과학

연구에 따르면, 매시간 지구는 인류가 1년 동안 소비하는 것보다 더 많은 태양 에너지를 받습니다. 흥미롭게도, 지구 대기는 이 태양 에너지의 약 30%를 우주로 반사합니다. 

우주 태양광 발전 시스템은 우주에서 손실되고 활용되지 않는 풍부한 태양 에너지를 활용합니다. 결국, 대기와 같은 방해 요소가 없고 밤이 없으며 지속적으로 햇빛에 노출되는 위성 기반 시스템은 매우 효율적입니다. 이들은 기존 태양광 패널보다 훨씬 더 많은 에너지를 포착하고 지구로 전송할 수 있습니다.

이러한 우주 기반 태양광 포착 및 전송 시스템에서, 패널을 장착한 위성은 에너지 전송 능력도 가지고 있습니다. 대형 거울을 사용해 거대한 양의 태양 광선을 작은 태양광 수집기로 집중시킵니다. 이 고강도, 중단 없는 태양 복사는 무선으로 안전하고 제어된 방식으로 지구에 전송됩니다.

우주 태양광 발전의 실현 가능성: 기술 혁신

최근 기술 혁신 덕분에 우주 태양광 전송이 실현 가능해졌습니다. 전송 시스템에는 두 가지 유형이 있습니다. 

첫 번째는 마이크로파 전송 태양 위성이고, 두 번째는 레이저 전송 태양 위성입니다. 마이크로파 전송 위성에서는 햇빛이 대형 거울에 반사되어 위성 중심으로 모아지며, 이를 연속적인 마이크로파 에너지로 변환해 지구에 전송합니다. 

두 번째 유형인 레이저 전송 위성은 이름 그대로 마이크로파 대신 레이저를 사용합니다. 이러한 위성은 크기가 작아 다른 소형 위성과 함께 그룹으로 운용되는 경우가 많습니다.

경제적 실현 가능성을 살펴보면, 레이저 태양 위성은 초기 비용이 약 5억 달러에서 10억 달러 수준으로 비교적 낮습니다. 레이저 빔의 직경이 작아 지상 구현이 쉽고 저렴합니다.

반면, 마이크로파 태양 위성은 비, 구름 및 기타 대기 조건에서도 지속적이고 중단 없는 전력을 포착하고 전송하는 데 적합합니다. 이들은 지상 수신기에 1기가와트 이상의 에너지를 제공할 수 있어 대도시를 전력 공급할 수 있습니다.

이러한 모든 발전을 논의하면서, 이러한 기술적 혁신이 하루아침에 이루어진 것이 아니라는 점을 잊어서는 안 됩니다. 이는 오랜 과학 및 기술 연구 전통의 결과입니다. 우주 태양광 발전의 미래 잠재력을 이해하려면 이를 맥락화해야 합니다. 

우주 태양광 개념의 진화: 시작부터 현재까지

1970년대:

• 미국에서 우주 태양광 개념 연구가 시작되었습니다.

1980년대:

• 아시아에서 우주 태양광 개념 연구가 시작되었습니다.

1990년대 후반 – 2000년대 초:

• 1998: 우주 태양광 개념 정의 연구는 신뢰할 수 있고 상업적으로 실현 가능한 우주 태양광 개념과 그에 따른 기술 및 프로그램 위험을 식별했습니다.

• 1998: 일본 우주청이 우주 태양광 시스템을 개발했으며, 현재도 운영 중입니다.

• 1999: NASA의 우주 태양광 탐사 연구 및 기술 프로그램이 시작되었습니다.

2010년 초~2020년

• 2010: 인도 우주연구기구(ISRO)가 우주 태양광에 대한 기초 작업을 시작했습니다.

• 2012: 중국이 인도와 공동으로 우주 태양광 개발을 제안했습니다.

• 2015: 칼텍(Caltech)과 Northrop Grumman이 우주 태양광 이니셔티브를 설립하고, 3년 동안 약 1,750만 달러를 우주 기반 태양광 시스템 개발에 할당했습니다.

2020년대

• 2022: 영국이 우주 에너지 이니셔티브를 발표했으며, 2040년 중반까지 첫 우주 발전소를 발사하고 이 출처에서 전력 수요의 30%를 목표로 하고 있습니다.

• 2022: 유럽우주국(ESA)이 Solaris 프로그램을 발표했으며, 2030년부터 태양광 위성을 운영할 계획입니다.

• 2023: CalTech의 우주 태양광 시연기(SSPD-1)가 지구에 감지 가능한 전력을 성공적으로 전송했습니다.

이 기간 동안, 여러 국가 정부, 대학 연구 부서 및 국가 지원 기관들이 우주 태양광의 인프라와 가능성을 탐구해 왔습니다.

Northrop Grumman, Airbus, Solaren Corporation과 같은 기업들도 이 혁신적인 에너지 원천 개발에 큰 기여를 했습니다.

많은 우주 태양광 프로그램이 국가 정부, 대학 연구 부서 및 국가 지원 자율 조직에서 시작되었지만, Northrop Grumman, Airbus, Solaren Corporation과 같은 기업들이 이 혁신적인 에너지 원천을 활용하는 데 핵심적인 역할을 수행했습니다. 

혁신적인 우주 태양광 프로젝트를 추진하는 기업들

1. Northrop Grumman

볼티모어, 메릴랜드에 본사를 둔 Northrop Grumman의 우주 태양광 증분 시연 및 연구(SSPIDR) 프로젝트 팀은 우주에서 지구 어느 곳으로든 태양 에너지를 전송하는 현실화를 목표로 작업하고 있습니다. 

이 프로젝트는 궤도 상의 고효율 광전지를 활용해 태양 에너지를 수집하고 이를 무선 주파수(RF) 에너지로 변환해 지구의 수신소로 전송하는 것을 목표로 합니다.

이 기업은 우주에 적합한 턴키 태양광 어레이 시스템 개발을 선도해 왔습니다. 그들의 광전지 하위 조립품은 최신 기술을 적용해 로봇 자동화로 용접 또는 납땜을 수행하며, 최대 6피트 길이의 회로에 태양 전지를 연결합니다.

그들의 Covered Interconnected Cells는 태양 전지와 커버글라스를 통합한 CIC 어셈블리를 제공합니다.

또한, 가장 극한 우주 환경을 위한 태양 전지 스트링, 저항성 윙 아이솔레이션 보드 어셈블리, -185도에서 300도 이상까지 온도 범위를 지원하는 전장, 백금 저항 온도계 어셈블리 등을 제조합니다.

이러한 혁신은 우주 태양광 프로젝트가 속도를 높이고 잠재력을 실현하는 데 기여했습니다.

2022년에, Northrop Grumman 는 매출 366억 달러를 기록했으며, 거래 조정 주당 순이익은 25.54달러였습니다. 2022 회계연도 순이익은 거의 50억 달러에 달했습니다. 

2. Airbus

이 분야에서 또 다른 선두 기업은 Airbus였습니다. Airbus의 전력 전송 솔루션은 새로운 하늘 에너지 네트워크를 통해 유럽이 보다 독립적으로 재생 에너지에 접근하도록 돕고, 지속 가능한 전력 공급을 24시간 제공하는 것을 목표로 합니다. Airbus의 최초 운영 전력 전송 프로토타입은 2030년 초에 사용될 수 있습니다.

또한 Airbus는 유럽의 주요 태양광 어레이, 광전지 어셈블리 및 태양 전지 어셈블리 제조업체이며, 기관 및 상업용 애플리케이션에 사용됩니다. 위성을 위한 전력 조정 및 배분 장치를 제조했으며, 전기 추진 시스템 및 전기 추진용 전자 장비, 전력 제어 및 전력 처리 장치를 공급합니다.

Airbus는 또한 더 가볍고 유연하며 표면에서 더 많은 에너지를 포착할 수 있는 고급 광전지 태양광 패널 개발에 힘쓰고 있습니다. 그들의 대표 프로그램인 Zephyr는 전적으로 태양 에너지로 구동되는 고고도 의사위성(pseudo-satellite)입니다.

이 모든 노력은 우주 태양광 발전을 보다 빠른 속도와 향상된 효율성으로 진전시키는 데 크게 기여합니다.

2022 회계연도에 Airbus는 588억 유로의 매출을 기록했으며, 조정된 EBIT는 56억 유로였습니다. 인수합병 및 고객 금융 전 자유 현금 흐름은 47억 유로였으며, 주당 1.80 유로의 배당을 제안했습니다.

3. Solaren Corporation

이 분야의 신흥 혁신 기업인 Solaren Corporation은 비용 경쟁력이 높고 무배출 전기를 우주에서 전송하는 방식을 개발했습니다. 

향후 10년 동안 Solaren은 최초의 SSP 플랜트를 개발, 발사 및 운영하며 전기를 판매할 예정입니다. Solaren은 또한 미국, 유럽 연합, 중국, 일본, 인도, 캐나다, 러시아 연방 등에서 최첨단 SSP 시스템 특허를 획득했습니다.

Solaren의 우주 태양광 솔루션은 많은 장점을 가지고 있습니다. 24시간 연속적인 청정 기본 전력 공급을 제공하며, 비용 경쟁력이 높고 배출이 없으며 핵 방사선 위험도 없습니다. 또한 열 냉각을 위해 물이 필요 없어 해양, 강, 호수의 온도 상승 위험을 없앱니다.

Solaren의 우주 태양광 솔루션은 두 가지 구성 요소로 이루어져 있습니다: 태양광 위성과 지상 수신소. 위성은 태양광 어레이와 RF 어레이/안테나를 사용해 에너지를 포착하고 전송합니다. 지상 수신소는 수신 안테나를 통해 전송된 전력을 받습니다.

2023년 7월, Solaren은 Skyseed Ventures가 주도한 최신 투자 라운드가 성공적으로 완료되었다고 발표했습니다. 이번 라운드에서 Solaren은 $2.46 million을 모금했습니다.

우주 태양광 발전의 전 세계적 영향 및 실현 가능성

고도로 발전된 우주 기반 태양광 시스템 기술의 등장으로 우주선, 위성, 로버 및 기타 우주 인프라에 전력을 공급할 수 있게 되었습니다. 우주에서의 태양 에너지는 이러한 시스템이 자주 연료를 보충할 필요 없이 장기간 운영될 수 있도록 돕습니다.

이러한 혁신은 재사용 로켓 개발 비용을 낮추어 우주 장비 발사 비용을 절감했습니다. 우주 기반 태양광 포착 및 전송 구조의 유지보수 비용도 감소했습니다. 로봇 및 자동화 활용이 증가함에 따라 비용을 더욱 낮추고 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 할 것입니다.

추정에 따르면, 북미가 전 세계 매출의 거의 2/5를 차지하며 시장을 주도하고 있습니다. 그러나 향후 성장 동력으로는 중국과 인도가 높은 잠재력을 가지고 있습니다.

극복해야 할 과제

앞으로 우주 태양광 솔루션은 몇 가지 중요한 병목 현상을 극복해야 합니다. 그 중 하나는 생산 비용과 성능 사이의 완벽한 균형을 찾는 것입니다. 비용이 저렴한 레이저 전송 솔루션은 각 위성의 전력이 낮아 눈에 띄는 효과를 내기 위해 다수의 위성이 필요합니다. 반면 비용이 높은 마이크로파 전송 솔루션은 발사 비용이 수백억 달러에 이를 수 있습니다.

혁신적인 레이저 전송 솔루션은 눈부심 및 무기화 가능성 등 안전 관련 문제를 야기할 수 있습니다. 반면 마이크로파 전송 솔루션은 이러한 안전 문제는 없지만, 대형 지상 수신기가 필요해 수 킬로미터 규모의 공간이 요구됩니다.

레이저 전송 위성은 또한 두꺼운 구름이나 비와 같은 대기 불규칙성의 영향을 크게 받습니다. 마이크로파 전송 솔루션은 지구와의 거리 때문에 실제로 수리하기가 거의 불가능합니다.

이 모든 문제는 반드시 해결되어야 합니다. 위성과 지상 수신기의 크기는 에너지 포착 및 전송 능력을 감소시키지 않으면서 크게 축소되어야 합니다.

개발도상국이 이 기술을 테스트하고 시도할 수 있도록 비용은 적정 수준이어야 합니다. 수리 체계도 더욱 활발히 구축되어야 하며, 솔루션은 기상 조건에 독립적인 성능을 보여야 합니다.

전망이 밝은 미래

대형 상장 기업들이 우주 태양광 제품 및 솔루션 제조에 대규모 투자를 진행함에 따라 앞으로의 전망은 밝습니다. 혁신이 활발히 일어나며 시스템은 더욱 효율적이고 최적화될 것입니다.

궁극적으로, 전 세계 우주 태양광 임무를 추진하는 힘은 재생 에너지를 통한 지구 지속 가능성 달성이라는 더 큰 목표입니다.

우주 태양광이 완전한 잠재력에 도달하면, 장거리 전송선 구축 비용 없이도 어느 국가든 동일한 비용으로 전기를 공급할 수 있습니다.

분석가들은 우주 태양광이 향후 20년 동안 250,000개 이상의 영구적인 고부가가치 일자리를 창출할 수 있다고 전망합니다. 실제로는 이보다 더 많은 일자리가 생길 수도 있습니다.

따라서 우주 태양광 솔루션은 기존 2조 달러 규모의 전 세계 전력 시장에서 점점 더 큰 비중을 차지할 것입니다. 적용 범위가 확대됨에 따라 더 많은 솔루션 제공업체가 SSP에 뛰어들게 될 것이며, 이는 오늘날 지구가 직면한 에너지 문제를 해결하는 경제적으로 타당한 방법이 될 것입니다.

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