2025. 4. 20. 오후 9:18:00
하늘에 ‘전력 자판기’ 둥둥…어디든 주문만 하면 전기 쏴준다
출처: 경향 신문 ( 한국 / 한국어 )
우주 태양광 발전
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목차
1. 개요
우주 태양광 발전은 우주에서 태양 에너지를 수집하여 지구로 전송하는 기술이다. 1968년 피터 글레이저 박사가 개념을 처음 제안했으며, 1970년대 석유 파동 이후 미국과 일본을 중심으로 연구가 활발히 진행되었다. 우주 태양광 발전은 대기, 구름 등의 방해 없이 더 많은 태양 에너지를 얻을 수 있으며, 24시간 지속적인 발전이 가능하다는 장점이 있다. 반면, 위성 발사 및 유지 보수 비용, 우주 환경의 문제, 기술적 난제, 에너지 손실, 안전성 문제 등 해결해야 할 과제도 많다. 현재 일본, 미국, 유럽, 중국 등에서 연구가 진행 중이며, 2023년 캘리포니아 공과대학교 연구팀이 소형 우주 태양광 발전 실증기를 발사하여 지구로 송전하는 실험에 성공했다.
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2. 역사
우주 태양광 발전(SBSP)은 우주 공간에서 태양광을 이용해 전기를 생산하고, 이를 마이크로파나 레이저 형태로 지구로 전송하여 사용하는 개념이다.[150] 1941년 아이작 아시모프의 소설 "이성"에서 처음 등장했으며, 1968년 피터 글레이저에 의해 구체화되었다.[12]
글레이저는 1973년 위성에서 지상으로 마이크로파를 이용해 전력을 전송하는 방법에 대한 미국 특허를 받았다.[108] 이 기술은 이후 레크테나로 알려지게 되었다. 1970년대 미국 에너지부와 NASA는 태양광 발전 위성(SPS) 개념을 검토하고 설계 및 타당성 연구를 발표했다.
일본은 1998년부터 우주 태양광 발전 시스템(SSPS) 개발을 시작했으며,[109] 1999년 NASA는 우주 태양광 탐사 연구 및 기술 프로그램(SERT)을 시작했다. 2000년 NASA의 존 맨킨스는 미국 하원에서 대규모 SSP는 매우 복잡한 시스템이며, 많은 기술적 발전이 필요하다고 증언했다.[16]
우주 태양광 발전은 지구 대기권 밖에서 태양광을 이용하므로 날씨나 대기 흡수의 영향을 받지 않아 지상 태양광 발전보다 효율이 높다.[154] 또한, 발전 위성과 송전 위성을 이용하면 야간에도 안정적인 전력 공급이 가능하다.
1968년 피터 글레이저 박사가 처음 제창한 이후,[150] 석유 파동을 계기로 연구가 활발해졌다. 1977년부터 1980년까지 NASA와 미국 에너지부는 발전 성능 500만 kW, 총 중량 약 5만 톤의 초거대 위성을 정지 궤도에 발사하는 계획을 검토했지만, 재정 문제로 동결되었다.
2023년 캘리포니아 공과대학교 연구팀은 소형 우주 태양광 발전 실증기를 발사하여 지구로 송전하는 실험에 성공했다.[163]
2. 1. 초기 개념 및 연구 (1960년대 ~ 1990년대)
1941년, SF 작가 아이작 아시모프는 단편 소설 "이성"에서 우주 정거장이 태양 에너지를 마이크로파 빔을 이용해 여러 행성으로 전송하는 내용을 발표했다.[107] 우주 태양광 발전(SBSP) 개념은 1968년 11월 피터 글레이저에 의해 처음으로 구체화되었으며, 당시에는 위성 태양광 발전 시스템(SSPS)으로 불렸다.[12]1973년, 글레이저는 위성의 대형 안테나(최대 1제곱킬로미터)에서 지상의 레크테나로 마이크로파를 통해 장거리 전력을 전송하는 방법에 대한 미국 특허 번호 3,781,647을 획득했다.[108] 1974년, NASA는 아서 D. 리틀을 포함한 4개 회사와 계약하여 이 개념을 광범위하게 연구했다. 연구 결과, 자재를 궤도에 올리는 비용과 우주 경험 부족 등 주요 문제점이 발견되었지만, 추가 연구 가치가 있는 것으로 판단되었다.[13]
1978년부터 1986년까지 미국 의회는 미국 에너지부(DoE)와 NASA가 공동으로 이 개념을 조사하도록 승인했으며, 위성 전력 시스템 개념 개발 및 평가 프로그램을 조직했다.[14][15] 이 연구는 현재까지 가장 광범위한 연구로, 예산은 5천만 달러였다.[16] 이 프로젝트의 엔지니어링 타당성을 조사하는 여러 보고서가 발표되었으며, 주요 내용은 다음과 같다.
1987년, 캐나다는 고정 고고도 중계 플랫폼 실험을 진행했다. 1995년부터 1997년까지 NASA는 우주 태양광 발전(SSP) 개념과 기술에 대한 "새로운 시각" 연구를 수행했다.[109] 1998년, 일본 우주국은 우주 태양광 발전 시스템(SSPS) 개발을 시작했다. 1999년, NASA는 우주 태양광 탐사 연구 및 기술 프로그램(SERT)을 시작했다.
1990년대에 들어서면서 일본에서의 연구 활동이 활발해지기 시작했다. 구 우주 과학 연구소(현 우주항공연구개발기구)를 중심으로 한 대학 및 국립 연구소의 연구자들이 1만 kW 규모의 발전을 하는 우주 태양광 발전 「SPS2000」의 개념 설계를 진행했고, 기본적인 기술 연구가 진행되었다. 같은 시기에 구 통상산업성 공업 기술원의 뉴선샤인 계획의 일환으로 100만 kW 규모(원자력 발전 1기분)의 발전을 할 수 있는 우주 태양광 발전의 구상 검토를 했다. 1992년에는 MILAX 비행기에 의한 마이크로파 송전 시험이 있었고, 1993년에는 MILAX 시험에서 개발한 기술을 사용하여 우주 공간에서 마이크로파 전력 전달하는 ISY-METS 로켓 시험을 실시했다. 또한, 가볍고 튼튼한 태양 전지 개발이 진행되고 있다.[159]
2. 2. 연구 재개 및 기술 발전 (2000년대 ~ 현재)
1980년 미국 대통령 선거 이후 정권 교체와 함께 중단되었던 우주 태양광 발전(SPS) 프로젝트는 1997년 NASA의 "새로운 시각" 연구를 통해 재개되었다. NASA는 지구 궤도 수송 비용을 낮추는 기술 투자가 우주 태양광 발전에 필수적이라고 주장했다.[35] 반면, NASA의 피트 워든은 우주 기반 태양광 발전이 애리조나 사막의 태양광 발전보다 약 5배 더 비싸다고 지적했다.[36]1999년, NASA는 우주 태양광 발전 탐구 연구 및 기술 프로그램(SERT)을 시작했다. SERT는 기가와트급 우주 전력 시스템을 위한 태양광 발전 위성(SPS) 개념을 개발하고, 팽창식 태양 전지를 활용한 햇빛의 전기 변환 방식을 제안했다. SERT는 태양 동기 궤도와 정지 궤도 시스템을 모두 고려했으며, 증가하는 세계 에너지 수요와 환경 문제에 대한 해결책으로 우주 태양광 발전을 제시했다.[38] SERT는 SPS가 경제적으로 실현 가능하려면 발사 비용이 저궤도에서 정지 궤도까지 킬로그램당 100~200달러 범위여야 한다고 결론지었다.[16]
2000년대 이후, 여러 국가 및 기관에서 우주 태양광 발전에 대한 연구 개발을 진행해왔다. 주요 내용은 다음과 같다.
| 연도 | 국가/기관 | 내용 |
|---|---|---|
| 2001년 | NASDA(JAXA의 전신) | 10kW 및 1MW급 실험 위성 발사 계획 발표[110][111] |
| 2003년 | 유럽 우주국(ESA) | 연구 진행[112] |
| 2007년 | 미국 국방부 국가 안보 우주국(NSSO) | 10년 내 10MW급 시범 발전소 가동 계획 발표[114] |
| 2007년 | 매사추세츠 공과대학교(MIT) | 우주 태양광 발전 워크숍 개최[115] |
| 2010년 | 전기 전자 기술자 협회(IEEE) | 태양광 전송 관련 특별 세션 발표[116] |
| 2010년 | 인도 우주 연구 기구(ISRO), 미국 국가 우주 협회 | 우주 기반 태양광 집열기 협력 강화[117] |
| 2010년 | 미국 공군 | 우주 기반 태양광 발전 관련 연구 발표[118] |
| 2012년 | 중국 | 인도와 태양광 발전 위성 공동 개발 제안[37][119] |
| 2014년 | IEEE 스펙트럼 매거진 | 사사키 스스무, "우주에서는 항상 햇볕이 쨍쨍하다" 기사 게재[39] |
| 2015년 | 캘리포니아 공과대학교(Caltech), 노스롭 그러먼 | 우주 태양광 발전 이니셔티브(SSPI) 설립, 3년간 1750만달러 지원 |
| 2015년 | JAXA | 1.8kW 전력 50m 무선 전송 성공[40][41] |
| 미쓰비시 중공업 | 10kW 전력 500m 전송 시연[42] | |
| 2016년 | 중국 | 지구-달 우주 활용 산업 발전 계획 발표[120] |
| 2016년 | 미국 해군 연구소(NRL) 외 | 우주 태양광 발전 선도 제안[121] |
| 2016년 | [https://c-sbsp.org/ 우주 기반 태양광 발전을 위한 시민] | 우주 기반 에너지 전환 청원 시작 |
| 2016년 | [https://www.internationalelectric.com/ SICA Design의 이안 캐시(Ian Cash)] | CASSIOPeiA SPS 개념 제안 |
| 2017년 | NASA | 우주 투자 관련 연구 제안 선정 |
| 2019년 | 규슈 대학 | 저궤도 위성 간 전력 전송 시스템 E-Orbit 제안[122][123] |
| 2019년 | 중국 | SBSP 테스트 기지 건설 및 2035년까지 메가와트급 SBSP 스테이션 발사 계획 발표 |
| 2020년 | 미국 해군 연구소 | 시험 위성 발사[124] |
| 2020년 | 미국 공군 | 우주 태양광 발전 증분 시연 및 연구 프로젝트(SSPIDR) ARACHNE 시험 위성 발사 계획 (2024년 예정)[125][126] |
| 2021년 | 캘리포니아 공과대학교(Caltech) | 2023년까지 SBSP 시험 배열 발사 계획 발표 |
| 2022년 | 영국 우주 에너지 이니셔티브 | 2040년대 중반 최초 우주 발전소 발사 계획 발표[127] |
| 2022년 | 유럽 우주국 | SOLARIS 프로그램 제안[128] |
| 2023년 | Caltech | 우주 태양광 발전 시연기(SSPD-1) 지구로 전력 전송 성공[11] |
태양광 발전은 태양광이 지표면에 닿기까지 대기의 흡수 등에 의해 감쇠되고, 날씨에 따라 발전량이 일정하지 않다는 단점이 있다. 그러나 우주 태양광 발전은 이러한 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 우주 공간에서 태양광을 대기권 밖에서 대기 투과율이 높은 파장의 전자기파로 변환한 후, 지상으로 전달하면 손실이 적고 효율이 높으며, 발전량 또한 안정적이다.
2000년대 이후 우주 태양광 발전 기술은 꾸준히 발전해왔으며, 각국은 경쟁적으로 연구 개발에 힘쓰고 있다. 특히, JAXA는 2015년에 1.8kW의 전력을 50m 떨어진 곳에 무선으로 전송하는 데 성공하며 기술적 진보를 이루었다.[40][41]
3. 디자인
우주 태양광 발전은 크게 세 가지 요소로 구성된다.
우주 태양광 발전의 변환 방법으로는 광발전(Photovoltaic)과 태양열 발전(Solar Thermal) 두 가지가 주로 연구되고 있다. 광발전은 반도체 셀을 이용하여 빛 에너지를 직접 전기로 변환하는 방식이고, 태양열 발전은 거울을 사용하여 빛을 모아 열에너지로 변환하는 방식이다. 현재까지는 광발전 방식이 주로 연구되고 있다.
1978년부터 1986년까지 미국 의회는 에너지부(DoE)와 NASA에 우주 태양광 발전 개념을 공동으로 조사하도록 승인했다. 이 연구는 현재까지 수행된 가장 광범위한 연구로, 5천만 달러의 예산이 투입되었다.[16] 이 연구에서는 자원 요구 사항,[17] 재정 및 관리 시나리오,[18][19] 대중 수용,[20] 관련 규정,[21] 학생 참여,[22] 레이저 전송,[23] 국제 협정,[24][25] 중앙 집중화 및 분산화,[26] 정류 안테나 부지,[27] 경제 및 인구 문제,[28] 질의응답,[29] 기상 효과,[30] 대중 홍보,[31] 전송 기술,[32] 우주 운송[33]등이 조사되었다.
1999년, NASA는 우주 태양광 발전 탐구 연구 및 기술 프로그램(SERT)을 시작했다. SERT는 기가와트급 우주 전력 시스템을 위한 태양광 발전 위성(SPS) 개념을 개발하고, 태양 에너지를 전기로 변환하여 지구 표면으로 전송하는 기술 경로를 제공했다. SERT는 팽창식 태양 전지 구조에 집광 렌즈나 태양열 열기관을 사용하는 방식을 제안했으며, 태양 동기 궤도와 정지 궤도 시스템을 모두 고려했다.
SERT의 주요 결론은 다음과 같다.
일반적인 우주 태양광 발전 시스템은 다음과 같은 특징을 갖는다.
하지만 이러한 일반적인 시스템 외에도 다양한 설계 변형이 존재한다. 예를 들어, 에너지 수집 위치를 지구-달 L1 지점,[129] 달 표면,[130] 중간 지구 궤도(MEO),[131] 고타원 궤도,[132] 태양 동기 LEO,[133] 적도 LEO,[133] 지구 표면[134] 등으로 다양화하는 방안이 제안되었다. 에너지 수집 방식 또한 태양열,[135] 태양 펌프 레이저, 융합 감쇠, 태양풍 루프, 직접 거울 등 다양한 방식이 연구되고 있다. 위성 아키텍처, 전송 방식, 재료 및 제조 방식, 설치 방법 등에서도 다양한 변형이 시도되고 있다.
3. 1. 구성 요소
우주 태양광 발전(SBSP)은 기본적으로 다음 세 가지 요소로 구성된다.[2]
# 우주에서 태양 에너지를 모으는 장치: 반사경이나 팽창식 거울을 사용하여 태양 전지로 보내거나, 열 시스템용 히터로 보낸다.
# 무선 전력 전송을 통해 마이크로파나 레이저를 이용하여 지구로 에너지를 전송한다.
# 렉테나라고 불리는 마이크로파 안테나를 통해 지구에서 전력을 수신한다.
우주에 설치되는 부분은 중력의 영향을 크게 받지 않기 때문에 자체 무게를 지탱할 필요가 없다. 또한 지상의 날씨 변화에 영향을 받지 않지만, 미세 유성이나 태양 플레어와 같은 우주 환경의 위험 요소에 대비해야 한다.
태양 에너지를 전기로 바꾸는 방법에는 크게 광전지 (PV) 방식과 태양 역학 (SD) 방식 두 가지가 연구되고 있다. 광전지 방식은 햇빛을 직접 전기로 변환하는 태양 전지를 사용하며, 태양 역학 방식은 거울을 이용해 보일러에 빛을 모아 열을 이용한다. SBSP에 대한 대부분의 연구는 광전지 방식에 집중되어 왔다.
무선 전력 전송은 다양한 주파수의 마이크로파나 레이저를 사용하여 에너지를 지구 표면으로 보내는 방식으로 연구되었다. 지상의 렉테나는 다이오드를 통해 연결된 여러 개의 짧은 다이폴 안테나로 구성된다. 위성에서 보내는 마이크로파는 다이폴 안테나에서 약 85%의 효율로 수신된다.[76] 기존의 마이크로파 안테나를 사용하면 효율은 더 높지만, 비용과 복잡성이 크게 증가한다. 렉테나는 수 킬로미터에 걸쳐 설치될 것이다.
3. 2. 전력 전송 방식
우주 태양광 발전에서 전력을 지구로 전송하는 방식은 크게 마이크로파 방식과 레이저 방식으로 나뉜다.[150][151]
마이크로파 방식
레이저 방식
두 방식 모두 장단점이 있으며, 현재까지는 마이크로파 방식이 더 많이 연구되고 실증되었다. 그러나 레이저 방식도 잠재력이 크기 때문에 지속적인 연구가 이루어지고 있다.
3. 3. 궤도 위치
우주 발전소를 정지 궤도에 배치하면 안테나 구조가 기하학적으로 변하지 않아 정렬이 간단해지는 주요 이점이 있다. 또한, 첫 번째 우주 발전소가 정지 궤도에 안착한 후에는 거의 지속적으로 에너지를 전송할 수 있다. 다른 궤도의 우주 발전소들은 지속적인 에너지를 생산하기 위해 더 긴 시간이 소요된다. 이러한 이유로, 저궤도에 위치한 여러 우주 발전소들은 정지 궤도 우주 발전소의 견본 모델로 소개되기도 한다.[176]
지구 정지 궤도에서 마이크로파를 이용해 전력을 전송하는 것은 필요한 '광학 조리개' 크기가 매우 크다는 어려움이 있다. 예를 들어, 1978년 NASA SPS 연구에서는 2.45GHz 마이크로파 빔을 위해 직경 1km의 송신 안테나와 직경 10km의 수신 렉테나가 필요했다. 더 짧은 파장을 사용하면 이러한 크기를 다소 줄일 수 있지만, 물 흡수로 인한 대기 흡수 증가와 비 또는 물방울에 의한 잠재적인 빔 차단 문제가 발생한다. 희소 배열 저주 때문에 여러 개의 작은 위성의 빔을 결합하여 더 좁은 빔을 만들 수는 없다. 송수신 안테나의 큰 크기는 SPS의 최소 실용 전력 수준이 필연적으로 높을 것임을 의미하며, 작은 SPS 시스템은 가능하지만 비경제적일 것이다.
저궤도(LEO, 저궤도) 우주 발전소 집합은 지구 정지 궤도(GEO, 지구 정지 궤도) 우주 기반 태양광 발전에 대한 전조로 제안되기도 했다.
4. 장점
우주 태양광 발전(SBSP)은 지구에서 태양 에너지를 모으는 것보다 많은 이점을 제공한다.
- 우주 공간은 정오와 같은 상태이며 항상 태양이 떠 있다.
- 인공위성은 대기 가스, 구름, 먼지 및 기타 기상 현상과 같은 햇빛을 차단하는 장애물이 없어 훨씬 더 강렬한 햇빛을 받을 수 있다. 궤도에서의 태양 빛의 강도는 지구 표면에서 얻을 수 있는 최대 강도의 약 144%이다.
- 위성은 궤도를 도는 시간의 99% 이상 동안 빛을 받을 수 있으며, 춘분과 추분 시 지역 자정 무렵에 최대 72분 동안만 지구의 그림자에 가려진다. 궤도 위성은 일반적으로 하루 24시간 지속적으로 높은 수준의 태양 방사선에 노출될 수 있지만, 지구 표면의 태양광 패널은 현재 하루 평균 29%의 전력만 수집한다.
- 수집된 에너지는 그 에너지를 가장 필요로 하는 지역으로 비교적 빠르게 전송될 수 있다. 수집 위성은 지리적 기저 부하 또는 피크 부하 전력 요구 사항에 따라 필요에 따라 다른 표면 위치로 전력을 보낼 수 있다.
- 식물 및 야생 동물의 간섭이 줄어든다.
- SBSP는 석유, 가스, 에탄올 및 석탄 발전소와 달리 온실 가스를 배출하지 않는다. 또한 우주 기반 태양광 발전은 석탄 및 원자력 발전소와 달리 희소한 담수 자원에 의존하거나 경쟁하지 않는다.
- SBSP는 태양광 패널보다 40배 더 많은 전력을 생성하며, 환경에 유해 폐기물을 거의 0%로 가져온다. 또한 연중 99%인 하루 24시간 지속적으로 전기를 생성할 수 있다.
- 우주 기반 태양광 발전에서 제공되는 청정 에너지가 국가 에너지 소비의 5%만 차지하더라도 탄소 발자국이 크게 줄어들 것이다.
- 정지 궤도의 경우, 지구의 그림자에 들어가는 것은 춘분과 추분 즈음의 심야뿐으로 매우 짧아, 거의 1년 내내 24시간 발전이 가능하다. 지상의 태양광 패널보다 안정적인 에너지 공급이 가능하다.
- 환경 오염을 일으키지 않는다.
- 자원 고갈의 걱정이 없는 재생 가능 에너지이다.
- 우주에서 사용하기 위해 주야간의 온도차를 흡수할 수 있는 낮은 선팽창률의 발전 재료 제작이 가능해졌다.
- 지상 태양광 발전에 비해 설비당 발전량이 많다.
5. 단점
우주 태양광 발전(SBSP)은 여러 문제점을 안고 있다.
- 높은 비용: 인공위성을 우주로 발사하는 데 막대한 비용이 든다. 6.5kg/kW의 경우, 전력 위성을 정지 궤도(GEO)에 배치하는 비용은 전력 비용이 경쟁력을 갖추려면 kg당 200달러를 넘을 수 없다.[35] 1980년 미국 대통령 선거 이후 정권 교체와 함께 프로젝트가 중단되었고, 기술평가국은 "SPS의 기술적, 경제적, 환경적 측면에 대해 현재 알려진 바가 너무 적어 개발 및 배치를 진행할지 여부에 대한 건전한 결정을 내릴 수 없다. 또한 추가 연구가 없이는 SPS 시연 또는 시스템 엔지니어링 검증 프로그램은 위험이 큰 사업이 될 것이다."라고 결론지었다.[34] NASA의 피트 워든은 우주 기반 태양광 발전이 애리조나 사막의 태양광 발전보다 약 5배 더 비싸며, 주요 비용은 궤도로의 자재 운송이라고 주장했다.[36] 지상의 수신 기지국의 큰 크기와 그에 따른 비용도 문제이다. SBSP 연구원 키스 헨슨은 5GW에 대한 비용을 10억달러로 추산했다.
- 우주 환경의 문제: 우주 쓰레기는 우주를 돌아다니는 거대한 물체에게 핵심적인 위험 요소이며, SBSP 시스템과 같은 큰 구조물은 궤도를 도는 쓰레기가 될 가능성이 있는 재료로 언급되어 왔다. 특히 2000km 아래의 쓰레기를 통과하는 SBSP 시스템에 큰 위험이다. 1978년에 천체 물리학자 도널드 J. 케슬러는 LEO에서 SPS 모듈을 조립하는 동안 자체 전파 충돌 연쇄를 경고했는데, 이는 현재 케슬러 신드롬으로 알려져 있다. GEO에서는 모든 위성이 거의 같은 속도로 같은 방향으로 움직이기 때문에 충돌 위험이 훨씬 줄어든다. 우주 환경은 적대적이어서 PV 패널(사용하는 경우)은 지구에서보다 약 8배 더 열화된다(자기권에 의해 보호되는 궤도를 제외하고).
- 기술적 어려움: 마이크로파 광학은 에어리 원반 빔 확산을 보상하기 위해 기가와트 규모가 필요하다. 일반적으로 2.45GHz로 전송하는 정지 궤도의 1km 원반은 지구 거리에서 10km까지 퍼진다. 작은 빔 각도 내에서 전력 전송을 제한할 수 없다. 예를 들어, 정지 궤도 고도에서 1km 수신 안테나 목표 내에 머물려면 0.002도(7.2초)의 빔이 필요하다. 2019년 현재 가장 진보된 방향성 무선 전력 전송 시스템은 최소 0.9각도 범위에서 반전력 빔 폭을 확산한다. 마이크로파 다운링크의 방송 주파수(사용하는 경우)는 SBSP 시스템을 다른 위성으로부터 격리해야 한다. GEO 공간은 이미 잘 사용되고 있으며 국제 전기 통신 연합(ITU-R)과 조율해야 한다.
- 유지 보수의 어려움: 지상 태양광 패널의 유지 보수는 비교적 간단하지만, 우주 태양광 패널의 건설 및 유지 보수는 일반적으로 원격 조작 방식으로 수행된다. 비용 외에도 GEO에서 작업하는 우주 비행사는 용납할 수 없을 정도로 높은 방사선 위험에 노출되며, 원격 조작 방식으로 수행하는 것보다 약 1,000배 더 많은 위험과 비용이 발생한다.
- 에너지 손실: 광자에서 전자, 다시 광자로 변환되는 여러 단계에서 에너지 손실이 발생한다.
- 폐열 처리 문제: 폐열 처리는 우주 전력 시스템에서 처음부터 어렵지만, 우주선 전체가 가능한 한 많은 태양 복사를 흡수하도록 설계되면 해결하기 어려워진다. 우주선 열 제어 시스템과 같은 전통적인 복사 베인은 태양광 패널 폐쇄 또는 전력 송신기에 간섭을 일으킬 수 있다.
- 폐기 비용: 궤도 우주 쓰레기 문제를 악화시키는 것을 방지하기 위해 수명이 다한 위성을 탈궤시키는 비용은 소행성, 혜성 및 행성 쓰레기와의 충돌로 인해 상당할 것으로 보인다. 델타-V를 가하는 미래 비용을 추정하기는 어렵지만, 위성을 GEO에서 GTO로 전송해야 하는 델타-V의 양은 1472m/s2이다. 재진입 시 분해되는 위성이 지구 대기 중으로 유해 화학 물질을 방출하는 경우, 다운매스 기능을 갖춘 우주선 내에서 위성을 분해하고 환경적으로 유해한 구성 요소를 탈궤시키는 추가 비용을 폐기 비용에 포함해야 한다.
- 통제 문제: 이러한 시스템은 우주에 위치하기 때문에 당연히 직접 제어할 수 없다. 연구자들은 이러한 시스템을 자율적으로 유지 관리할 수 있는 방법을 만들어야 하며, 이는 일부 기술적 문제를 야기할 수 있다.
- 기타 문제:
- 초기 투자가 매우 고액이다.
- 태양 전지를 사용하는 경우 면적이 거대해져 우주 먼지 등에 대한 대처가 어렵다.
- 주파수에 따라 누설 전파, 고조파에 의해 위성 및 기타 무선 통신에 악영향(전파 장애)이 발생한다.
- 수신 설비 이외의 지점에 에너지를 조사(照射)함으로써 군사 전용이나 "오사(誤射)"의 위험이 따른다.
- 위성 궤도상에 설치한 경우, 태양 복사압의 영향이 커서 빈번한 궤도 수정이 필요하다. 정기적으로 추진제를 보충해야 하며, 비용이 발생한다.
- 레이저 전송의 경우, 수신 설비의 날씨에 영향을 받는다.
- 전파로 장거리를 전송하는 기술이 필요하다.
- 연구에 따르면 인구 증가가 혼잡을 증가시키고 궁극적으로 궤도 파편 조각을 유발할 수 있다는 것이 밝혀졌으며, 이는 중국이 위성을 가지고 수행한 테스트에서 결론이 났다.
6. 안전성
우주 태양광 발전 시스템에서 극초단파를 이용한 에너지 전송 방식은 안전성 측면에서 논란이 되고 있다. 정류안테나 중심부의 극초단파 세기는 23mW/cm2로, 이는 일반적인 태양 복사량의 약 1/4 수준이다.[177] 정류안테나 외곽의 세기는 1mW/cm2이다.[177] 미국의 직업안전보건법(OSHA)상 극초단파 노출 허용치는 10mW/cm2이므로,[178] 정류안테나 중심부의 세기는 안전 기준 범위 내에 있으며, 장시간 노출되어도 문제가 없는 수준으로 간주된다. 또한, 정류안테나 외곽의 세기는 노출 허용치에 비해 매우 낮다.[178]
우주 발전소에서 전송되는 에너지의 95% 이상은 정류안테나로 전달되며, 5% 미만의 극초단파 에너지만이 대기 중으로 흩어지기 때문에 도시나 인간 활동에 미치는 영향은 미미하다.[179] 또한, 전송되는 극초단파 세기는 야생동물이나 조류에게 해를 입히지 않도록 제한되어 있으며,[180] 극초단파 조사(irradiation) 실험에서도 부정적인 결과는 나타나지 않았다.[180] 정류안테나를 해안에 설치하는 방안도 제안되었으나, 부식, 기계적 응력, 생태계 오염 등의 문제가 발생할 수 있다.[181]
우주 태양광 발전 시스템(SBSP)은 다음과 같은 안전성 및 기술적 문제점을 안고 있다.
- 막대한 발사 비용: 전력 위성을 정지 궤도 (GEO)에 배치하는 데 드는 비용이 매우 크다.
- 마이크로파 빔 확산: 에어리 원반 빔 확산으로 인해 기가와트급 규모가 필요하며, 빔 각도 제어가 어렵다.
- 접근 불가: 우주 태양광 패널의 건설 및 유지 보수는 원격 조작 방식으로 수행되어야 하며, 이로 인해 높은 방사선 위험과 비용이 발생한다.
- 우주 환경의 위험: 우주 쓰레기와의 충돌, 케슬러 신드롬 발생 가능성, 태양 복사로 인한 패널 열화 등의 문제가 있다.
- 주파수 간섭: 마이크로파 다운링크의 방송 주파수가 다른 위성과의 통신에 영향을 줄 수 있으며, 국제 전기 통신 연합(ITU-R)과의 조율이 필요하다.
- 지상 수신 기지국: 대규모 수신 기지국 건설에 따른 비용 문제가 있다.
- 에너지 손실: 광자-전자-광자 변환 과정에서 에너지 손실이 발생한다.
- 폐열 처리: 우주선의 폐열 처리가 어렵다.
- 폐기 비용: 수명이 다한 위성을 궤도에서 제거하는 데 상당한 비용이 소요된다.
- 자율 유지 관리의 어려움: 시스템을 자율적으로 유지 관리하는 기술 개발이 필요하다.
- 궤도 파편: 인구 증가로 인한 궤도 혼잡 및 파편 발생 가능성이 있다.
- 고출력 마이크로파 노출: 지상에서 인간과 동물이 고출력 마이크로파 빔에 노출될 가능성은 중요한 문제이다. 제안된 SPSP 마이크로파 빔은 중심에서 최대 23mW/cm2의 강도를 가지는데,[99] 이는 햇빛의 1/4 미만이지만, 미국의 직장 내 마이크로파 노출 제한인 10mW/cm2을 초과한다.[100]
- 군사적 이용 가능성: 시스템의 군사적 이중 용도 잠재력이 존재한다.
이러한 문제에도 불구하고, 빔 노출을 최소화하기 위한 다양한 방안이 연구되고 있다. 예를 들어, 지상에서 빔이 정확하게 조준되었다고 가정하면 물리적 접근을 제어하고, 빔을 통과하는 항공기에는 페러데이 케이지와 같은 보호 장치를 제공할 수 있다. 또한, 통제된 공역을 설정하여 노출을 피할 수 있다.
안전한 빔 타겟팅을 위해 후진 지향 위상 배열 안테나/정류 안테나를 사용하는 방식이 제안된다. 이 방식은 정류 안테나 중심에서 방출되는 "파일럿" 마이크로파 빔을 이용하여 전송 안테나의 위상을 제어하는 방식이다. 파일럿 빔이 손실되면 마이크로파 전력 빔이 자동으로 초점을 잃게 되어 안전성을 확보할 수 있다.[106] 그러나 마이크로파 형태의 이온층을 통해 전력을 빔으로 전달하는 것의 장기적인 영향은 아직 연구되지 않았다.
7. 각국의 현황
일본, 미국, 중국, 유럽 등 여러 국가에서 우주 태양광 발전(SBSP)에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.
- '''일본:''' 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)를 중심으로 1990년대부터 연구가 활발하게 진행되었다. 마이크로파 및 레이저 송전 기술 개발, 경제산업성과의 협력 등 다양한 노력을 통해 2030년대 상용화를 목표로 하고 있다. 특히, 미쓰비시 중공업은 2015년에 10kW의 전력을 500m 떨어진 곳으로 무선 전송하는 데 성공했다.[42]
- '''미국:''' 1968년 피터 글레이저가 SBSP 개념을 처음 제안한 이후, 미국 항공 우주국(NASA)을 중심으로 연구가 진행되었다. 1970년대 대규모 연구가 진행되었으나, 1980년 미국 대통령 선거 이후 중단되었다가 1997년 "새로운 시각" 연구를 통해 재개되었다. 1999년에는 우주 태양광 발전 탐구 연구 및 기술 프로그램(SERT)을 시작하여 다양한 기술적 가능성을 탐색했다. 2007년 미국 국방부는 우주 태양광 발전소 개발 계획안을 발표했으며, 2020년에는 미국 해군 연구소(NRL)의 실험 장치를 탑재한 무인 우주기 X-37B를 발사했다.
- '''유럽:''' 유럽 우주국(ESA)을 중심으로 우주 에너지 이용 관련 연구가 진행되고 있다. 2003년에는 2년 3단계의 종합 연구 프로그램이 채택되었다.[174]
- '''중국:''' 2012년 인도와의 협력을 제안하며 SBSP 연구에 적극적으로 참여하고 있다. 2018년 기준으로 10년 이상의 연구 실적을 보유하며, 일본과 함께 이 분야의 선두 주자로 평가받는다.[154] 2019년에는 SBSP 테스트 기지를 만들고, 2035년까지 작동하는 메가와트급 200톤 SBSP 스테이션을 발사할 계획을 발표했다.
7. 1. 일본
일본 우주항공연구개발기구(JAXA)는 2020년까지 10~100㎿급, 2030년까지 1GW(1GW=1000㎿)급 태양광발전위성을 우주에 올리겠다고 밝혔다. 태양광 1GW는 원자력발전소 1기와 맞먹는 발전용량이다.[175]1941년, SF 작가 아이작 아시모프는 단편 소설 "이성"에서 우주 정거장이 태양에서 수집한 에너지를 전파 빔을 사용하여 다양한 행성으로 전송하는 내용을 발표했다.
JAXA는 2015년 3월 12일, 전력을 마이크로파로 변환한 다음 다시 전력으로 변환하여 1.8kW의 전력을 50m 떨어진 소형 수신기로 무선 전송했다고 발표했다. 이는 이 유형의 전력에 대한 표준 계획이다.[40][41] 같은 날 미쓰비시 중공업은 10kW의 전력을 500m 떨어진 수신 장치로 전송하는 것을 시연했다.[42]
우주 태양광 발전(SBSP)은 우주 공간에 태양 전지를 갖춘 인공위성을 배치하여 태양광 발전을 하고 전력을 얻어, 그 에너지를 전선 없이 지구로 보내 지구에서 전력을 사용하려는 개념이다.[150] 전송 수단으로는 마이크로파(전파)나 레이저 광선(광)을 사용하는 방식 등이 있다.[150][151]
일본은 자국에서 산출하는 에너지가 부족하여 1990년대부터 관련 연구가 활발해졌으며, 마이크로파 송전, 빔 송전 등 필요한 기초 기술이 개발되고 있다. 현재는 발전한 에너지를 지상으로 보내는 것이 원리적으로 불가능하지 않다.[155]
2007년 JAXA가 연구를 위탁했던 레이저 기술 종합 연구소, 오사카 대학 레이저 에너지학 연구 센터는 태양광을 레이저로 효율적으로 변환하는 기술 개발에 성공했다. 개발된 가미시마 화학 공업제 세라믹 증폭기의 레이저 변환 효율은 42%였다.[165][166]
2009년 경제산업성과 JAXA는 마이크로파 장거리 송전 기술 개발·실험에 착수한다고 발표했다. 정부는 새로운 에너지원으로 2030년 상용화를 목표로 하고 있다.[167]
2011년 1월, 미쓰비시 전기, 교토 대학, JAXA 등은 전력을 마이크로파로 변환하는 기술의 공동 실증 실험을 그 해 봄부터 시작한다고 발표했다. 우주 공간과 비슷한 조건에서 마이크로파를 약 10m 전송시켜 전송 효율과 조건 등을 연구하는 방식으로, 2025년 이후 우주 태양광 발전 실용화에 한 걸음 다가설 수 있을 것으로 기대된다.[170]
우주 시스템 개발 이용 추진 기구는 경제산업성 산하에서 1993년부터 SSPS 실현을 위한 활동을 시작했다. 현재 2007년에 제정된 로드맵에 따라 2050년 실용 SSPS 실현을 목표로 개발을 진행하고 있다.
7. 2. 미국
1941년, SF 작가 아이작 아시모프는 단편 소설 "이성"에서 우주 정거장이 태양에서 수집한 에너지를 전파 빔을 사용하여 다양한 행성으로 전송하는 내용을 다루었다. 위성 태양광 발전(SBSP) 개념은 원래 위성 태양광 발전 시스템(SSPS)으로 알려졌으며, 1968년 11월에 처음 설명되었다.[12] 1973년 피터 글레이저는 위성에서 매우 큰 안테나(최대 1제곱킬로미터)를 사용하여 지상에 있는 훨씬 더 큰 안테나(현재는 레크테나로 알려짐)로 마이크로파를 통해 장거리(예: SPS에서 지구 표면까지)로 전력을 전송하는 방법에 대한 미국 특허 번호 3,781,647을 받았다.[108]글레이저는 당시 아서 D. 리틀의 부사장이었다. NASA는 1974년에 다른 4개의 회사를 이끌고 더 광범위한 연구를 수행하기 위해 ADL과 계약을 체결했다. 이들은 이 개념에 몇 가지 주요 문제점, 즉 필요한 자재를 궤도에 올리는 비용과 이 규모의 프로젝트에 대한 우주에서의 경험 부족이 있지만, 추가 조사와 연구를 진행할 가치가 있을 만큼 충분한 가능성을 보여준다는 것을 발견했다.[13]
1978년부터 1986년까지 의회는 에너지부(DoE)와 NASA가 이 개념을 공동으로 조사하도록 승인했다. 그들은 위성 전력 시스템 개념 개발 및 평가 프로그램을 조직했다.[14][15] 이 연구는 현재까지 수행된 가장 광범위한 연구로 남아있으며, 예산은 5000만달러였다.[16] 이 프로젝트의 엔지니어링 타당성을 조사하는 여러 보고서가 발표되었다. 주요 내용은 다음과 같다.
- 자원 요구 사항 (주요 재료, 에너지 및 토지)[17]
- 재정/관리 시나리오[18][19]
- 대중 수용[20]
- 위성 전력 시스템 마이크로파 수신 안테나 시설에 적용되는 주 및 지역 규정[21]
- 학생 참여[22]
- SBSP 전력 전송을 위한 레이저의 잠재력[23]
- 국제 협정[24][25]
- 중앙 집중화/분산화[26]
- 정류 안테나 부지 제외 구역 매핑[27]
- 배치와 관련된 경제적 및 인구 통계적 문제[28]
- 몇 가지 질문과 답변[29]
- 레이저 빔 전파 및 직접 태양 펌핑 레이저에 대한 기상 효과[30]
- 대중 홍보 실험[31]
- 전력 전송 및 수신 기술 요약 및 평가[32]
- 우주 운송[33]
이 프로젝트는 1980년 미국 대통령 선거 이후 정권 교체와 함께 중단되었다. 기술평가국은 "SPS의 기술적, 경제적, 환경적 측면에 대해 현재 알려진 바가 너무 적어 개발 및 배치를 진행할지 여부에 대한 건전한 결정을 내릴 수 없다. 또한 추가 연구가 없이는 SPS 시연 또는 시스템 엔지니어링 검증 프로그램은 위험이 큰 사업이 될 것이다."라고 결론지었다.[34]
1997년, NASA는 SBSP의 실행 가능성에 대한 현대적인 상태를 조사하기 위해 "새로운 시각" 연구를 수행했다. DOE 연구 이후 "무엇이 변경되었는가"를 평가하면서 NASA는 "미국 국가 우주 정책은 이제 NASA가 지구 궤도(ETO) 수송 비용을 극적으로 낮추기 위해 (특정 발사체가 아닌) 기술에 상당한 투자를 하도록 요구한다. 이는 물론 우주 태양광 발전에 절대적으로 필요한 사항이다."라고 주장했다.[35]
반대로, NASA의 피트 워든은 우주 기반 태양광 발전이 애리조나 사막의 태양광 발전보다 약 5배 더 비싸며, 주요 비용은 궤도로의 자재 운송이라고 주장했다. 워든은 가능한 해결책을 추측에 가깝고 적어도 수십 년 후에나 가능하다고 언급했다.[36]
1999년, NASA는 다음과 같은 목적으로 우주 태양광 발전 탐구 연구 및 기술 프로그램(Space Solar Power Exploratory Research and Technology program, SERT)을 시작했다.
- 선택된 비행 시연 개념의 설계 연구 수행.
- 일반적인 타당성, 설계 및 요구 사항에 대한 연구 평가.
- 미래의 우주 또는 지상 응용 분야에 도움이 되는 첨단 SSP 기술을 활용하는 서브 시스템의 개념 설계 제작.
- 공격적인 기술 이니셔티브를 수행하기 위한 미국의 예비 실행 계획 수립 (국제 파트너와 협력).
- 중요한 우주 태양광 발전 (SSP) 요소에 대한 기술 개발 및 시연 로드맵 구축.
SERT는 미래의 기가와트 우주 전력 시스템을 위한 태양광 발전 위성 (SPS) 개념을 개발하여, 태양 에너지를 전기로 변환하여 지구 표면으로 전송함으로써 전력을 공급하고, 현재 기술을 활용하는 개념 개발 경로를 제공했다. SERT는 팽창식 태양 전지 거미줄 구조에 집광 렌즈 또는 태양열 열기관을 사용하여 햇빛을 전기로 변환하는 방식을 제안했다. 이 프로그램은 태양 동기 궤도와 정지 궤도의 시스템을 모두 고려했다. SERT의 결론 중 일부는 다음과 같다.
- 증가하는 세계 에너지 수요는 수십 년 동안 계속될 가능성이 높으며, 모든 크기의 새로운 발전소가 건설될 것이다.
- 이러한 발전소의 환경적 영향과 세계 에너지 공급 및 지정학적 관계에 미치는 영향은 문제가 될 수 있다.
- 재생 에너지는 철학적으로나 공학적으로나 설득력 있는 접근 방식이다.
- 많은 재생 에너지원은 고유한 토지 및 물 요구 사항으로 인해 세계 산업 발전과 번영에 필요한 기본 부하 전력을 저렴하게 제공하는 데 한계가 있다.
- 개념 정의 연구에 따르면, 우주 태양광 발전 개념이 논의에 다시 들어갈 준비가 되었을 수 있다.
- 태양광 발전 위성은 생산적인 발전소 배치를 시작하기 전에 상상할 수 없을 정도로 큰 초기 고정 인프라 투자를 필요로 하는 것으로 더 이상 간주되어서는 안 된다.
- 우주 태양광 발전 시스템은 대체 접근 방식과 비교하여 많은 중요한 환경적 이점을 갖는 것으로 보인다.
- 우주 태양광 발전 시스템의 경제성은 많은 요인과 다양한 신기술의 성공적인 개발에 달려 있다 (가장 중요한 것은 사용 가능한 것보다 훨씬 저렴한 우주 접근성의 가용성). 그러나 다른 많은 첨단 전력 기술 옵션에 대해서도 마찬가지이다.
- 우주 태양광 발전은 21세기의 에너지 수요를 충족하기 위한 옵션 중에서 진지한 후보로 부상할 수 있다.[38]
- SPS가 경제적으로 실행 가능하려면 발사 비용이 저궤도에서 정지 궤도까지 킬로그램당 100~200달러 범위여야 한다.[16]
미국 국방부는 2007년 10월 10일, 우주 태양광 발전소 개발 계획안(Phase 0 Architecture Feasibility Study)을 공표했다.[164]
SolarEn사는 우주 태양광 발전용 인공위성으로부터의 전자기 빔 조사를 통해 열대 저기압의 소용돌이 온도를 높여 세력을 약화시키는 기술에 대한 특허를 신청하고 있다.
2020년 5월 17일, 미국 해군 연구소(NRL)가 개발한, 태양광으로 발전한 전기를 고주파 마이크로파로 변환하여 지구로 송전하는 실험 장치를 탑재한 미국 공군의 무인 우주기 X-37B가 미국 우주군에 의해 발사되었다.
캘리포니아 공과대학에서 건조된 Space Solar Power Demonstrator One (SSPD-1)은 SpaceX사 팰컨 9에 포함되어 있으며, 32종류의 태양 전지에 더해, 마이크로파의 송신 장치를 장비했다. 이 SSPD-1에는 마이크로파의 수신 장치도 포함되어 있지만, 장래 실험에서는 지상의 수신 장치에 전력을 송전할 것으로 알려져 있다.
7. 3. 유럽
유럽에서도 우주 에너지 이용 관련 연구가 진행되고 있다.[173] 2003년에는 2년 3단계의 종합 연구 프로그램에 채택되었다.[174]7. 4. 중국
2012년 11월 2일, 중국은 인도와 우주 태양광 발전(SBSP) 협력을 제안하며, "인도와 중국이 다른 우주 개발국들과 함께 적절한 자금 지원을 통해 장기적인 협력을 한다면, 우주 태양광 발전을 지구에 가져올 수 있는 우주 기반 태양광 발전 이니셔티브가 될 수 있다"고 밝혔다.[37] 중국은 2018년 기준으로 10년 이상의 연구 실적을 보유하고 있으며, 일본과 함께 이 분야의 선두 주자이다.[154]참조
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