'우주 태양광발전'의 현주소는?

태양광 패널이 설치된 우주실험실 '스카이랩'의 모습. [사진=NASA]

태양광발전으로 최고의 효율을 얻을 수 있는 장소는 어디일까요? 바로 우주공간입니다.

태양광발전은 신·재생에너지 중 가장 비중이 크지만 낮은 발전효율과 환경훼손 등으로 받아왔는데 이를 보완할 수 있는 대안으로 손꼽혔던 것이 '우주 태양광발전(Space Solar Power)'입니다.

태양광 에너지는 우주에서 1㎡당 1360W에 이르지만 지상에 도달하기 전 30% 정도는 반사되고, 투과된 태양광도 구름과 먼지 등에 의해 가로막혀 지표면 1㎡에 도달하는 에너지는 최소 150W에서 최대 300W 정도인 것으로 알려졌습니다.

우주에서 태양광발전을 한다면, 맑은 날과 낮에만 발전하는 한계도 극복해 24시간 발전 체제를 유지할 수 있습니다. 또 산림훼손 등 지구의 환경훼손 우려도 사라지고, 비나 먼지도 없는 우주에서는 태양광 패널의 수명도 길어집니다.

우주 태양광발전의 경우 지상보다 최대 10배 가까운 전력을 생산할 수 있다고 합니다. 1㎡ 크기의 태양전지를 기준으로 할 경우 지상에서는 0.4㎾ 정도 발전하지만, 성층권에서는 7~8㎾, 지구 표면과 3만6000㎞ 떨어진 정지궤도에서는 10~14㎾ 정도의 발전이 가능하다고 합니다.

지구 표면과 3만6000㎞ 떨어진 정지궤도를 기준점으로 잡는 이유는 태양광발전으로 생산한 전력을 마이크로웨이브(극초단파)로 변환해 지구로 보내기 가장 유리한 위치이기 때문입니다. 정지궤도에서 24시간 365일 발전·송전할 수 있기 때문이지요.

과학자들은 일찌기 우주 태양광발전의 효율성을 강조해왔습니다. 우주 태양광발전은 말 그대로 우주 공간에 쏘아 올린 인공위성으로 태양광발전을 하는 것입니다. 우주 태양광발전의 효율성이 높다는 사실을 알면서도 망설였던 것은 막대한 비용 때문입니다.

자체 전력만 생산하는 인공위성과 달리 우주 태양광발전소는 초거대 규모여야 경제성이 있습니다. 한국항공우주연구원이 지난 2월 국회에서 발표한 우주 태양광발전 개발계획에 따르면 가로 6.8㎞, 세로 2.2㎞의 크기로, 여의도 면적의 4배 규모의 발전소입니다. 위성의 가운데에 1㎢의 사각 안테나를 달아 지구로 전기를 보낸다는 구상이지요.

당초 항우연이 가상 설계한 한국형 우주 태양광발전위성의 경우 1GW급 발전을 위한 폭 1㎞, 길이 4.2㎞인 태양광 패널이 필요합니다. 이 정도의 패널이라면 무게가 6000톤 이상입니다. 이렇게 거대한 위성은 한번에 띄울 수 없기 때문에 수십 차례에 걸쳐 모듈화된 부품을 나눠 쏘아 올린 뒤 우주에서 조립해야 합니다.

따라서 비용도 엄청나게 소요됩니다. 현재 정지궤도에 5톤 규모의 인공위성을 올리는데 1억~2억 달러가 든다고 합니다. 항우연은 발사 비용을 줄이기 위해 태양전지판을 둥글게 말아서 저궤도에 올린 후 조금씩 펼치면서 얻는 에너지로 정지위성 궤도까지 고도를 높일 계획입니다.

항우연은 당시 "오는 2029년까지 2대의 소형 태양광 발전 위성을 발사해 성능을 확인하겠다"고 밝혔습니다. 곧바로 초대형위성을 쏘아올릴 수 있는 형편이 안되기 때문입니다. 게다가 우주 파편 등 우주쓰레기에 무방비로 노출돼 있다는 점과 유지·보수에 대한 문제도 설계할 때 충분히 고려해야 하는 등 실용화까지 험난한 여정을 거쳐야 합니다.

과학자들은 태양광 발전 위성을 우주로 올리는 비용은 현재 1㎏당 평균 1만달러 수준으로 추산하고 있는데, 이 비용이 1㎏당 600달러 정도까지 낮아져야 우주 태양광발전이 실용화될 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.

미국의 우주 태양광발전 상상도. [사진=NASA]

부유한 나라들은 우주 태양광발전에도 재빠르게 도전하고 있습니다. 일본우주항공연구개발기구(JAXA)는 내년 우주 태양광 시범 발전을 위해 10㎿급 태양광 발전 위성을 발사할 예정이고, 중국우주기술연구원(CAST)도 지난달 2030년 ㎿급 위성에 이어 2050년까지 1GW(10억W, 일반적으로 원전 1기의 전력 생산량)급 우주 태양광 위성을 지구 궤도에 올리겠다고 발표했습니다.

미국항공우주국(NASA)은 우주정거장에서 무선전송 기술을 시험한 뒤 2040년 우주 태양광 발전을 상용화할 계획입니다. 미국의 민간 에너지기업 PG&E는 2014년 에너지 벤처기업 솔라렌이 개발하고 있는 위성으로부터 200메가와트의 전력을 공급받기로 계약했습니다. 영국 인터내셔널 일렉트릭 컴퍼니도 위성 방향에 상관없이 태양에너지를 받을 수 있는 나선형 위성 '카시오페이아'를 개발 중입니다.

현재 우주 태양광발전은 아직은 실험 중입니다. 수십미터 떨어진 곳으로 무선으로 전력을 보내고, 수톤 무게의 위성을 제작하는 것은 지금 우리의 기술만으로도 가능합니다. 그러나 수만㎞ 떨어진 곳으로 전기를 전송하고, 수천~수만톤 규모의 초대형 구조물을 우주 궤도에 건설해본 적은 아직 없습니다. 어떤 경우에도 인류의 도전이 멈추지 않기를 바랍니다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr