[사이언스프리즘] 무진장 태양에너지 잡아라

방출하는 에너지 1%도 활용 못해
태양광 발전 개발·연구 본격 나서야

얼마 전 일본의 미쓰비시사는 장거리 무선전력송신실험을 성공적으로 수행했다. 55m 떨어진 수신안테나에서 1.8㎾의 전력을 성공적으로 수신한 것이다. 이는 우주에서 태양광 발전을 통해 얻은 전력을 지상으로 무선 송수신하는 기반실험이다. 중국도 최근 우주태양광 발전소 건설계획을 세웠다.

2011년 대지진과 해일로 발생한 일본 후쿠시마 원자력발전소의 방사능 유출사고는 충격적이었다. 그동안 청정에너지를 싸게 공급했던 원전에 대한 국민의 의식은 공포감으로 바뀌었다. 중국의 베이징과 같은 주요 도시들은 화석연료에 의한 오염문제로 골머리를 앓고 있다. 중국 정부는 에너지 문제를 해결하는 대안으로 우주로 눈을 돌리고 있다.

장영근 한국항공대 교수·항공우주기계공학

지구온난화의 심화와 화석연료의 고갈 등으로 재생에너지의 중요성과 비중은 점차 증가하고 있다. 재생에너지에는 태양력, 수력, 풍력, 조력, 지열, 바이오연료 등이 있다. 하지만 지구상에 존재하는 재생에너지의 대부분은 태양에너지의 변형이기 때문에 양이 한정돼 있다. 태양에너지는 지구상 에너지의 근원이 되는 무궁무진한 에너지이다. 인류는 태양이 내뿜는 에너지의 1%도 제대로 활용하지 못하고 있다. 지표면에서 태양전지셀을 이용해 태양빛을 전기로 바꾸어 에너지를 얻고 있다. 하지만 밤에는 태양이 없고 기상이 나쁘면 햇빛이 지표면에 도달하지 못한다. 우주에서 태양광 발전을 하면 높은 에너지 수집효율과 장시간의 에너지 수집이 가능하다. 공기가 희박한 우주에서는 대기 효과, 구름 등에 의한 방해가 없고 밤이 없어 지속적으로 태양빛을 획득할 수 있다. 지표면에서는 하루 중 약 29%의 시간 동안 태양빛을 수집할 수 있다. 우주에서는 99%의 시간 동안 가능하다.

우주태양광 발전이 수많은 장점을 가지고 있지만 아직 극복하기 어려운 몇몇의 문제에 직면해 있다. 대표적으로 위성 및 태양광을 수집하는 수만 t의 무게에 달하는 초대형의 집적패널 및 안테나를 우주에 배치해야 한다. 이를 위해서는 100회 이상에 걸친 로켓발사를 해야 한다. 현재 발사비용은 ㎏당 4만5000달러 수준이나 비용 측면에서 효용성을 가지기 위해서는 10분의 1 수준으로 낮추어야 한다.

우주태양광 발전을 통해 수집된 전기를 지구로 전송해야 하는데 크게 두 가지 방법이 있다. 하나는 마이크로파 전송이고, 다른 하나는 레이저 빔 전송이다. 레이저 빔의 경우 상대적으로 소형 및 저비용의 레이저 전송 위성을 우주에 배치해야 한다. 하지만 위성 1기당 수 메가와트(㎿) 정도의 전력을 전송할 수 있기 때문에 충분한 전력을 공급하기 위해서는 많은 수의 위성이 필요하다. 레이저 전송의 경우 구름과 악천후에서 빔 전력전송이 어렵다는 것도 문제다. 마이크로파 전송의 경우 대기상태에 따른 영향 없이 전송이 가능하고 기가와트(GW)급의 전력을 제공할 수 있다. 현재 우주태양광 발전과 관련한 기술은 대부분 가용하다. 하지만 이들 제한사항을 모두 고려하면 실제 활용까지는 수 세기가 걸릴 수도 있다. 일본은 2040년대에 원자력을 완전 폐기하고 우주태양광 발전을 통해 에너지를 공급하겠다고 발표했다. 중국도 2040년쯤에는 우주태양광 발전기술 개발을 통해 에너지 공급을 하겠다는 계획이다. 독일도 일본의 후쿠시마 사고 발생 후 자국 내 원전 탈피 정책을 쓰고 있다.

우리나라의 경우 원자력 발전량은 국내 총발전량 중에서 약 27%를 차지하고 있다. 만일 모든 원전 가동이 중단된다면 국내 총발전량의 1.65%를 점유하고 있는 수력발전소가 17배 이상 가동돼야 한다. 우리나라는 지형적인 한계로 수력발전을 포함한 재생에너지원이 대체에너지가 되기 어렵다. 결국 화석연료를 포함한 자연자원이 부족한 우리나라 입장에서도 우주태양광 발전에 의한 에너지 공급은 매우 중요해 기초연구라도 빨리 시작해야 한다.

장영근 한국항공대 교수·항공우주기계공학