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[우주 기반 태양광 발전] 청정 에너지에 대한 수요 증가와 함께 기술 발전으로 우주 기반 태양광 발전(SBSP) 개념이 활성화되고 있으며 미국, 중국, 유럽 및 일본에서 시범 프로젝트가 등장하고 있다. 우주 기반 태양광 발전은 도시 규모에서 기저부하와 급전 가능한 전력을 모두 제공할 수 있으며, 그 자체로 정말 가치 있는 새로운 청정 에너지 기술이다. 게다가 우주 기반 태양광 발전은 전력망을 재설계할 필요가 없다.

https://www.impactlab.com/2022/11/23/is-space-based-solar-power-ready-for-its-moment-in-the-sun/#more-161389

JM Kim | 기사입력 2022/11/25 [00:00]

[우주 기반 태양광 발전] 청정 에너지에 대한 수요 증가와 함께 기술 발전으로 우주 기반 태양광 발전(SBSP) 개념이 활성화되고 있으며 미국, 중국, 유럽 및 일본에서 시범 프로젝트가 등장하고 있다. 우주 기반 태양광 발전은 도시 규모에서 기저부하와 급전 가능한 전력을 모두 제공할 수 있으며, 그 자체로 정말 가치 있는 새로운 청정 에너지 기술이다. 게다가 우주 기반 태양광 발전은 전력망을 재설계할 필요가 없다.

https://www.impactlab.com/2022/11/23/is-space-based-solar-power-ready-for-its-moment-in-the-sun/#more-161389

JM Kim | 입력 : 2022/11/25 [00:00]

발명가 Charles Fritts 1880년대에 최초의 조잡한 태양광 전지를 만들 때, 누군가는 이 성취가 전 세계 전력 생산에 급속한 혁명을 일으킬 것이라고 생각했을 것이다. 결국 태양광보다 저렴하고 깨끗하며 어디에나 있는 전원은 없다. 그러나 태양광 발전을 더욱 능력 있고 저렴하게 만드는 엄청난(그리고 진행 중인) 기술 발전에도 불구하고 약 140년 동안 태양광 발전은 여전히 ​​세계 전기의 5% 미만을 공급한다. 모든 이점에도 불구하고 태양광 발전에는 사용을 제한할 수 있는 단점이 있다. 그 중 가장 중요한 것은 주어진 시간에 행성 표면의 절반이 어둠에 있다는 사실이다.

 

1968년에 미국 항공 우주 엔지니어 Peter Glaser "상자 밖"뿐만 아니라 완전히 지구 대기권 밖에 있는 이러한 문제에 대한 잠재적인 해결책을 자세히 설명했다. Glaser는 광활하고 생태학적으로 취약한 토지에 거대한 태양광 발전소를 건설하는 대신 태양광 발전 위성의 궤도에 태양광 발전 장치를 올릴 것을 제안했다. 구름에 의해 감쇠되지 않고 낮과 밤의 행성 주기가 없는 궤도에서 햇빛은 최적의 효율성으로 수확될 수 있으며 지상 기반의 "정류 안테나"(rectenna)에 마이크로파로 전송될 수 있다. 지구로 돌아가면 마이크로파가 전기로 변환되어 전 세계의 전력망으로 보내질 것이다.

 

그러나 그 당시와 그 후 수십 년 동안 우주 발사 비용은 너무 높았고 태양광 발전의 성능은 Glaser의 기발한 아이디어를 현실로 만들기에 너무 낮았다. 그러나 이제 청정 에너지에 대한 수요 증가와 함께 기술 발전으로 우주 기반 태양광 발전(SBSP) 개념이 활성화되고 있으며 미국, 중국, 유럽 및 일본에서 시범 프로젝트가 등장하고 있다. 연구의 새로운 물결이 시작되면서 의문이 남다. SBSP가 태양 아래서 그 순간을 맞이할 준비가 되어 있을까?

 

미래를 향한 기대

 

미국에서 우주 산업의 급속한 성장과 기후 변화의 심각한 위협에 박차를 가한 NASA SBSP의 현재 및 가까운 미래 전망을 면밀히 살펴보고 있다. NASA OTPS(기술, 정책 및 전략) 사무소의 정책 분석가인 Nikolai Joseph은 이 접근 방식을 구체적으로 조사할 예정인 OTPS 연구의 주 저자이다. SBSP의 변혁적 가능성에 대한 세계적인 관심이 높아지는 것을 감안할 때 OTPS가 지금 연구를 시작하는 것이 합리적이라고 그는 말한다.

 

Joseph "우주 기반 태양광 발전은 수십 년 동안 매력적이었지만 그것을 활용할 수 있는 우주선을 만들고 발사하는 것은 엄청나게 비싼 것으로 여겨졌다."고 말한다. “지난 10년 동안의 기술 발전과 우주 산업의 성장은 그것이 변화하고 있음을 의미할 수 있다정기적으로 좋은 아이디어를 검토하고 옵션을 조사하는 것이 중요하다. NASA는 우주 기반 태양열 발전의 출현이 우리의 다른 많은 관심과 교차할 것이기 때문에 가능한 것이 무엇인지 알아야 한다. NASA는 우주 기술의 모든 측면을 따라야 한다. 우리는 항상 미래를 기대해야 한다.”

 

NASA의 경우 그 미래는 지구 너머의 SBSP 사용을 수반할 수 있으며, 우주국의 유인 달 탐사 프로젝트의 급성장 중인 Artemis 프로그램을 지원한다. 예를 들어, 달 주변의 우주 기반 태양광 발전(SBSP) 기능은 달 표면에서 전초 기지 및 기타 탐사 활동을 강화하는 데 도움이 될 수 있다. 더 야심차게, 빔 파워는 우주선을 탑재한 추진제를 운반하는 데 드는 비용이 많이 드는 문제없이 언젠가는 행성간 및 심지어 성간 목적지로 우주선을 보내는 데 사용될 수도 있다.

 

강력한 만병 통치약?

 

지구로 돌아와서 우주 기반 태양광 발전(SBSP)는 안정적이고 지속 가능하며 풍부한 전원 공급 장치를 유지하면서 순 제로 온실 가스 배출을 달성하는 이상적인 방법으로 간주된다. 지상 기반 태양열 및 풍력 발전과 달리 둘 다 변동하는 주변 조건으로 인한 중단에 훨씬 더 취약하다. 우주 기반 태양광 발전(SBSP) 24시간 작동할 수 있으며(소위 기저부하 전력 제공) 전력망("배치 가능한" 전력)을 가로질러 그리고 전력망 사이에 민첩하고 응답적인 전기 분배를 허용한다.

 

"독특하게, 우주 기반 태양광 발전은 도시 규모에서 기저부하와 급전 가능한 전력을 모두 제공할 수 있으며, 그 자체로 정말 가치 있는 새로운 청정 에너지 기술이다."Frazer-Nash Consultancy의 분석가이자 영국의 SEI(Space Energy Initiative) 공동 의장인 Martin Soltau는 말한다.

 

또 다른 장점은 우주 기반 태양광 발전은 전력망을 재설계할 필요가 없다는 것이다. 우리는 지상[rectenna]이 기존 그리드 상호 연결 근처에 위치할 것으로 예상하며 잠재적으로 기존 해상 풍력 발전 단지에 인접해 있다.”

 

SEI 2040년대 영국 전력망에 연결하기 위한 SBSP 함대 구축을 모색하는 정부, 산업 및 학계 간의 파트너십이다. SEI의 개념적 함대에 있는 각 우주선은 석탄 또는 원자력 발전소만큼의 전기를 생산할 것이다.

 

그러나 그 중 하나가 발생하려면 강력한 우주 테스트가 필요하다. 그렇기 때문에 SEI는 완전한 SBPS 함대가 데뷔하기 훨씬 전에 2030년까지 궤도 실증기를 먼저 발사할 계획이다.

 

Soltau "조기 우주에서 테스트하고 시연하는 데 가장 중요한 두 가지 기술은 이러한 대형 구조의 자율 로봇 조립과 우주에서 지구로 의미 있는 전력 수준으로 전력을 발사하는 것"이라고 말한다. 그는규제 환경과 스펙트럼 할당과 같이 해결해야 할 다른 많은 중요한 문제가 있다고 덧붙였다.

 

하이테크 테스트

 

SEI만이 우주 기반 태양광 발전(SBSP) 관련 하드웨어의 실제 테스트를 추구하는 것이 아니다. 이를 위한 여러 프로젝트가 전 세계적으로 진행 중이다.

 

중국 우주 기술 아카데미와 중국 시뎬 대학은 태양광을 집광하고 무선 전력 전송을 위한 신기술을 시연하기 위해 대규모 구조물을 세웠다. 코드명 Zhuri 또는 "Chasing the Sun"은 시뎬대학교의 남쪽 캠퍼스에 건설된 75미터 높이의 강철 타워를 사용한다. 새로운 시설은 정지궤도에서 태양광 발전을 수확하기 위한 집중 시스템인 OMEGA(구형 멤브레인 에너지 수집 어레이)에 대한 기술을 테스트하고 검증하기 위해 설계되었다.

 

그런 다음 SBSP 개념과 핵심 기술을 탐구하기 위해 제안된 3년 연구 개발 의제인 유럽 우주국의 SOLARIS 이니셔티브가 있다. SOLARIS는 올해 11 ESA의 각료급 위원회 회의에서 승인을 위해 제안되고 있다. 10 18 ESA는 지원되는 경우 2023-2025년 기간에 발생할 수 있는 SBSP 연구 및 개발 작업을 강화하기 위해 "SOLARIS 산업의 날"을 개최했다.

 

일본에서는 1980년대부터 수사관들이 SBSP를 열심히 연구해왔다. JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)의 연구원들은 파워빔을 제어하고 궤도에서 대형 구조물을 조립하는 새로운 방법을 개발 및 테스트하기 위한 계획을 고안했다. 이상적으로, 이 작업은 10~20년 이내에 SBSP 시스템으로 이어질 것이다. 논문 평가 외에도 일본 SBSP 연구원들은 레이저 및 마이크로파 파워 빔의 정확도를 높이는 기술을 제작했으며 기술 데이터를 수집하기 위해 준궤도 로켓에 SBSP 관련 장비를 비행하고 있다.

 

미 항공우주국(NASA)과 민간 우주 이해관계를 제외하고 미 국방부는 SBSP를 사용하여 전 세계의 군사 작전에 전력을 공급하는 데에도 큰 관심을 갖고 있다. 미국 공군 연구소(U.S. Air Force Research Laboratory) SSPIDR(Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research) 프로젝트의 최신 노력에는 항공우주 회사인 Northrop Grumman과 미국 해군 연구소(NRL)의 기여가 포함된다. SPPIDR은 최근 아라크네(Arachne)라는 이름의 우주 비행 실험을 위한 장비에 대한 최초의 지상 기반 테스트를 수행했다. 2025년에 발사될 예정인 아라크네의 임무 중 하나는 저궤도에서 무선 주파수 빔을 형성하고 집중시키는 능력을 입증하는 것이다. 공군에 따르면 이 작업의 목표는 "원정대에 중단되지 않고 확실하며 병참적으로 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 이를 통합한 테스트 장치는 미 공군의 비밀 X-37B 로봇 우주선을 타고 우주에서 900일 이상을 보냈다.

 

썰물과 흐름

 

SBSP 관련 작업의 오랜 역사를 가진 NRL 전자 엔지니어인 Paul Jaffe는 이 주제에 대한 관심이 수년에 걸쳐 줄어들었다가 흘렀지만 현재 프로젝트의 급증은 중요한 구현 기술에 대한 실질적이고 의미 있는 진전 때문이라고 말했다.

 

"SBSP에 대한 역사적 반대는 경제성, 주로 발사 비용 문제였다."라고 Jaffe는 말한다. “경제적 의미가 있는지 여부에 대한 평결은 아직 끝나지 않았다고 생각한다. 우리가 누리고 싶은 회복력과 공급 수준에 도달하기 위해 일어나야 할 그리드 기술 개발이 여전히 많이 있다.”

 

Jaffe는 완전한 시스템 개발에 대한 약속을 하기 전에 우주 내 SBSP 하드웨어 시연이 정당하고 합리적이라고 말한다. 그는 그러한 테스트에 수억 달러의 비용이 들 가능성이 있으며, 그러한 시작 자금이 확보되더라도 SBSP는 여전히 지속적인 정치적 지원이 필요하다고 지적한다. 이륙 여부는 기술 개발만큼 경제 및 규제 요인에 따라 달라진다.

 

Jaffe결국 대안과 비용 경쟁력이 있는 방식으로 이를 수행하는 것으로 귀결된다.”고 말한다.

 

NASA 기술자이자 오랜 SBSP 활동가인 John Mankins는 이 접근 방식의 전망에 대해 여전히 낙관적이다. 적절하게도 그는 현재 국제 우주 아카데미(International Academy of Astronautics)의 우주 태양 에너지 상설 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 올려놓는 등 세 가지 장애물로 인해 방해를 받았다. Mankins는 우주 로봇 공학의 발전, SBSP 구성 요소를 대량 생산할 수 있는 능력, 하드웨어를 우주로 던지면서 가격이 급락하면서 "이 세 가지 모두가 산산조각이 났다."고 말한다.

 

그는 긍정적인 추세의 이 트리플 헤더가 선행 투자 비용을 수천억 달러까지 줄여 SBSP를 경제적 타당성의 새로운 시대로 이끌 수 있다고 말한다. Mankins는 이것이 오늘날의 SBSP에 대한 다국적 관심과 참여를 촉발하기에 충분한 동기 이상이라고 말한다.

 

우울한 예측

 

모든 사람이 SBSP의 전망에 대해 그렇게 밝은 견해를 갖고 있는 것은 아니다. 한 명의 주목할만한 비평가는 에너지 정책 전문가이자 전 세계 에너지 관행을 개선하려는 비영리 단체인 RMI(이전의 Rocky Mountain Institute)의 공동 창립자이자 명예 회장인 Amory Lovins이다. 그는 스탠포드 대학의 토목 및 환경 공학 겸임 교수이자 대학의 프리코트 에너지 연구소(Precourt Institute for Energy)의 학자이다.

 

Lovins는 탑재체를 지구 저궤도에 띄우는 데 드는 킬로그램당 비용이 대략 20배 감소했음에도 불구하고 발사 비용이 SBSP "막대한 장애물로 남아있다"고 말한다(NASA의 우주 왕복선의 비용 성능 곡선을 SpaceX Falcon 부스터 제품군).

 

Lovins 1960년대 후반 SBSP에 대한 열정이 처음으로 급증했을 때부터 여전히 남아 있는 질문을 회상하면서 보안 문제도 있다고 말했다. "당시 일부 사람들은 우주에서 발사한 마이크로파 빔 무기가 의제의 일부인지 궁금해했다."고 그는 말한다. "이제 우리는 이미 매우 취약하고 부서지기 쉬운 송전망에 또 다른 초중앙집중 전원을 추가하는 것에 대해 더 우려할 수 있다."

 

SBSP는 개념적으로 여전히 매력적이지만, Lovins는 재생 가능한 에너지의 다른 경향이 그 실행 가능성에 큰 도전을 제기한다고 말한다. 지상 기반 재생 에너지는 풍력과 태양열 모두 전력 킬로와트시 당 3센트 이하의 도매 요금을 제공하면서 급격히 저렴해졌다. 그리고 "확실한" 전력 공급을 보장하는 방식으로 이러한 "지상" 소스를 기존 그리드에 통합하면 비용이 거의 추가되지 않는다고 그는 말한다. 이로 인해 Lovins는 지상의 낮과 밤에 관계없이 효과적으로 지속적으로 사용할 수 있는 SBSP의 장점이 아주 미미할 뿐이라는 결론을 내렸다. 그는 이러한 상황에서 지상파 재생 에너지의 킬로와트시 당 저렴한 비용을 이길 수 있는 우주로 가는 것은 불가능하지는 않더라도 극도로 어렵다고 말한다.

 

"간단히 말하면 태양광 전지는 우주에서 보다 지붕에서 더 저렴한 전력을 공급할 것이라고 생각한다. 아마도 시애틀에서도 마찬가지일 것이다."라고 Lovins는 말한다. “나는 우주 전문가는 아니지만 SBSP의 이러한 기본적인 핸디캡이 바뀔지는 확실하지 않다. 지상풍과 태양광 전지는 둘 다 비용이 2~3배 더 떨어지도록 설정되어 있어 에너지가 거의 무료에 가깝다.”

 

Lovins "이미 무료로 배포되고 있는데 비처럼 정의로운 사람과 불의한 사람 모두에게 내리는 태양광을 모으기 위해 많은 수고와 비용을 들이는 이유는 무엇일까?"라고 묻는다.

 

SBSP 자체와 마찬가지로 그 철학적 질문에 대한 명확한 답을 찾는 것은 여전히 ​​진행 중인 작업이다.

 

ScientificAmerican.com

 

 
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