1. 우주 태양광발전의 도래

지금부터 70년 전인 1941년, 전설적인 SF작가 아이작 아시모프(Isaac Asimov)는 리즌(Reason)이라는 단편 소설을 썼다. 소설가에는 태양에너지를 포착하여 이를 가까운 행성으로 전송하는 우주정거장이 등장하는데, 이 같은 SF적 상상력이 과학자들의 연구를 통해 지구에서 현실로 이루어질 날도 멀지 않아 보인다.

우주 태양광 발전(Space-based solar power, SBSP)이란 우주 공간에서 태양광 발전을 축척 후 그 전력을 지상에 보내는 발전 방법이다. 일반적으로 알려진 "마이크로파 발전"의 일종이며, 전송 수단으로 마이크로파를 응용한 것의 총칭이다. 태양광 발전은 태양광이 지표면에 닿기까지 대기의 흡수 등에 의해 감쇠되고, 날씨에 따라 발전량이 일정하지 않기 때문에, 태양광을 대기권 밖에서 대기 투과율이 높은 파장의 전자기파로 변환한 후, 지상으로 전달하는 것이 손실이 적고 효율이 좋으며, 발전량 또한 안정적이다. 우주 태양광 발전은 우주 공간에서 발전 위성과 지상 수신국에 의해 실행한다.

20세기 중반부터 우주기반 태양광발전(SBSP) 또는 우주 태양광 발전(SSP)에 대한 수많은 연구가 진행되어 왔다. 우주 태양광발전을 통해 환경에 부정적인 영향을 주지 않고 에너지와 온실가스 배출 문제를 해결할 수 있기 때문이다. 현재 지구에서 이루어지는 태양광발전 효율이 20퍼센트에 불과한 데 반해 우주 태양광발전 시스템은 지구에서보다 여덟 배나 더 많은 에너지를 생산할 수 있다. 우주 태양광발전을 통해 가능해진 대규모 에너지 생산능력과 우리 은하계에 속한 태양이 앞으로 100억 년은 더 존재할 것이라는 사실로 볼 때, 인류는 영원히 고갈되지 않는 에너지 자원을 얻게 되리라 기대할 수 있다.

2. 날씨와 시간에 구애받지 않는 태양광발전

우주 태양광발전은 우주 공간에서 태양에너지를 포착하여 지구 또는 가까운 행성으로 이를 전송한다는 개념이다. 다시 말하면 우주 공간에 태양에너지를 지속적으로 포착할 수 있는 메커니즘을 설치하는 그 에너지를 지구로 전송하는 원리이다. 이 시스템은 밤낮없이, 날씨와 관계없이 작동된다. 일단 지구에서 정류안테나(rectenna: 에너지를 수신하는 특수안테나)를 통해 에너지를 받으면 현재 사용하는 방식으로 에너지를 분배할 수 있다.

활용 가능한 우주 태양광발전 메커니즘에 관해 현재 수많은 아이디어들이 존재한다. 우주 태양광발전 시스템을 이해하기 위해 고려해야 할 몇 가지 기본적인 사항은 설비의 설치 위치와 위성의 구조, 에너지수집, 에너지 전송 등이다. 우주태양광발전 시스템의 설치는 지구 정지궤도(GEO), 중궤도(MEO), 저궤도(LEO) 등이 제안되고 있다. 가장 전망이 좋은 것은 지구 정지 궤도를 이용하는 것인데, 정류안테나 간의 정렬문제를 해결할 수 잇고 지속적인 전력 전송이 가능하기 때문이다. 그러나 지구 정지 궤도의 주된 문제점은 다량의 방사선 노출이나 작은 운석이나 태양풍에도 취약하다는 단점이 있다.

미 항공주주국 나사와 함께 프로젝트를 진행 중인 존 맨킨스 박사는 최근 태양광 패널이 설치된 위성을 우주로 보내 태양에너지를 모아 지구로 전송한다는 계획을 발표했다. 오는 2025년 경 발사 예정인 이 위성의 이름은 ‘SPS-ALPHA’ 이다. 위성을 모듈 형태로 우주선에 실어 보낸 후 태양광 패널을 통해 에너지를 모아 그 에너지를 마이크로파로 변환해 지구로 전송하고, 지상의 발전소는 이를 다시 전기에너지로 바꾸어 활용한다는 계획이다.

3. 문제는 로켓발사 가격이다

우주 태양광발전의 효율성이 높다는 사실을 알면서도 망설였던 것은 막대한 비용 때문이다. 자체 전력만 생산하는 인공위성과 달리 우주 태양광발전소는 초거대 규모이라야 경제성이 있다.

우주 태양광발전 시스템이 가장 당면한 과제는 안전과 생산에 관한 기술적 문제와는 별도로 우주 태양광발전에 필요한 물질은 우주로 보내는 비용과 관련이 있다. 즉, 문제는 기술이 아니라 비용인 것이다. 현재 1킬로그램의 물질을 우주로 보내는 데 들어가는 비용은 사용되는 로켓과 우주선에 따라 9,000달러에서 많게는 4만3,000달러까지 천차만별이다. 만약 태양광 패널만 우주로 보낸다 하더라도 초경량 우주 태양광발전 시스템에 필요한 무게는 아무리 낮게 잡아도 4,000톤이다. 즉, 최소 360억 달러에서 3조4,400억 달러는 필요하다는 의미이다.

나사의 연구 결과에 따르면 킬로그램당 발사비용이 100～200달러 범위에 들어와야 우주 태양광발전이 경제적으로 유효할 것으로 추정한다. 스페이스X의 재 사용가능한 로켓 덕분에 발사 가격은 계속 하락하고 있지만, 아직 길이 멀다. 그러나 미래학자 레이 커즈 와일(Rey Kurzwell)의 수확가속의 법칙에 따라 발전이 지속된다면 발사가격은 수십억 달러에서 수백만 달러로 다시 수천 달러로, 마침내 100달러로 하락하는 것도 불가능한 일은 아니라고 한다.

4. 고갈되지 않는 에너지를 찾기 위한 끝없는 도전

만약 우주 태양광발전 또는 핵융합이 향후 10년 내에 현실화된다면 SF소설에서나 봤던 미래 기술들을 직접 눈으로 확인할 수 있게 될지도 모른다. 지구와 우주정거장을 한 번에 연결하는 우주 엘리베이터와 우주 타워, 지구 둘레에 고리를 만들어 화물 이동과 우주 탐사를 쉽게 할 수 있게 해주는 궤도 고리, 항성 전체를 둘러싸는 쉘 모양의 거대 구조물로 항성의 모든 에너지를 확보할 수 있게 하는 다이슨 스피어(Dyson sphere : 다이슨 구체는 우주선의 일종이며 태양을 한 겹으로 감싸는 구형 초거대구조물이다. 그 궤도가 행성 궤도를 감쌀 정도이며, 태양이 발산하는 어마어마한 양의 에너지를 100% 이용할 수 있는 구조물로 기획되었다) 등이 더 이상 상상 속에만 머물지 않을 것이다.

우주 태양광발전의 가장 큰 이점은 지구 환경에 영향을 미치지 않는 깨끗한 에너지를 거의 영원히 사용할 수 있다는 사실이다. 우주 태양광발전 시스템이 초기 투자비용을 회수하기 위해서는 수십 년에 걸친 투자, 건설, 시험, 성공적인 시스템이의 구현이 필요하다. 그리고 우주 태양광발전이 개념 단계를 넘어 새로운 재생에너지 자원으로 확장되기 위해서는 장기적인 관점에서 혁신을 추구하는 지도자와 이에 따른 정치적 환경이 갖춰져야 할 것이다.

현재 우주 태양광발전은 아직은 실험 중이다. 수십 미터 떨어진 곳으로 무선으로 전력을 보내고, 수톤 무게의 위성을 제작하는 것은 지금 우리의 기술만으로도 가능하다. 그러나 수만㎞ 떨어진 곳으로 전기를 전송하고, 수천~수만톤 규모의 초대형 구조물을 우주 궤도에 건설해본 적은 아직 없다. 어떤 경우에도 인류의 도전이 멈추지 않기를 바란다.

<참고자료>

박영숙·제롬 글렌(2019), 『세계미래보고서 2020』, 서울 : 비즈니스북스. pp.244～247.

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