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[우주태양광] 우주 기반 태양열 발전은 태양의 순간을 위해 준비가 되었나? 태양광발전을 더욱 유능하고 저렴하게 만드들었지만 약 140년 동안 세계 전력의 5% 미만을 공급하고 있다

박민제 | 기사입력 2022/11/23 [20:43]

[우주태양광] 우주 기반 태양열 발전은 태양의 순간을 위해 준비가 되었나? 태양광발전을 더욱 유능하고 저렴하게 만드들었지만 약 140년 동안 세계 전력의 5% 미만을 공급하고 있다

박민제 | 입력 : 2022/11/23 [20:43]

 

지상 기반 수신 스테이션에 전력을 전송하여 지구 궤도에서 전기를 공급하는 햇빛 수확 위성을 예술적으로 묘사한 것이다.

발명가 Charles Fritts가 1880년대에 최초의 조잡한 태양광전지를 만들었을 때 누군가는 그 성과가 전 세계 전기생산에 빠르게 혁명을 일으킬 것이라고 생각지 못했다. 결국 햇빛보다 더 저렴하고 깨끗하며 어디에나 있는 그런 전원은 없다. 그러나 엄청난 기술발전에도 불구하고 태양광발전을 더욱 유능하고 저렴하게 만드들었지만 약 140년 동안 세계 전력의 5% 미만을 공급하고 있다. 모든 이점에도 불구하고 태양열 발전에는 사용을 제한할 수 있는 단점이 있다. 그 중 가장 중요한 것은 주어진 시간에 지구 표면의 절반이 어둠 속에 있다는 사실이다. 그러나 우주태양광은 24시간 빛이 있다.

1968년 미국의 항공우주 엔지니어인 Peter Glaser는 이러한 문제에 대한 잠재적 해결책을 "틀에 얽매이지 않는" 것일 뿐만 아니라 완전히 지구 대기권 밖에 있는 것으로 설명했다. 광활하고 생태학적으로 취약한 땅에 거대한 태양광 발전소를 짓는 대신 Glaser는 태양광발전 위성함대의 궤도에 태양광 발전을 올릴 것을 제안했다. 구름에 의해 감쇠되지 않고 낮과 밤의 행성 주기에서 해방된 궤도에서 햇빛은 최적의 효율로 수집된 다음 마이크로파로 지상 기반 "정류 안테나"(렉테나)로 전송될 수 있다. 지구로 돌아가면 마이크로웨이브가 전기로 변환되어 전 세계의 전력망으로 연결된다.

그러나 당시와 그 후 수십 년 동안 우주 발사 비용이 너무 높았고 태양광발전의 성능이 너무 낮아 Glaser의 기발한 아이디어를 현실로 만들 수 없었다. 그러나 이제 청정 에너지에 대한 수요증가와 함께 기술발전이 미국, 중국, 유럽 및 일본에서 시범 프로젝트가 등장하면서 우주기반 태양광발전(SBSP)의 개념을 다시 활성화시킨다. 연구의 새로운 물결이 시작됨에 따라 질문이 남아 있다. SBSP가 태양 아래에서 우리는 그 순간을 맞이할 준비가 될까?

미래에 기대다

우주산업의 급속한 성장과 기후 변화의 심각한 위협에 힘입어 미국에서 NASA는 SBSP의 현재 및 가까운 미래 전망을 면밀히 살펴보고 있다. NASA OTPS(기술, 정책 및 전략 사무소)의 정책 분석가인 Nikolai Joseph은 접근방식을 구체적으로 조사하는 향후 OTPS 연구의 주 저자이다. SBSP의 변형 가능성에 대한 세계적 관심이 높아지고 있는 상황에서  OTPS가 지금 연구를 수행하는 것이 타당하다고 그는 말한다.

"우주 기반 태양광 발전은 수십 년 동안 매력적이었지만, 그것을 활용할 수 있는 우주선을 만들고 발사하는 것은 엄청나게 비쌌습니다."라고 Joseph은 말한다. “이제 지난 10년 동안의 기술 발전과 우주 산업의 성장은 그것이 변화하고 있음을 의미할 수 있습니다… 좋은 아이디어를 정기적으로 재검토하고 옵션을 조사하는 것이 중요합니다. NASA는 우주 기반 태양광 발전의 출현이 우리의 다른 많은 관심사와 교차할 것이기 때문에 무엇이 가능한지 알아야 합니다. NASA는 우주 기술의 모든 측면을 따라야 합니다. 우리는 항상 미래에 기대고 있어야 합니다.”

NASA의 경우, 그 미래는 우주국의 급성장하는 달 탐사 아르테미스 프로그램을 지원하는 지구 너머 SBSP의 사용을 수반할 수 있다. 예를 들어, 달 주변의 SBSP 기능은 달 표면의 전초기지 및 기타 탐사 활동을 지원하는 데 도움이 될 수 있다. 보다 야심차게, 빔 전력은 언젠가 우주선을 행성 간, 심지어 성간 목적지로 보내는 데 비용이 많이 드는 추진제를 운반하는 데 사용될 수 있다.

강력한 만병통치약?

다시 지구로 돌아가서 SBSP는 일부 사람들에게 꾸준하고 지속 가능하며 풍부한 전력 공급을 유지하면서 순 제로 온실 가스 배출량을 달성하는 이상적인 방법으로 간주된다. 변동하는 주변 조건으로 인한 중단에 훨씬 더 취약한 지상 기반 태양열 및 풍력 발전의 전기와 달리 SBSP는 24시간 내내 작동할 수 있으며(소위 기본 부하 전력 제공), 전력망 사이 "분배 가능한" 전력이다..

Frazer-Nash Consultancy의 분석가이자 British 우주 에너지 이니셔티브(SEI). “또 다른 이점은 우주 기반 태양광 발전이 전기 그리드를 재설계할 필요가 없다는 것이다. 우리는 지상 [rectennas]이 기존 해상 풍력 발전소에 잠재적으로 인접한 기존 그리드 상호 연결 근처에 위치할 것으로 예상합니다.” SEI는 2040년대에 영국 전력망에 연결할 SBSP 함대를 구축하려는 정부, 산업계 및 학계 간의 파트너십이다. SEI의 개념 함대의 각 우주선은 석탄 또는 핵 연료 발전소만큼 많은 전기를 생산한다.

그러나 이러한 일이 발생하려면 강력한 우주 테스트가 필요하다. 그렇기 때문에 전체 SBPS 함대가 데뷔하기 훨씬 전에 SEI는 2030년까지 궤도 실증기를 먼저 발사할 계획이다.

"아마도 초기에 우주에서 테스트하고 시연하는 데 가장 중요한 두 가지 기술은 이러한 대형 구조물의 자율 로봇 조립과 의미 있는 전력 수준에서 우주에서 지구로 전력을 보내는 것입니다."라고 Soltau는 말한다. "규제 환경 및 스펙트럼 할당과 같이 해결해야 할 다른 많은 중요한 문제가 있습니다."라고 그는 덧붙인다.

하이테크 테스트

SEI만이 SBSP 관련 하드웨어의 실제 테스트를 추구하는 것은 아니다. 이를 위한 여러 프로젝트가 전 세계적으로 진행 중이다.

중국 우주 기술 아카데미와 중국 시디안대학교는 태양광 집중 및 무선전력전송을 위한 신기술을 시연하기 위해 대형 구조물을 세웠다. 코드명 Zhuri 또는 "Chasing the Sun"이라는 이 프로젝트는 Xidian University의 남쪽 캠퍼스에 건설된 75m 높이의 철탑을 사용합니다. 새로운 시설은 정지궤도에서 태양 에너지를 수확하기 위한 집광기 시스템인 Orb-Shape Membrane Energy Gathering Array(OMEGA)의 기술을 테스트하고 검증하도록 설계되었다.

그런 다음 유럽 우주국의 SOLARIS 이니셔티브, 즉 SBSP 개념과 핵심 기술을 탐색하기 위해 제안된 3개년 연구개발 의제가 있다. SOLARIS는 올해 11월 ESA 장관급 회의에서 승인을 위해 제안되고 있다. 10월 18일 ESA는 지원을 받을 경우 2023~2025년 기간에 발생할 수 있는 SBSP 연구 및 개발 작업을 강화하기 위해 "SOLARIS 산업의 날"을 개최했다.

일본에서는 1980년대부터 수사관들이 SBSP를 끈질기게 연구해 왔다. 일본항공우주연구개발기구(JAXA) 연구진이 계획 파워 빔을 제어하고 궤도에서 대형 구조물을 조립하는 새로운 방법을 개발하고 테스트한다. 이상적으로는 이 작업이 10년 또는 20년 내에 SBSP 시스템으로 이어질 것이다. 종이 평가 외에도 일본 SBSP 연구원들은 레이저 및 마이크로파 전력 빔의 정확도를 높이는 기술을 제작했으며 기술 데이터를 수집하기 위해 아궤도 로켓에 SBSP 관련 장비를 비행하고 있다.

미국으로 돌아가서 NASA와 민간 우주 이익 외에 국방부도 SBSP를 사용하여 전 세계 군사 작전을 강화하는 데 큰 관심을 보이고 있다. 미 공군 연구소의 SSPIDR(Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research) 프로젝트인 미 공군 연구소의 최근 노력에는 항공우주 회사인 Northrop Grumman과 미 해군 연구소(NRL)의 기여가 포함된다. SPPIDR은 최근 Arachne이라고 불리는 우주 비행 실험을 위한 최초의 지상 기반 장비 테스트를 수행했다. 2025년에 발사될 것으로 예상되는 Arachne의 과제 중 하나는 저궤도에서 무선 주파수 빔을 형성하고 집중시키는 능력을 시연하는 것이다. 공군에 따르면 이 작업의 목표는 "원정군에게 중단되지 않고 확실하며 논리적으로 민첩한 전력을 제공하는 것"이다.

한편 NRL은 태양 에너지를 마이크로파로 변환하는 효율성을 높이기 위해 설계된 특수 모듈을 개척했다. 태양광 무선 주파수 안테나 모듈(Photovoltaic Radio-Frequency Antenna Module)이라고 하는 이들을 통합한 테스트 장치는 심지어 미 공군의 비밀스러운 X-37B 로봇 우주선에 탑승하여 우주에서 900일 이상을 보냈다.

썰물과 흐름

SBSP 관련 작업의 오랜 역사를 가진 NRL 전자 엔지니어인 Paul Jaffe는 이 주제에 대한 관심이 수년에 걸쳐 썰물과 썰물을 반복했지만 현재 프로젝트의 급증은 중요한 지원 기술에 대한 실제적이고 의미 있는 진전 때문이라고 말한다.

"SBSP에 대한 역사적 반대는 주로 발사 비용 문제인 경제성이었습니다."라고 Jaffe는 말한다. “경제적 의미가 있는지 여부에 대한 평결은 아직 미정이라고 생각합니다. 우리가 누리고자 하는 탄력성과 공급 수준에 도달하기 위해서는 아직 많은 그리드 기술 개발이 필요합니다.”

우주 내 SBSP 하드웨어 시연은 완전한 시스템 개발에 대한 약속 이전에 정당화되고 합리적이라고 Jaffe는 말한다. 그는 이러한 테스트에 수억 달러의 비용이 들 수 있으며 그러한 시작 자금이 확보되더라도 SBSP는 여전히 지속적인 정치적 지원이 필요하다고 지적한다. 이륙 여부는 기술 개발만큼이나 경제 및 규제 요인에 달려 있다.

Jaffe는 "결국에는 대안과 비교하여 비용 경쟁력이 있는 방식으로 이 작업을 수행하는 것으로 귀결됩니다."라고 말한다.

전 NASA 기술자이자 오랜 SBSP 활동가인 John Mankins는 접근 방식의 전망에 대해 여전히 낙관적이다. 적절하게도 그는 현재 국제우주학회의 우주 태양열 발전 상임 위원회의 공동 의장이기도 하다.

과거에 SBSP 계획은 세 가지 서로 연결된 재정적 장애물, 즉 필요한 하드웨어를 구축하는 데 드는 높은 비용, 하드웨어가 우주 환경에 적합한지 확인한 다음 실제로 궤도에 배치하는 데 어려움을 겪었다. Mankins는 우주 로봇 공학의 발전, SBSP 구성 요소를 대량 생산할 수 있는 능력, 하드웨어를 우주로 던지는 가격표의 급락으로 "이 세 가지 모두 산산조각이 났습니다."라고 말한다.

종합하면 이 긍정적인 추세의 3중 헤더는 선행 투자 비용을 수천억 달러까지 절감하여 SBSP를 경제적 타당성의 새로운 시대로 안내할 수 있다고 그는 말한다. Mankins는 그것이 오늘날 SBSP에 대한 다국적 관심과 참여를 촉발하기에 충분한 동기가 된다고 말한다.

우울한 예측

모든 사람이 SBSP의 전망에 대해 그렇게 긍정적인 견해를 갖고 있는 것은 아니다. 주목할만한 비평가 중 한 명은 에너지 정책 전문가이자 세계 에너지 관행을 개선하려는 비영리 단체인 RMI(구 Rocky Mountain Institute)의 공동설립자이자 명예회장인 Amory Lovins이다. 그는 Stanford University의 토목환경공학 겸임교수이자 대학의 Precourt Institute for Energy의 학자이다.

Lovins는 페이로드를 저궤도까지 올리는 비용이 1kg당 약 20배 감소했음에도 불구하고 발사 비용은 SBSP에 "만만치 않은 장애물로 남아있다"고 말한다(NASA의 우주 왕복선의 비용 성능 곡선을 NASA에서 제공하는 것과 비교할 때). SpaceX의 Falcon 부스터 제품군)도 비싸다.

Lovins는 1960년대 후반 SBSP 열광이 처음으로 급증했을 때 여전히 남아 있는 질문을 회상하면서 보안 문제도 있다고 말합니다. "그 당시 일부 사람들은 우주에서 마이크로파 빔을 발사하는 무기가 의제의 일부인지 궁금해했습니다."라고 그는 말한다. "이제 우리는 이미 매우 취약하고 취약한 송전망에 또 다른 초중앙 집중식 전원을 추가하는 것에 대해 더 우려할 수 있습니다."

SBSP는 여전히 개념적으로 매력적이지만 Lovins는 재생 에너지의 다른 추세가 실행 가능성에 큰 도전을 제기한다고 말한다. 지상 기반 재생 에너지는 급속히 저렴해졌다. 풍력과 태양광 모두 전력 킬로와트시당 3센트 이하의 도매 요금을 제공한다. 그리고 "확실한" 전력 공급을 보장하는 방식으로 이러한 "지상파" 소스를 기존 그리드에 통합하면 비용이 거의 추가되지 않는다고 그는 말한다. 이로 인해 Lovins는 지상의 낮과 밤에 관계없이 실질적으로 지속적으로 사용할 수 있는 SBSP의 장점이 작은 이점에 불과하다는 결론을 내렸다. 그는 이러한 상황에서 지상파 재생 에너지의 킬로와트-시당 저렴한 지하실 비용을 이기기 위해 우주로 가는 것은 불가능하지는 않더라도 여전히 극도로 어렵다고 말한다.

"요컨대 태양광 전지는 우주에서보다 지붕에서(아마도 시애틀에서도) 더 저렴한 전력을 공급할 것이라고 생각합니다."라고 Lovins는 말한다. “저는 우주 전문가는 아니지만 SBSP의 이러한 기본적인 핸디캡이 변경될지는 분명하지 않습니다. 지상파 풍력과 태양광 전지는 모두 비용이 2~3배 더 떨어지도록 설정되어 있어 에너지가 거의 무료에 가깝습니다.”

Lovins는 "이미 공짜로 분배되어 의인과 불의인 모두에게 비처럼 내리는데 왜 그렇게 많은 수고와 비용을 들여 지구 대기권 밖에서 햇빛을 모으는 것입니까?"라고 묻는다.

SBSP 자체와 마찬가지로 그 철학적 질문에 대한 결정적인 답을 찾는 일은 여전히 ​​진행 중인 작업이다. Via ScientificAmerican.com

 

 

 
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