공상과학 소설처럼 들린다. 우주에 떠 다니는 거대한 태양광 발전소는 엄청난 양의 에너지를 지구로 보낸다. 그리고 오랫동안 러시아 과학자 Konstantin Tsiolkovsky가 1920년대에 처음 개발한 이 개념은 주로 작가들에게 영감을 주었다.  

그러나 한 세기 후 과학자들은 이 개념을 현실로 바꾸는 데 큰 진전을 이루고 있다. 유럽우주국(European Space Agency)은 이러한 노력의 잠재력을 깨달았으며 현재 우주에서 얻을 수 있는 최초의 산업 자원이 "빔이 들어오는 전력"이라고 예측하면서 이러한 프로젝트에 자금을 지원할 계획이다.

기후변화는 우리 시대의 가장 큰 도전이므로 많은 문제가 있다. 지구 기온 상승에서 변화하는 날씨 패턴에 이르기까지 기후변화의 영향은 이미 전 세계적으로 느껴지고 있다. 이 문제를 극복하려면 에너지를 생성하고 소비하는 방식에 근본적인 변화가 필요하다.

재생가능에너지 기술은 최근 몇 년 동안 효율성이 향상되고 비용이 절감되면서 크게 발전했다. 하지만 이들의 이해를 가로막는 한 가지 주요 장벽은 지속적인 에너지 공급을 제공하지 않는다는 것이다. 풍력 및 태양열 농장은 바람이 불거나 태양이 빛날 때만 에너지를 생산하지만, 우리는 매일 24시간 전기가 필요하다. 궁극적으로 우리는 재생 가능 자원으로 전환하기 전에 대규모로 에너지를 저장할 방법이 필요하다.

공간의 이점

이 문제를 해결할 수 있는 방법은 우주에서 태양에너지를 생성하는 것이다. 이것에는 많은 이점이 있다. 우주기반의 태양광발전소는 하루 24시간 태양을 향하도록 궤도를 돌 수 있다. 지구 대기는 또한 태양 빛의 일부를 흡수하고 반사하므로 대기 위의 태양전지는 더 많은 햇빛을 받고 더 많은 에너지를 생산한다. 

그러나 극복해야 할 주요 과제 중 하나는 이러한 대형 구조물을 조립, 출시 및 배포하는 방법이다. 하나의 태양광발전소는 1,400개의 축구장에 해당하는 면적이 10km2에 달해야 할 수도 있다. 가장 큰 비용은 로켓을 타고 우주로 발사하는 데 드는 비용이기 때문에 가벼운 재료를 사용하는 것도 중요하다. 

Integrated Symmetrical Concentrator SPS 개념이라고하는 태양광 발전 위성에 대한 아티스트의 개념. 이미지 출처: NASA 

제안된 솔루션 중 하나는 함께 모여 하나의 대형 태양열 발전기를 형성하도록 구성되는 수천 개의 작은 인공위성을 개발하는 것이다. 2017 년 California Institute of Technology의 연구원들은 수천 개의 초경량 태양전지 타일로 구성된 모듈식 발전소 설계를 설명했다. 그들은 또한 카드의 무게와 비슷한 평방 미터 당 280g에 불과한 프로토 타입 타일을 시연했다.

최근에는 3D프린팅과 같은 제조 분야의 개발도 이 애플리케이션에 대해 검토되고 있다. 리버풀대학에서 우리는 태양 돛에 초경량 태양 전지를 인쇄하기위한 새로운 제조 기술을 탐구하고 있다. 태양 돛은 접을 수 있고 가볍고 반사율이 높은 멤브레인으로 태양의 복사압 효과를 활용하여 연료 없이 우주선을 앞으로 나아갈 수 있다. 우리는 태양열 구조에 태양 전지를 내장하여 연료가 없는 대형 태양광발전소를 만드는 방법을 모색하고 있다.

이러한 방법을 통해 우주에 발전소를 건설할 수 있다. 실제로 언젠가는 국제우주정거장 또는 달을 공전할 미래의 달의 관문 정거장에서 우주에서 유닛을 제조하고 배치하는 것이 가능할 수 있다. 이러한 장치는 실제로 달에 전력을 공급하는 데 도움이 될 수 있다.

가능성은 여기서 끝나지 않는다. 현재 우리는 발전소를 건설하기 위해 지구에서 나온 재료에 의존하고 있지만 과학자들은 달에서 발견되는 재료와 같은 제조를 위해 우주의 자원을 사용하는 것도 고려하고 있다.

또 다른 주요 과제는 전력을 지구로 다시 전달하는 것이다. 계획은 태양 전지의 전기를 에너지 파동으로 변환하고 전자기장을 사용하여 지구 표면의 안테나로 전달하는 것이다. 그런 다음 안테나는 파동을 다시 전기로 변환한다. 일본항공우주탐사국(Japan Aerospace Exploration Agency)이 이끄는 연구원들은 이미 설계를 개발했으며 이를 수행할 수 있는 궤도 시스템을 시연했다.

이 분야에서 아직 해야 할 일이 많이 남아 있지만 목표는 우주의 태양광 발전소가 향후 수십 년 내에 현실이 된다. 중국의 연구원들은 오메가라는 시스템을 설계했으며, 2050년까지 운영할 예정이다. 이 시스템은 엄청난 양의 최대 성능으로 지구 그리드에 2기가 와트의 전력을 공급할 수 있어야 한다. 지구상의 태양전지판으로 그렇게 많은 전력을 생산하려면 6백만 개 이상이 필요하다.

달 탐사선에 동력을 공급하도록 설계된 것과 같은 더 작은 태양광 위성은 더 빨리 작동할 수 있다.

전 세계적으로 과학계는 우주에서 태양광발전소를 개발하는 데 시간과 노력을 기울이고 있다. 우리의 희망은 언젠가 기후변화에 맞서 싸우는 데 중요한 도구가 될 수 있기를 바란다.